易 淼，陳 鵬，文汝紅

(宜春學(xué)院 物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院，江西 宜春 336000)

隨著5G的時代到來，5G即第5代移動通信技術(shù)，5G是可以以GB的速度運行，可以處理千兆級的流量數(shù)據(jù)，相比4G快10倍以上，延時更小，真正實時通信5G還將成為未來一切的基礎(chǔ)，讓科技得到進一步的提升。人們的現(xiàn)在生活不至是在于溫飽問題，而是對生活的享受，人們的生活開始逐步走向智能化。所以智能教室開始慢慢走進時代，以前的普通教室雖然具備了電風(fēng)扇以及照明燈，但是我們對著這些資源利用不合理導(dǎo)致資源浪費。資源的浪費又沒有使得教室更加舒適。所以，我選擇運用單片機設(shè)計出一個體積小，操作簡單，能夠合理運用資源并且教室更加舒適。從而教學(xué)水平更上一個臺階。

1 設(shè)計目的與應(yīng)用

目前，在我國大部分教室都配備一些電子設(shè)備，但是利用并不合理，沒有系統(tǒng)化的管理。教室資源浪費的現(xiàn)象，比如1、當(dāng)教室處于足夠亮的時候，教室的燈光依然全部亮著；2、電風(fēng)扇的使用問題，天氣炎熱的時候不開，天氣微涼的時候又開著等。假如可以通過單片機的運用可以充分得利用資源，并且使得教室更加的舒適。簡單的單片機能夠迅速，準(zhǔn)確，合理安排教室的資源。

2 功能介紹

圖1 系統(tǒng)框圖

基于單片機的智能教室系統(tǒng)主要利用溫度傳感器DS18B20、光敏電阻、DS1302時鐘模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、LED燈、數(shù)碼管等，智能教室系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能如下：

智能節(jié)能教室模式分兩個模式。自動模式：在時間為8點到18點為自動模式，在自動模式下實現(xiàn)燈光自動控制和風(fēng)扇自動控制。手動模式：在時間為18點到8點為手動模式，在手動模式下手動控制燈光和風(fēng)扇。

2.1 自動模式下

(1)數(shù)顯時鐘

在自動模式下數(shù)顯時鐘的時與分，初始時間為17-59，顯示在數(shù)碼管最前端，L7燈點亮，作為自動模式指示燈，手動模式下L7關(guān)閉。

(2)AD探測

光線暗開燈，光線稍亮開部分燈，光線很亮關(guān)全部燈默認(rèn)ad限值1=160，ad限值2=200。

光線暗：ad值<限值1，打開L1 L2 L3 L4。光線稍暗：限值1==限值2，關(guān)閉所有l(wèi)ed。按下S7按鍵，進入光線限值調(diào)整界面，調(diào)整結(jié)束后限值需保存在EEPROM中，掉電保存數(shù)據(jù)。在限值調(diào)整界面下，對應(yīng)正在調(diào)整的限值間隔一秒閃爍，按S5限值加5，按S4限值減5。

圖2 光線限值設(shè)置框圖

限值2必須大于限值1，否則光標(biāo)無法退回時鐘顯示界面，停在限值2修改閃爍。

(3)溫度探測

溫度高時開風(fēng)扇，溫度限值可調(diào)，溫度顯示在數(shù)碼管的后兩位；溫度大于溫度限值1時，打開風(fēng)扇，輸出占空比為40 %的PWM波；溫度大于限值2時，風(fēng)扇打開到最大，即PWM波輸出為90 %；當(dāng)溫度比限值2高5度時判定為高溫，風(fēng)扇全開，蜂鳴器間隔1s響且打開；報警燈光，高溫報警。報警器用繼電器表示，報警燈光用開繼電器指示；限值2大于限值1，否則光標(biāo)無法退回時鐘顯示界面，停在限值2修改。PWM波頻率為1khz。

在時鐘模式下按下S6按鍵，進入溫度限值調(diào)整界面，按S5加一，按S4減一，限值調(diào)整完成后保存在EEPROM中，實現(xiàn)掉電保存功能

圖3 溫度限值設(shè)置框圖

2.2 手動模式下

模式切換時，原先燈、蜂鳴器與繼電器和PWM輸出全部關(guān)閉。

(1)無論原先在什么界面(可能在修改界面)數(shù)碼跳回顯示時鐘與溫度界面。

(2)按鍵S7控制led，第一次按下，亮L1 L4，第二次按下L1、L2、L3、L4全亮，第三次按下led全滅，依次循環(huán)。

圖4 控制LED亮滅

(3)按鍵S6控制風(fēng)扇

圖5 控制PWM波占空比

3 硬件設(shè)計

3.1 STC15F2K60S2芯片介紹

STC15F2K60S2芯片具有40個引腳，可以分類為電源、時鐘、控制和I/O引腳。

1.電源：VCC連接芯片電源(+5V)；GND直接地端或接0V.

2.時鐘：XTAL1為晶體震蕩電路的輸入端；XTAL2為晶體振蕩電路的輸出端；

3.ALE/PROG:地址鎖存是否可以訪問片內(nèi)的可抹除可編程只讀存儲器；

4.PSEN：是否接外部程序存儲器；

5.RST：外接復(fù)位電路。

6.VPD：假如VCC無電壓輸入，則接備用電源。

7.EA功能：內(nèi)外ROM選擇端。

8.P0口是三態(tài)雙向口。

9.P1口本次智能教室系統(tǒng)中未用到。

10.P2口是準(zhǔn)雙向接口。

11.P3口是準(zhǔn)雙向口，又是雙功能口。

12.P3.0 RXD(串行輸入口)

13.P3.1 TXD(串行輸出口)

14.P3.2 INT0(外部中斷0)

15.P3.3 INT1(外部中斷1)

16.P3.4 T0(定時中斷0)

17.P3.5 T1(定時中斷1)

18.P3.6 WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫信號)

19.P3.7 RD(外部數(shù)據(jù)存儲讀信號)

圖6 STC12C5A60S2引腳圖

3.2 74HC138譯碼器

P25、P26、P27分別接74HC138的A、B、C；GI接高電壓；G2A和G2B接地，74HC138可以進行正常工作，3位二進制加權(quán)地址輸入(A，B和C)，并且正常工作的時候，會使8個輸出端(Y0-Y7)其中一個輸出低電平。比如當(dāng)輸入110則會使Y6輸出低電平。再通過與非門74HC02從而輸出高電平。

圖7 74HC138譯碼器

3.3 LED鎖存電路介紹

P00-P07分別接入M74HC573MIR的D1-D2，可以使單片機的P00-P07輸出信號給M74HC573MIR；OE接地；當(dāng)LE為高電平時，M74HC573MIR處于工作狀態(tài)，當(dāng)LE為低電平時，M74HC573MIR處于非工作狀態(tài)，當(dāng)P00為0(低電平)這Q1輸出0(低電平)；從而使得LED1亮。P0輸出信號去控制8個LED燈的亮滅。

圖8 LED鎖存電路

3.4 按鍵介紹

為了使智能教室更加智能化，因此在該系通中有按鍵模塊，便于一些相關(guān)參數(shù)的修改，起到設(shè)計系統(tǒng)的能力。用跳帽把CON3的3和2連接，并且分別與單片機的主控芯片STC15F2K60S2的端口P30、P31、P32、P33相連，再通過程序的編寫去使系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置的改變。

圖9 按鍵設(shè)置

3.5 DS18B20溫度傳感器介紹

通過單片機芯片STC15F2K60S2的P14對DS18B20進行讀寫操作，DS18B20可以傳輸數(shù)據(jù)給P14口，圖中的R11是個上拉電阻防止輸入的電壓過高而導(dǎo)致DS18B20損壞。DS18B20只依靠一個單線端口進行相應(yīng)的操作，在檢測的范圍-55～+125攝氏度。GND接地，DQ數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)輸入輸出腳，具有64位只讀存儲器(ROM)，DS18B20具有三個管腳。使用該溫度傳感器用于對教室內(nèi)的溫度進行實時監(jiān)控，再根據(jù)溫度的高低來控制教室風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速的大小，從而使得教室的溫度達到令人感到舒適的溫度范圍。

圖10 DS18B20 溫度傳感器

3.6 DS1302介紹

1.X1 X2為32.768KHz晶振管腳。

2.GND是直接接地。

2.CE是復(fù)位腳：在輸入信號的時候，讀、寫寄存器中的數(shù)據(jù)時，必須為高電平。

3.I/O數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳：三線接口時的雙向數(shù)據(jù)線。

4.SCLK串行時鐘：可以控制數(shù)據(jù)的輸入與輸出。

5.Vcc1，Vcc2電源供電管腳：Vcc1為主要的電源；Vcc2是DS1302的備份電源。當(dāng)Vcc2>Vcc1+0.2V時，主電源供電能力不足時，可以用Vcc2為DS1302供電，當(dāng)Vcc2

DS1302的時鐘精準(zhǔn)度偏低，影響其精準(zhǔn)度的因素比較多，溫度高低以及環(huán)境的變化都影響DS1302的時鐘精準(zhǔn)度，然而智能教室只是需要大概的知道時間，對時鐘精準(zhǔn)度要求不高。DS1302時鐘是功耗小、性能高的時鐘電路。

圖11 DS1302時鐘

3.7 數(shù)模轉(zhuǎn)換

利用光敏電阻的阻值是隨光照強度的增加而減小，使得輸出電壓隨光照強度的增加而增加。輸入PCF8591轉(zhuǎn)換器的模擬信號是隨光照強度而變化的；光敏電阻對光的測量。運用簡單電路將光照強度的變化轉(zhuǎn)換為電壓大小變化。利用PCF8591將輸入的模擬電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，再將數(shù)字信號輸入給單片機，最后通過程序的編寫來實現(xiàn)LED燈的亮滅，從而使教室的亮度保持在一定的范圍。

4 軟件設(shè)計

圖13 智能教室的編寫流程圖

首先對系統(tǒng)進行初始化，將數(shù)碼管、LED燈、蜂鳴器、繼電器等都關(guān)閉；設(shè)置時鐘初始時刻，將時間設(shè)置為17點59；讀取DS18B20的溫度以及光照強度；將存儲在EEPROM的數(shù)據(jù)賦予給光線限值和溫度限值；定時器0和定時器1的聲明。前5個數(shù)碼管顯示時間的時和分，再經(jīng)過時間段的辨定得到處于自動模式還是手動模式。

5 結(jié)束語

基于STC15F2K60S2單片機設(shè)計的智能教室系統(tǒng)，根據(jù)溫度的大小控制PWM波的輸出功率，根據(jù)光照強度控制教室燈光開關(guān)情況，使得教室處于一定的光照強度?？梢愿鶕?jù)能夠跟環(huán)境的不同，設(shè)置出適合環(huán)境的溫度限值和光線限值，使教室更加智能化。