1、基于PIC單片機教室照明系統節能控制器節能 創新 第十三屆挑戰杯課外學術科技作品競賽B類 第十三屆挑戰杯課外學術科技作品競賽B類科技發明制作節能 創新節能 創新基于PIC單片機的教室照明系統節能控制器設計基于PIC單片機的教室照明系統節能控制器設計摘要：教學樓教室的照明由學生自行控制開啟與關閉，由于大多數人的節能意識淡薄，并且強光下人的眼睛對弱光不敏感，在自然光照大于燈具光照的情況下，難以覺察到燈光的存在，因此，在白天自然光很強的情況下，教室內的長明燈仍到處可見。基于PIC單片機的教室照明系統節能控制器系統，在白天光線達到一定照度時，教室照明燈自動關閉，當教室內光線的照度下降到一定程度時自動開

2、啟照明燈，另外該控制器還能根據進入教室學生的多少來控制照明燈開啟數量的多少，達到節能的目的。關鍵詞：PIC單片機；教室照明；節能控制Design of Classroom Lighting System Energy Saving Controller Based on PIC MCU Abstract: Teaching building illumination system is usually controlled to open and close by the students with no special management.As under bright light eye

3、s are not sensitive to low light , in the case of natural light is greater than the lamp，it is difficult to perceive the existence of lamb light.Therefore, though the the natural light is strong, the classroom lamp is still working, and most peoples faint energy-saving consciousness exacerbate this

4、kind of waste.The design of classroom lighting energy saving control system is based on PIC MCU . When the light reaches a certain intensity during the daytime, the classroom illumination is automatically closed, and also can be automatically opened as the classroom illumination declined to a certai

5、n extent. Meanwhile, the system controls lighting opening number according to the amount of students entering the classroom, in order to achieve the purpose of energy saving.Key words: PIC; classroom lighting; energy-saving; 目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc355245744 1引言 PAGEREF _Toc355245744 h 3

6、HYPERLINK l _Toc355245745 2系統基本組成及硬件設計 PAGEREF _Toc355245745 h 4 HYPERLINK l _Toc355245746 2.1 時鐘模塊 PAGEREF _Toc355245746 h 6 HYPERLINK l _Toc355245747 2.2通信模塊 PAGEREF _Toc355245747 h 6 HYPERLINK l _Toc355245748 2.3繼電器控制模塊 PAGEREF _Toc355245748 h 7 HYPERLINK l _Toc355245750 2.4光照強度檢測模塊 PAGEREF _Toc3

7、55245750 h 8 HYPERLINK l _Toc355245753 2.5顯示模塊 PAGEREF _Toc355245753 h 8 HYPERLINK l _Toc355245755 2.6人數檢測模塊 PAGEREF _Toc355245755 h 9 HYPERLINK l _Toc355245758 3系統軟件設計 PAGEREF _Toc355245758 h 10 HYPERLINK l _Toc355245760 4高校用電背景調查 PAGEREF _Toc355245760 h 11 HYPERLINK l _Toc355245761 4.1高校教室照明用電管理的現

8、狀與存在的問題 PAGEREF _Toc355245761 h 12 HYPERLINK l _Toc355245762 4.2節約用電的重要性 PAGEREF _Toc355245762 h 14 HYPERLINK l _Toc355245763 4.3高校用電規章制度 PAGEREF _Toc355245763 h 15 HYPERLINK l _Toc355245764 4.4用電管理隊伍建設 PAGEREF _Toc355245764 h 15 HYPERLINK l _Toc355245765 4.5節能設備推廣 PAGEREF _Toc355245765 h 15 HYPERLI

9、NK l _Toc355245766 5.高校用電效益分析 PAGEREF _Toc355245766 h 16 HYPERLINK l _Toc355245767 5.1曲阜師范大學教室照明用電狀況分析 PAGEREF _Toc355245767 h 17 HYPERLINK l _Toc355245768 5.2河北科技大學教室照明用電狀況分析 PAGEREF _Toc355245768 h 18 HYPERLINK l _Toc355245769 5.3武漢大學教室照明用電狀況分析 PAGEREF _Toc355245769 h 18 HYPERLINK l _Toc355245770

10、5.4青島理工大學四方校區 PAGEREF _Toc355245770 h 19 HYPERLINK l _Toc355245771 5.5泰山醫學院教室照明用電狀況分析 PAGEREF _Toc355245771 h 20 HYPERLINK l _Toc355245772 6. 教室照明系統節能控制器的市場前景分析 PAGEREF _Toc355245772 h 21 HYPERLINK l _Toc355245773 6.1市場上相關產品情況的介紹 PAGEREF _Toc355245773 h 21 HYPERLINK l _Toc355245774 6.2該項發明的市場前景分析 PA

11、GEREF _Toc355245774 h 22 HYPERLINK l _Toc355245775 7結論 PAGEREF _Toc355245775 h 22 HYPERLINK l _Toc355245776 8.參考文獻 PAGEREF _Toc355245776 h 231引言教學樓照明用電的管理一般有三種模式：一是無專人管理，由學生自行控制開啟與關閉；二是利用定時開關，根據作息時間開啟和關閉整個教學樓的照明電源；三是由專人負責，即管理人員根據作息時間和天氣情況分層送電。但在大多數高校的照明用電管理采用的第一種模式，由于大多數人的節能意識淡薄，并且強光下人的眼睛對弱光不敏感，在自然光

12、照大于燈具光照的情況下，難以覺察到燈光的存在，因此，在白天自然光很強的情況下，教室的長明燈仍到處可見。根據不完全統計：80%的教學樓存在著在白天光照良好以上的情況下和在午休時間出現長明燈的現象。一個教室的長明燈，看起來耗能不大，但是從整個學校來看，卻是一個不小的數字，這是一種極大的浪費。造成電能浪費的現象除了節能意識薄弱外，另一個重要的原因就是節能的硬件設施跟不上。為此，根據學校的實際情況，設計與實施教室照明節能控制系統，在白天光線達到一定照度時，教室照明燈自動關閉，當教室光線的照度下降到一定程度時自動開啟照明燈，在充分保證教室照度的前提下，達到節能的目的。本項目研究的內容：使用PIC16F8

13、77單片機為主控芯片，采用信息（進入教室人數的多少，教室從門口到窗戶的自然光照度的強弱）融合技術，來自動判定教室開燈的多少；控制器具有時鐘功能，能夠在設定的時間段內進入低功耗模式，基本不消耗電能；控制器具有RS485數據傳輸功能，能夠與其它控制器進行組網實現大規模的網絡化管理。2系統基本組成及硬件設計系統結構圖如圖1所示。本系統為教室照明系統節能控制系統，是專門為高校教學樓照明用電的管理而設計的產品，系統主要由時鐘模塊，光照強度檢測模塊，人數采集模塊，顯示模塊，繼電器控制模塊，通信模塊六部分組成。圖1 系統硬件總體結構框圖本系統光照強度檢測電路是由光敏電阻及處理電路來實現，人數采集模塊由兩組激

14、光對管實現，時鐘信號由ds1302時鐘芯片提供，用數碼管來顯示教室人數和時間情況，通信模塊是通過RS485來管理。工作時，光照檢測電路，激光對管及處理電路和ds1302時鐘芯片分別采集光照強弱、教室人數、時間等信息送到單片機，單片機根據這些信息通過控制電路對照明設備進行操作，從而實現本系統要求的功能。系統控制單元選用PIC16F877A單片機，該型號單片機具有指令系統精簡，硬件系統設計簡潔與高集成度的特點，且單片機功耗較低，價格合理性價比較高。2.1 時鐘模塊采用ds1302時鐘芯片，作為整個系統的時鐘信號來源，再結合軟件定時能夠達到對照明燈控制系統定時開關機的目的。下圖為時鐘部分接線電路。

15、圖2 時鐘控制部分2.2通信模塊RS485通訊接口的通訊協議采用MODBUS標準通訊協議，該控制器可以作為從機與具有相同通訊接口并采用相同通訊協議的上位機（如單片機、PC機）通訊，實現對控制器的集中監控，通過該通訊口也可以接遠控鍵盤。實現用戶對該控制器的遠程操作。下是其電路連接圖：圖3 通信模塊2.3繼電器控制模塊該模塊由兩片高耐壓、大電流復合晶體管陣列ULN2003和一片74ls595組成，其中74ls595可實現串行輸入并行輸出并帶有數據鎖存功能，與單片機通信只需兩條信號線，這樣大大節省了單片機的I/O資源。ULN2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500mA，并且能夠在開關態時承

16、受50V 的高壓，足以驅動直流繼電器。電路圖如下：圖4 繼電器控制驅動模塊2.4光照強度檢測模塊光強檢測模塊由光敏電阻、滑動變阻器和電壓比較器組成。通過調節滑動變阻器來改變該模塊對光強的敏感程度，電壓比較器采用電平比較方式將信號直接輸入給單片機可有效防止邊沿跳變，保證信號有效性。電路圖如下圖5： 圖5 光照強度檢測模塊2.5顯示模塊該模塊由4位一體共陰極數碼管和MAX7219專用數碼管驅動芯片組成，芯片與單片機僅有3根信號線相連，通信十分方便。芯片包含一個150A的低功耗關閉模式，模擬和數字亮度控制，系統進入低功耗模式時，該模塊也可進入低功耗狀態，可大大減小控制器的功耗。電路圖如下圖6：圖6.

17、1 顯示模塊1圖6.2 顯示模塊22.6人數檢測模塊人數檢測模塊由兩對激光發射管和接收管組成，安裝在教室門框的適當高度上，前后安裝。由于接收管只能接收調制光且調制光在180KHZ占空比20%-30%時接收效果最好，這樣便有效避免了外界光源對傳感器的干擾，且激光的聚光性好直線傳播距離遠，可以減少相鄰傳感器之間的相互干擾并能大大減小傳感器的體積，便于傳感器的安裝。電路圖如下：圖7 人數檢測模塊 3系統軟件設計 圖9 系統軟件流程圖系統軟件設計的基本思想是：盡可能多地利用軟件來代替硬件，使成本降低，修改方便。因此采用了模塊設計的方法，整個系統是通過不斷調用子程序和接受中斷服務來完成工作的。由于白天太

18、陽光亮度較強，除光敏檢測部分外，其他部分都處在空閑狀態,而在晚上10點半后幾乎沒有同學在上自習，一直到第二天早上為止系統都處在空閑狀態，所以降低功耗也是軟件設計的一大任務，因而在通過軟件控制硬件工作時，在空閑時間盡量使整個電路處在低功耗狀態。系統啟動后，先初始化各個硬件模塊。由軟件實現從時鐘和光敏檢測模塊讀取時間和亮度情況，并判斷其值是否滿足預設值，若滿足則打開相應的照明燈，不滿足則進入低功耗模式。正常模式時先檢測是否光照度來滿足學習的條件，白天當光照度低于學習條件是開啟照明燈，到晚上時利用門口的激光管來檢測進入教室的人數，來判斷需要開的照明燈的盞數。低功耗模式時，則需要通過外部中斷來進行喚醒

19、微控制器，從而使PIC16F877啟動并開始工作，進入讀取檢測循環。4高校用電背景調查建設節約型社會是我國經濟社會發展的長遠戰略方針。建設節約型高校是實現經濟增長與服務育人雙重效益的根本要求。高等學校集教學、科研和生活于一體，現已成為重要的用電大戶，其照明用電量已占總用電量的30%-40%以上。加強高校節電管理，特別是照明節電不僅可以有效地節約用電、降低學校的經費開支，更重要的是通過學校的示范表率作用，提高學生乃至全社會的節電意識，實現節約能源、保護環境的目的。高校作為培養高素質人才的搖籃，建設節約型校園提倡節約的意義也就顯得更加重大而深遠。4.1高校教室照明用電管理的現狀與存在的問題教室作為

20、高校教學的重要場所，一般采用開放式管理模式，學生基本上無固定的班級教室，無固定的座位，因此就造成了只有學生開燈而沒有學生關燈的現象；而樓宇管理人員僅負責環境衛生或安全保衛工作，沒有關燈的責任和意識。因此，造成了白天長明燈，晚上無人也開燈，人少燈全開的浪費現象。從早晨開放到晚上清場，教室照明燈具一直開啟的現象在高校中是普遍存在的。由于高校內教室、實驗室照明燈具數量眾多，使用時間最長，使得教室的照明負荷在整個學校的用電負荷中所占的比重一直居高不下。而隨著我國對高等教育發展的重視，高校數量以及教學樓的數量逐年增多，而高科技的輔助節能設備卻未及時投入，使得教室照明的用電量逐年增高。在我國，由于本科生連

21、年擴招，使得很多高校為了降低建設成本和師資投入在建設教學樓、實驗樓時更是喜歡“大教室”、“大禮堂”，這就更使得原本就無人管理的教室照明系統更加無人問津。再者，不少高校教職員工和學生對水電節能的重要性缺乏足夠的認識，節約觀念淡薄，認為水電供應保障理所應當由學校統包統付，辦得起學校就用得起水電；再就是部分部門福利觀念根深蒂固，靠山吃山，靠水吃水，多收電費多提成多福利；不容忽視的是還存在節約能源與己無關的思想，對浪費現象視而不見，充耳不聞。高校在教職員工和學生中對水電節約的宣傳工作未能達到廣度、深度、力度。教職員工沒能把培養節能意識和行為落實在教書育人、管理育人、服務育人的全過程之中。大學生也沒能真

22、正懂得節約水電資源的重要意義，更談不上節約水電“從我做起，從點滴做起”。4.2節約用電的重要性不少高校教職員工和學生對水電節能的重要性缺乏足夠的認識，節約觀念淡薄，認為水電供應保障理所應當由學校統包統付，辦得起學校就用得起水電；再就是部分部門福利觀念根深蒂固，靠山吃山，靠水吃水，多收電費多提成多福利；還存在節約能源與己無關的思想，對浪費現象視而不見，充耳不聞。高校在教職員工和學生中對水電節約的宣傳工作未能達到廣度、深度、力度。教職員工沒能把培養節能意識和行為落實在教書育人、管理育人、服務育人的全過程之中。大學生也沒能真正懂得節約水電資源的重要意義，更談不上節約水電“從我做起，從點滴做起”。4.

23、3高校用電規章制度不少高校為了減少水電支出的巨大壓力制定了許多規章制度和辦法，但都難以因地制宜制定出系統的切實可行的節約方案。水電管理涉及方方面面，很難完全達成共識，規章制度在執行中往往因為一些個人利益和小單位利益而擱淺。制度的不完善和過多的人情干擾導致執行不力，這是許多高校水電管理的一個通病。另外，有些高校水電節能規章制度建設的不完善，缺乏有效的節能激勵政策，嚴重挫傷了一線員工的工作積極性。4.4用電管理隊伍建設大多數高校基本上都有專職的水電節能管理人員，但大多數管理人員只是日復一日，年復一年地從事計量抄表和水電收費工作，未能開展更深層次與水電節能更貼近的、更專業的能效分析、節能挖潛、節能監

24、管和督查等全方位的節能管理工作。4.5節能設備推廣許多高校只是在部分教學樓和重點教室安裝智能節電設備、采用節能新技術，未能在全校廣泛推廣應用新技術、新產品、新工藝，這也是造成教室照明用電較大浪費因素之一，究其原因一是學校缺乏長期投資效益的考慮；二是受到相關經費的制約。5.高校用電效益分析對高校教室進行照明節電改造，實現教室照明終端智能化自動控制管理，可以有效地杜絕教室照明用電浪費現象，產生巨大的社會效益和經濟效益，從而提高了資源的節約利用，響應了我國建設節約型社會的號召，貫徹了我國實行“可持續發展”的戰略方針。高校教室照明節電工作是一件功在當代，利在千秋的事業。同時，通過高校節能工作，可以培養

25、學生的節約意識和良好的節約習慣，成為社會所需要的有素質懂節約的人才。這樣才能擔負起應有的歷史使命，成為建設“節約型社會”的生力軍。5.1曲阜師范大學教室照明用電狀況分析我們對日照校區的教室燈具統計的情況：對曲阜師范大學A樓B樓C樓D樓E樓，分別進行了統計，其中，A樓共有516盞燈，靠窗的有96盞，B樓共有222盞燈，靠窗的有66盞燈，C樓共有779盞燈，靠窗的有209盞燈，D樓共有243盞燈，靠窗的有81盞燈，E樓共有390盞燈，靠窗的有79盞燈。在我們統計的這幾棟樓中共有2150盞燈，靠窗的有531盞，占到了總燈數的1/4。這2150盞燈按80%有長明燈的概率，就有2150*0.8=1720

26、盞燈，按一天從早上8點到下午5點長明，每盞燈兩支燈管共70瓦的話，每天浪費的電能1720*70*8=963200（瓦時）=963.2度電，一學年中按200天正常的晴天（排除假期和陰天等情況），那么一學年浪費的電能為：963.2*200=192640度電，每度電按0.5元錢計則需要96320元，若將教室燈通過細分控制亮燈的話，那么減少浪費用電量更多。若將曲阜校區的教室照明也算上，每年至少需要20萬元以上的無謂的電能開銷。5.2河北科技大學教室照明用電狀況分析河北科技大學教室的用電情況:教室采用36W日光燈照明；每天大約使用8小時，總數量有10000盞，每年使用8.5個月。36W電感式日光燈每天的

27、電費=（單盞功率+電感鎮流器損耗）盞數電價小時/天 =0.045KW/盞10000盞0.6元/度8小時/天 = 2160元 / 天一個月的總電費=2160元/天30天/月 = 64800元/月一年按8.5個月計算電費 = 64800元/月 8.5月/年 = 550800元/年。5.3武漢大學教室照明用電狀況分析武漢大學現有各類在校生4萬余人，現有建筑面積525272.15平方米，其中教室面積234390.54平方米。按學生全年在校270天、教室每天照明12小時、單位面積照明功率10W/計算，以每度電0.573元計算。我們可以計算出武漢大學每年用電量為：教室面積*每天照明時間*全年天數*單位面積

28、照明功率=234390.54*12*270*10=760萬度武漢大學每年用電花費：每年用電量*每度電所用花費=760萬*0.573=450萬元即全校教室全年教室照明約為760萬度左右。即全校教室全年教室照明需花費450萬元。5.4青島理工大學四方校區我們對青島理工大學四方校區的教室燈具做了一下具體統計：對青島理工大學的一號樓二號樓三號樓，分別進行了統計，其中一號樓一共有840盞燈，靠窗的有240盞燈，二號樓一共有784盞燈，靠窗的有180盞燈，三號樓一共有768盞燈，靠窗的有184盞燈。在統計的這幾棟樓中一共有2392盞燈，靠窗的有604盞燈，占到總燈數的3/10。這2392盞燈按80%有長明

29、燈的概率來算，就有2392*0.8=1914盞燈，按一天從早上8點到下午5點長明，每盞燈兩支燈管共70瓦的話，每天浪費的電能1914*70*8=1071840（瓦時）=1071.8度電，一學年中按200天正常的晴天（排除假期和陰天等情況），那么一學年浪費的電能為：1071.8*200=214360度電，每度電按0.5元錢計則需要107180元，若將教室燈通過細分控制亮燈的話，那么減少浪費用電量更多。若將黃島校區，費縣校區的教室照明也算上，每年至少需要30萬元以上的無謂的電能開銷。如圖為青島理工大學四方校區燈具數概況。5.5泰山醫學院教室照明用電狀況分析我們對泰山醫學院的教室的燈具情況進行了相關

30、調查。泰山醫學院在校生達到12000人左右，校舍建筑面積75.17萬平方米。普通教室為每個教室16盞日光燈（內含2根燈管，每個燈管的功率為28瓦），全校教室、禮堂、圖書館、實驗室共有220間左右，均按每天多余開燈時間為8小時計算，則可得出一天中整個泰山醫學院的浪費的電能為：162282207 1380kwh。而我們通過采訪泰山醫學院醫學影像學實驗中心管理實驗設備老師得知，泰山醫學院的醫學影像、核醫學實驗中心的實驗設備（包括CT系統、核磁共振成像系統等大功率實驗儀器）一個學期的耗電量也不過12000kwh。不難算出，泰山醫學院一天內教室中因為照明浪費的電能可以供實驗中心兩個星期所有醫療實驗設備的用電量。這個統計數字是無疑是驚人的。可以繼續計算一下一年內泰山醫學院因電能浪費而造成的經濟損失（按照每年學生在校時間為200天，每度電按照0.5元計算）得到直接經濟損失大約為138000元。也就是說如果將這些電能節約下來，幾年時間可以引進最先進的實驗設備；五年時間可以利用省下的資金修建水平較高室內體育館6. 教室照明系統節能控制器的市場前景分析通