分析教室灯光风扇节能型控制器的设计

时间:2020-09-10 10:15:19 物理毕业论文 我要投稿

分析教室灯光风扇节能型控制器的设计

  【摘 要】本设计采用了单片机应用于教室灯光和风扇的控制,同时运用了单片机控制技术、无级调速技术、温度传感技术等多种技术,真正实现了智能控制。智能电风扇的控制核心为单片机,它既可以提高电风扇的性能,也更容易操控。通过单片机系统采集温度,实现电风扇的自动调速,控制方便、组态简单、灵活性大,能大幅提高被控温度的技术系数,增强对电风扇的智能化控制,有效减少教室照明电能的浪费。

分析教室灯光风扇节能型控制器的设计

  【关键词】智能控制;电风扇;电灯;节能

  学校教室开放式的管理模式很造成电灯常开,风扇长转等种种浪费现象。学校教室内的电灯电扇数量巨大且使用时间长,因此它们在整个学校的用电量中占据很大比例。教室内的节能控制只靠人工完成,效果很不理想。白动节能控制也有很多问题:如通过建设专用的控制网络,那么管理的建设和管理成本高;如用人体感应集成电路设计节能控制器,对运动少,静止多的学生检测准确度低,它原本是应用于运动之中的。针对以上问题,本文结合教室电灯风扇的特点,设计了智能电灯电风扇控制系统。采用单片机对电风扇机型定时控制,能白由控制风扇的'工作时间。用单片机系统采集温度,可实现自动调速,并且产生了新的开灯操作步骤,可延时控制信号检测时间,控制方便、简单灵活、功能强大,而且不需改变原有的墙内线路,节约安装成本,减少人工劳动,对电灯和风扇真正实现智能化节能控制。

  一、系统的总体结构

  此电风扇智能控制器由MCU,键盘输入和LCD显示,电灯驱动,电机控制与驱动,蜂鸣器报警,环境温度检测及自动调速等部分组成:

  1.MCU,它是整个控制系统的核心,使用的是ARM公司的32位内核单片机。

  2.键盘输入和LCD显示的功能主要是实现人机信息交互的接口部分。

  3.通过检测环境温度来调节风速大小,实现环境温度检测及风速的自动调控,智能化控制电风扇。

  4.扇的功能输出由电灯、电机控制与驱风完成,电灯和风扇的开关、定时由单片机控制。

  二、主要模块电路

  (一)温度检测电路

  温度传感器使用的是DS18820数字温度传感器,DS18820数字温度传感器芯片反映器件的温度值是通过9位数字量的形式来实现的。它通过一个单线接口发送信息或接受信息,因此一条连接线(加上地线)即可连接中央微处理器和该数字温度传感器,线路连接十分方便。数据线本身可以满足用语读写和温度转换所需要的电源,外部电源完全是多余的。它可以直接将模拟温度信号转化为数字信号,让电路更加简单易控,有效提高了电路的运行质量。

  (二)调速方式

  单片机采用PWM脉冲调制方式控制小型直流电机来控制速度。PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率,从而改变负载两端的电压,进而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM的应用范围很广,由它控制的调整系统接通和断开电源都有固定频率,时间的长短可随意控制。电动机的转速有一定的规律,改变直流电机电枢上电压的”占空比”可改变平均压的大小。在脉冲作用下,当电机通电时,速度增加;反之,速度减少。设电机始终接通电源时,电机转速最大为Vmax,设占空比为D=tl/T,则电机的平均速度为:Vd=Vmax*D。Vd是电机的平均速度;Vmax--电机全通电时的最大速度;D=tl/T--占空比。

  从公式可看出,改变占空比直接影响着电机平均速度,但实际上两者并不是严格的线性关系,只是近似而己。

  显示电路采用LCD12832液晶屏,单片机控制LCD12832中文液晶显示器以及多参数键盘输入编程方法,有很多优点,低价实用、简单灵活、功能强大、修改方便,在冬眠模式下还可以省电。

  (三)电灯控制

  电灯控制的基本流程:

  1.开灯:开灯操作方式发生了变化,必须在3秒内按两次开关才能点亮灯具。假如断电时忘记关灯也不会浪费电能。

  2.关灯提示:在关灯前有一分钟的提示音,频率为3千赫兹,音量有足够的强度。

  3.延时信号检测:在提示音的间隙中检测延时信号,如果有人在教室学习,则自动延时2小时;如果没有,则执行关灯命令,关灯后不再检测音频信号。

  (四)继电器控制电路

  微控制器Pin0和Pinl口引脚的控制信号送入Ql和Q2的基极,经Q1.Q2驱动后控制继电器工作。当控制器完成初始化后,Pin0和Pinl输出为低电平,此时Ql和Q2截止,继电器断开,灯不亮;当第二次开关合上时,微控制器被送入中断信号,启动中断程序而开灯,Pin0和Pinl输出高电平,01和Q2饱和导通,两组继电器吸合,灯亮。

  三、系统软件设计

  (一)软件子模块设计

  本部分功能主要有以下几个方而:

  1键盘操作模块:键盘设计为4X4小键盘,按键功能分配。

  (1)按键功能介绍

  当电风扇工作在温控模式下时,只能使用定时功能按键,其他按键功能均失效;

  当电风扇工作在非温控模式时,全开被按下,则电风扇均打开,且风速为5级;全开未被按下,1开或2开被按下时,相应的风扇打开,且风速为5级;当电风扇工作在初始状态时,级风速为5级,若想设定风速等级,按一次“加”按键,预设级加1,按一次“减”按键,预设等级减1,按下输入OK键则电风扇按预设等级工作,若未按下输入OK键,则输入无效。风速等级大小为1-10级。

  当定时开关被按下时,电风扇以定时模式开始工作,定时时间为30分钟,此时每多按下一次键,定时时间增加30分钟,最大定时时间为6小时。

  当响起关灯提示音时,按下电灯延时按钮,可延时2小时关灯。

  (2)键盘程序的一般编写方法

  键盘上的按键按照一定规律组合排列而成。按键过程中会产生抖动,这必须消除。键盘是由若干按键构成的,如何判断使用者的按键呢?这就要通过判键得到键值。MCU知道了是哪一个按键按下了之后是不是就该退出呢?如果这时退出,而按键还没有松开,则MCU又知道了有按键按下,又去消除抖动,再判断是哪个按键按下,如果还没有松开,则又被认为有按键按下,本来按了一次按键,而系统则认为你按了很多次按键。所以得到键值之后,还有一件事情就是等待按下按键的松开(注意一点:如果系统中使用了看门狗,则在这里请不断地清空看门狗,因为如果使用者一直很长时间按着键,则看门狗超时、系统复位)。综上,一般的键盘程序有二个步骤:

  A消除按键抖动(如果使用硬件,则可略);

  B判断是哪个按键按下,识别键码;

  C等待按键松开。

  (二)电机调速模块

  电机的转速由PWM调制方式控制。单片机的定时器能产生不同频率的PWM波,操作时只需设置定时器的寄存器就可以了。具体设置如下:

  1.时钟源作为定时器A的时钟,不分频;

  2.使能GPIO口,使能PWM外设;

  3.选择增计数工作模式;

  4.输出模式选择;

  5.设置CCRx。在“PWM复位/置位模式”工作方式下,TAR值等于CCRx时输出复位,TAR值等于CCRO时置位。定时器模式为“增计数模式”,CCRO的值决定了PWM的输出周期,CCRx与CCRO的比值决定PWM的占空比。

  四、总结

  本文设计了以单片机为主控核心的智能化节能控制器,主要目的是应对高校教室电灯以及风扇造成的电资源浪费现象。电风扇可以通过检测室温产生对应PWM波来改变转速,也可以通过移相脉冲改变相角和导通角以及输出电路的电压,来控制电扇的电机转动;电灯的开灯操作步骤发生变化以及增加了定时关灯功能,更有利于对电灯节能的控制,也有利于改变目前学校教室严重的电能浪费现象,对建设绿色校园,建设节约型社会具有重要意义。

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