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（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 楊凌 712100）

基于單片機(jī)的教室智能電動(dòng)窗簾控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡啟迪，熊 剛，劉元?jiǎng)?/p>

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 楊凌 712100）

針對(duì)教學(xué)過程中使用投影時(shí)調(diào)整環(huán)境光線不便的問題，設(shè)計(jì)了一種適用于教室的智能電動(dòng)窗簾控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件部分以STC12系列單片機(jī)為控制核心，用光敏元件捕獲光線強(qiáng)度，繼電器控制電燈總電源開合，與多媒體控制器相連，通過相應(yīng)的程序，可捕獲投影儀的使用情況，并據(jù)此結(jié)合采用不同的策略通過控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)調(diào)整窗簾的閉合程度達(dá)到自動(dòng)調(diào)整室內(nèi)光線的目的。測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期效果，能夠提高多媒體設(shè)備使用的便利性，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

單片機(jī)；電動(dòng)窗簾；智能控制；教室

隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)教室中的三尺講臺(tái)、黑板加粉筆已經(jīng)逐漸被多媒體教學(xué)設(shè)備所代替，并逐漸成為教室標(biāo)準(zhǔn)化配置，而多媒體教室的使用中存在一些問題。多媒體系統(tǒng)大多數(shù)都是后期安裝的，其控制部分也僅限于多媒體相關(guān)設(shè)備，因此教師在授課過程中需要手動(dòng)控制窗簾進(jìn)行環(huán)境光線的調(diào)整，這樣一方面會(huì)打亂教學(xué)秩序，另一方面，也很難調(diào)整到位，教室并非電影院，在進(jìn)行投影教學(xué)時(shí)并不是越暗越好，而是應(yīng)該使光照強(qiáng)度在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，太暗則學(xué)生容易困乏，太亮則看不清投影內(nèi)容[1-4]。

所以，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)一款能夠根據(jù)多媒體使用情況自動(dòng)調(diào)整環(huán)境光線的電動(dòng)窗簾控制系統(tǒng)是非常有必要的。

1　總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示，其以單片機(jī)為控制核心，同時(shí)與多媒體設(shè)備相連，根據(jù)多媒體設(shè)備的使用情況以及室內(nèi)光線情況，自動(dòng)控制電動(dòng)窗簾，調(diào)節(jié)教室光線。當(dāng)其檢測(cè)到多媒體設(shè)備使用，則根據(jù)采集到的光線強(qiáng)度，自動(dòng)關(guān)閉窗簾到合適的程度；檢測(cè)到多媒體設(shè)備關(guān)閉時(shí)打開窗簾，關(guān)閉室內(nèi)燈光，節(jié)省能源。該系統(tǒng)還具有遙控功能，教室管理人員（或教師）可以根據(jù)實(shí)際情況遙控調(diào)節(jié)室內(nèi)光線強(qiáng)度。其在室外光線比較充足的情況下可實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)調(diào)整，若窗簾完全打開時(shí)仍未達(dá)到所需的光線要求，可通過室內(nèi)光具進(jìn)行補(bǔ)光。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1控制器主電路

控制器主電路如圖2所示，主要包括控制器模塊、光線檢測(cè)模塊、按鍵模塊、遙控接收模塊等部分。

控制器模塊中選用的主控芯片型號(hào)為STC12C5A32S2。在本設(shè)計(jì)中的光線強(qiáng)度傳感器輸出為模擬量，如果使用傳統(tǒng)89系列單片機(jī)，則需要增加A/D轉(zhuǎn)換模塊，而該芯片本身集成了A/D外設(shè)。該芯片還集成了PCA模塊，將其配置為捕獲模式可以很方便的接收并解碼紅外遙控信號(hào)，同時(shí)也優(yōu)化了指令運(yùn)行架構(gòu)，使得運(yùn)算速度大幅提升，為日后系統(tǒng)升級(jí)提供了更多的可能性[5-8]。

光線檢測(cè)模塊選用光敏二極管（或稱光敏電阻），其可根據(jù)光線的強(qiáng)弱產(chǎn)生不同數(shù)量的少數(shù)載流子，這些載流子在反向電壓的驅(qū)動(dòng)下會(huì)形成反向飽和電流，通過合理的電路設(shè)計(jì)，可將該電流轉(zhuǎn)換位用于A/D檢測(cè)的電壓值，最終形成光線強(qiáng)度與A/D采樣值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，一般來說都是非線性的，需要進(jìn)行修正。該器件另一個(gè)好處就是可以通過調(diào)整反向電壓值來控制器輸出電壓的范圍，非常容易適應(yīng)于不同參考電壓的A/D器件，本設(shè)計(jì)中主控芯片的A/D參考電壓為其電源電壓+5 V，因此該部分電路的反向電壓也同樣設(shè)計(jì)為+5 V。

圖2　控制器主電路

紅外遙控就目前來說是使用最為廣泛的一種遙控方式了，該部分電路也比較簡(jiǎn)單，其核心器件為HS0038紅外接收器，具體的電路如圖2中所示。這里需要提到的是，對(duì)于STC12C5A32S2芯片來說，其內(nèi)部自帶PCA模塊，該模塊在捕獲模式下可以對(duì)沿跳變進(jìn)行捕獲，并產(chǎn)生中斷，同時(shí)記錄時(shí)間間隔，非常適合作為紅外接收器輸出信號(hào)的輸入端[9-10]。

2.2電機(jī)控制模塊

目前，電動(dòng)窗簾主要采用直流電機(jī)及交流電機(jī)兩種方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，交流電機(jī)扭矩大，噪聲也大，可以通過220V市電直接供電，雖然可以省去電源適配器，但使用過程中也比較危險(xiǎn)；直流電機(jī)雖然扭矩比較小，并且需要適配器供電，但是啟動(dòng)平穩(wěn)、噪音小、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，同時(shí)也相對(duì)安全。綜合以上考慮，在本設(shè)計(jì)中使用24 V直流電機(jī)。驅(qū)動(dòng)芯片采用L298N，該芯片是一種雙H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，其中每個(gè)H橋可以提供2 A的電流，功率部分的供電電壓范圍是2.5～48 V，邏輯部分5 V供電[11-16]，驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

圖3　電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

2.3電源模塊

該系統(tǒng)需要5 V直流電源供電，通常情況下，多媒體控制器本身就是5 V供電，可直接用多媒體控制器電源給該系統(tǒng)供電。若出現(xiàn)電壓不匹配的情況則需要設(shè)計(jì)獨(dú)立的電源模塊，本系統(tǒng)在測(cè)試時(shí)直接從多媒體控制器中取電，因此并沒有設(shè)計(jì)單獨(dú)的電源模塊電路。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

下面主要對(duì)系統(tǒng)主程序、非投影下光線調(diào)整子程序以及投影下系統(tǒng)調(diào)整子程序等軟件主要部分進(jìn)行介紹。

3.1系統(tǒng)主程序

結(jié)合系統(tǒng)功能，系統(tǒng)軟件部分包括主程序、外部中斷子程序、參數(shù)設(shè)置子程序以及開關(guān)投影儀兩種狀態(tài)下的光線調(diào)整子程序等構(gòu)成，執(zhí)行過程如圖4所示。需要注意，由于光線調(diào)整子程序的運(yùn)行時(shí)間相對(duì)較長，因此按鍵不應(yīng)在此時(shí)按下，當(dāng)調(diào)整到位時(shí)也需要保持一定的按下時(shí)間直至響應(yīng)；投影開關(guān)狀態(tài)是通過變量media_flag的值判定的，該變量在進(jìn)入外部中斷0服務(wù)程序時(shí)被翻轉(zhuǎn)（投影開關(guān)鍵接于外部中斷0輸入引腳），是否調(diào)整結(jié)束是通過變量adjust_done標(biāo)識(shí)的，該變量由光線調(diào)整子程序執(zhí)行結(jié)束后標(biāo)識(shí)為“已調(diào)整結(jié)束”，在外部中斷服務(wù)程序中標(biāo)識(shí)為“未調(diào)整結(jié)束”，并且以上兩個(gè)變量均可以通過按鍵設(shè)置，以糾正斷電、未捕獲到投影控制信號(hào)等情況造成的誤判。

圖4　系統(tǒng)主程序流程圖

3.2非投影下光線調(diào)整子程序

該子程序主要考慮盡可能利用自然光線，當(dāng)室外光線無法滿足需求時(shí)，則打開電燈總開關(guān)，并提示使用人員進(jìn)行手動(dòng)不光，其執(zhí)行過程如圖5所示。首先關(guān)閉電燈總開關(guān)并將窗簾開至最大狀態(tài)，后根據(jù)所獲取的光線情況選擇打開或者關(guān)閉電燈總電源。

圖5　非投影下光線調(diào)整子程序流程圖

3.3投影下光線調(diào)整子程序

如圖6所示，該子程序主要考慮將教室內(nèi)的光線調(diào)整到最合適的程度，其同樣在關(guān)閉電燈總開關(guān)的情況下進(jìn)行調(diào)整，不同之處在于此時(shí)并不直接將窗簾完全打開或者關(guān)閉，而是根據(jù)所需的光線范圍對(duì)窗簾進(jìn)行步進(jìn)調(diào)整，直至光線滿足要求，當(dāng)無法滿足所需光線的最低要求時(shí)則打開電燈總電源，并給使用人員相應(yīng)的提示。

圖6　投影下光線調(diào)整子程序流程圖

4　測(cè)試應(yīng)用

系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行電路制作、程序調(diào)試，最終完成樣機(jī)，然后進(jìn)行測(cè)試使用。在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，首先將控制器與多媒體設(shè)備開關(guān)連接一起；控制器使用的歐姆龍固態(tài)繼電器G3MB-202P，工作電壓不超過250 V，工作電流不超過2 A，需要通過中間繼電器與教室燈光電源連接；測(cè)試時(shí)，打開多媒體設(shè)備即輸入控制信號(hào)，窗簾自動(dòng)關(guān)閉到合適位置；不使用多媒體設(shè)備時(shí)，光線較弱則自動(dòng)打開燈光電源，保護(hù)學(xué)生視力，光線較強(qiáng)則自動(dòng)關(guān)閉燈光電源，節(jié)省能源。測(cè)試結(jié)果表明，該智能窗簾控制系統(tǒng)，性能可靠、控制簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，能夠滿足一般多媒體教室的使用。

5　結(jié)束語

基于單片機(jī)的教室智能電動(dòng)窗簾控制系統(tǒng)結(jié)合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多媒體教室光線的自動(dòng)調(diào)整，減少對(duì)教學(xué)過程的干擾，提高了教學(xué)效率；測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制靈活、性能可靠，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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Design of intelligent curtain control system in classroom based on singlechip

HU Qi-di，XIONG Gang，LIU Yuan-gang
（Yangling Vocational and Technical College，Yangling 712100，China）

Aim at the problem of adjust inconveniently light when using projector in the course of teaching，this paper designed a control system of curtain apply to classroom.It's hardware used STC12 series MCU as control center，photosensitive element to capture light intensity，relay to control master switch of light，and connected with multimedia controller，through appropriate software，this system can capture condition of projector，then adjust classroom's light automatically by adjust the curtain's degree of opening by the way of controlling motor's rotation direction.The test result shows that the system achieves the design requirement，can improve the convenience of the use of multimedia，and has some practical value.

singlechip；electric curtain；intelligent control；classroom

TN876

A

1674－6236（2016）21-0031-03

2015-11-17稿件編號(hào)：201511156

楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院科學(xué)研究基金項(xiàng)目（A2014011）

胡啟迪（1983—），男，河南洛陽人，碩士研究生，講師。研究方向：通信技術(shù)及自動(dòng)控制。