摘 要： 以IAP15F2K61S2單片機作為核心控制器，集成溫度采集、交流電風扇無極調速、燈光有效控制、上位機無線控制等功能，構成課室風扇燈光管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有控制簡便、操作靈活等優(yōu)點，改善了傳統(tǒng)課室容易出現的“燈常明、扇常轉”現象，還大大減少了課室管理員的工作量。
關鍵詞： IAP單片機；溫度傳感器；無級調速；上位機；無線控制
0 引言
目前部分高校提出智慧校園的口號，節(jié)能減排也是其中一重要議程，高校課室中風扇、燈光的管理也受到了較大的關注。當課室中無人時燈光以及風扇仍然在運作，不僅浪費國家電力資源，還給學校財政加大了負擔。針對以上情況，本文介紹一種利用IAP15F2K61S2單片機、各種功能模塊以及上位機軟件整合成的課室風扇燈光管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有操作簡單、穩(wěn)定性強、兼容性強等特點[1]。
1 課室風扇燈光管理系統(tǒng)硬件設計
1.1 課室風扇燈光管理系統(tǒng)工作原理
系統(tǒng)硬件組成框圖如圖1所示。本管理系統(tǒng)由IAP15F2K61S2單片機分析DS18B20數字溫度計采集回來的溫度值，從而產生不同占空比的PWM脈沖調制信號，再通過由MOC3061光電雙向可控硅以及BT136雙向可控硅等組成的交流電機無級調速電路對電風扇進行調速，使得電風扇隨溫度的變化而自動換擋，實現“溫度高，轉速快；溫度低，轉速慢”的功能[2]。利用繼電器可以使單片機以弱電的高低邏輯電平來控制220 V交流強電的接通與斷開，從而控制課室燈光的開啟與關閉。不僅使用了LCD12864液晶顯示屏顯示課室當前溫度值，還利用無線模塊CC1101把溫度值實時無線傳輸到課室風扇燈光管理系統(tǒng)上位機軟件。利用光電傳感器計算進入以及出去課室的人數從而判斷當前課室內是否還有人。課室風扇燈光管理系統(tǒng)上位機軟件可以實時顯示課室各點溫度以及電風扇工作狀態(tài)，還可以無線切換電風扇智能與人工控制、無線控制課室燈光開啟與關閉功能。
1.2 硬件設計
1.2.1 溫度傳感器
本系統(tǒng)采用DS18B20數字溫度傳感器測量課室環(huán)境溫度，并將實時采集回來的溫度數據傳輸給單片機處理，計算之后的溫度值與實際值誤差為±0.5℃。
1.2.2 光照強度檢測模塊
本系統(tǒng)使用BH1750FVI光照強度模塊對課室光照強度進行采集，并將數據傳輸給單片機處理、分析，按照在不同光線強度環(huán)境之下實際測試回來的不同數值來劃分光線強度。該模塊具有接近視覺靈敏光譜靈敏度特性，最小誤差變動在±20%，受紅外線影響很小等特點。
1.2.3 光電傳感器電路
E18-8MNK光電傳感器模塊是一種對射光電傳感器，當發(fā)射紅外端與接收紅外端之間沒有障礙物時，接收端輸出低電平，反之輸出高電平。單片機通過檢測該模塊輸出端傳輸過來的電平值，即可分辨是否有人通過。
1.2.4 無線通信模塊
考慮到無需對無線模塊進行二次開發(fā)，故采用高性能單片機加低功耗射頻芯片CC1101無線通信模塊。模塊與單片機接線比較簡單，只需把模塊串口與單片機串口進行對接即可，用戶只需對單片機串口進行初始化、發(fā)送以及接收數據等操作即可實現無線通信功能。
1.2.5 交流電機無級調速電路
由于使用IAP15F2K61S2單片機發(fā)出的PWM對交流無級電機進行調試，考慮到弱電與強電的隔離以及較高的PWM工作頻率等問題，故采用摩托羅拉公司生產的常用作大功率可控硅的MOC3061光耦合器。
1.2.6 LCD12864顯示電路
本系統(tǒng)采用LCD12864液晶屏顯示系統(tǒng)各項參數，該液晶屏技術較為成熟且應用廣泛，開發(fā)容易，價格低廉[3]。
1.2.7 燈光控制電路
本系統(tǒng)采用電磁繼電器對220 V交流燈光進行有效控制，利用弱電控制強電，避免人對強電直接控制。
2 課室風扇燈光管理系統(tǒng)軟件設計
2.1 單片機主程序設計
課室風扇燈光管理系統(tǒng)主要完成光照傳感器模塊、溫度傳感器模塊、光照傳感器電路、光電傳感器以及CC1101通信模塊信號采集、處理、顯示以及按鍵電路識別等功能。因此設計軟件時，必須先對各個模塊進行初始化，而后單片機才能調用各個模塊并接收相應的信號，最后才能實現本系統(tǒng)具備的相應功能。主程序流程如圖2所示。
2.2 上位機設計
本管理系統(tǒng)使用微軟公司發(fā)布的Visual Basic軟件開發(fā)出針對本管理系統(tǒng)的上位機軟件，其主要是收集、處理下位機硬件設備傳送過來的各類信息以及向下位機硬件設備發(fā)出操作指令[4]。本管理系統(tǒng)上位機軟件登錄界面如圖3所示，用戶必須輸入正確的用戶名稱和用戶密碼才能進入課室風扇燈光管理系統(tǒng)上位機軟件用戶主界面。
當用戶成功登錄課室風扇燈光管理系統(tǒng)上位機并進入主界面之后，準確無誤地設置串口及波特率之后，串口工作指示燈變?yōu)榫G色，否則為紅色提醒用戶當前選擇串口有誤。
當用戶點擊“獲取溫度”按鈕之后，上位機收集下位機實時環(huán)境溫度并在系統(tǒng)溫度區(qū)域顯示出來。
當用戶需要對風扇①、風扇②進行調試時，只需點擊相應的“高速”、“中速”、“低速”及“停止”按鈕，此時課室電風扇工作狀態(tài)區(qū)域中以文字的形式顯示出當前風扇工作狀態(tài)，若風扇正常運行其工作指示燈為綠色，否則為紅色。
當用戶點擊“燈光①”、“燈光②”按鈕，則可以切換燈光正常通電及斷電狀態(tài)，燈光正常通電時其工作指示燈為綠色，否則為紅色。
當用戶在硬件設備上通過按鍵改變風扇①和風扇②、燈光①、燈光②工作狀態(tài)時，上位機也會及時獲取相關信息并顯示出來。
課室風扇燈光管理系統(tǒng)上位機運行狀態(tài)①、②分別如圖4、圖5所示。
3 結論
經過反復試驗表明本管理系統(tǒng)上位機軟件以及下位機硬件設備中各個功能模塊均能長時間穩(wěn)定運行，采集數據迅速，分析及處理數據準確，及時有效對風扇進行調速、燈光開與關燈操作，無線通信可靠傳輸數據。
綜合上述，本課室風扇燈光管理系統(tǒng)實現了一定的智能化控制，在一定程度上節(jié)約了能源，減少了課室管理員的工作量，具有一定的實際應用價值。
參考文獻
[1] 林海汀.電子工藝技術與實踐[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.
[2] 丁向榮.增強型8051單片機原理與系統(tǒng)開發(fā)（C51版）[M].北京：清華大學出版社，2013.
[3] 李全利.單片機原理及應用（C51編程）[M].北京：高等教育出版社，2012.
[4] 丁張輝.Visual Basic串口通信及編程實例[M].北京：化學工業(yè)出版社，2011.