基于微機控制的高校教室節(jié)能系統(tǒng)設計與研究

張錦榮，羅彥琦

（東莞理工學院城市學院，東莞 523419）

0 引言

隨著能源的日益緊張以及燃燒煤炭等資源帶來的社會和環(huán)境問題的日漸突出，高校節(jié)能工作也在全國各地蓬勃開展起來。高校教學樓的用電設備數量眾多，使用時間長，它們在整個學校用電量中所占的比重一直居高不下，不合理使用教室的用電設備會帶來電力資源的極大浪費。

針對目前高校教室用電設備控制和教學管理不足的現(xiàn)狀，以提高教室用電設備的節(jié)能化和教學管理的效率為目的，研制了一套功能較完善的基于嵌入式的教室節(jié)能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)應用先進的電子及傳感器技術、自動控制技術以及實用的硬件平臺。整個系統(tǒng)采用“熱釋紅外傳感器為檢測模塊、51單片機為中心控制模塊、交流接觸器為執(zhí)行模塊”構成。教室節(jié)能控制系統(tǒng)采用的紅外傳感器實現(xiàn)對學生進出教室等數據的采集，實現(xiàn)對教室實時監(jiān)控，51單片機作為中央處理器對教室的用電設備進行合理控制和管理。節(jié)能控制系統(tǒng)檢測到有人時起動教室總電力系統(tǒng)，當人離開后自動切斷總電力系統(tǒng)，實現(xiàn)了高校教室用電設備控制的智能化和節(jié)能化的目標。

1 高校教室的能耗特點

1.1 教室用電設備處于無人監(jiān)控狀態(tài)

教室里學生、老師可以隨意開啟風扇、燈管、空調，整個教學樓的用電設備處于無人監(jiān)控狀態(tài)。

1.2 學生缺乏節(jié)約意識

在高校里學生離開教室不關閉電源的現(xiàn)象很普遍，學生缺乏節(jié)約的意識，造成極大的浪費。

1.3 教室樓管理員管理效率低

教室使用完畢后，教室管理員需要對未關電源的教室進行手動切斷用電設備電源，效率極低，工作繁瑣。以東莞理工學院城市學院教室6409為例，由于沒有及時關閉用電設備，一年非正常使用的能耗如表1所示。

通過以上的表格可以得出教室一年空調和風扇的用電時間基本上是 5、6、7、9月份（共 120天），其它的電器一年以40個教學周（共280天），計算教學樓6409教室用電設備由于不及時關閉電源而導致每年浪費的金額為913元。整個學院教學樓按100間教室計算，一年內非正常使用而產生的經濟浪費高達913×100=9.13萬。此表格主要以 1、2、3、5、6、7號教學樓的教室進行統(tǒng)計分析。如果增加圖書館、實驗樓和辦公樓的能耗統(tǒng)計，由于不及時關閉電源導致每年造成的損失估計至少為30萬元。

表1 東莞理工學院城市學院教室6409用電設備一年非正常使用的能耗統(tǒng)計表

從以上統(tǒng)計表格可以看出，高校教室用電存在著極大的浪費，教室節(jié)能絕非微不足道，即便單從經濟利益的角度來看，節(jié)能系統(tǒng)的研究也是非常重要的。因此以東莞理工學院城市學院教室節(jié)能為研究藍本，提出該研究課題，通過分析和研究能耗產生的原因以及設計出節(jié)能控制系統(tǒng)以達到節(jié)能目的。

2 節(jié)能控制系統(tǒng)的設計

2.1 節(jié)能系統(tǒng)的硬件設計

該系統(tǒng)采用單片機和人體紅外傳感器對學校教室用電設備進行控制和管理。為了避免檢測到走廊的行人而影響節(jié)能系統(tǒng)的工作，因此整體方案是在教室內的墻壁和天花板上安裝紅外傳感器，所有的檢測模塊均面向教室內部空間，使教室內部空間處于監(jiān)控范圍內，檢測信號輸送到單片機進行處理。當紅外傳感器檢測到人體發(fā)出的熱能紅外線時，輸出信號到單片機進行處理分析，控制系統(tǒng)起動12V繼電器控制380V的交流接觸器啟動用電設備。教室的人全部離開后紅外傳感器無信號輸出，10分鐘后教室電力系統(tǒng)自動斷電，另外設有應急電路開關，以避免控制系統(tǒng)故障時無法使用教室用電設備而影響正常教學秩序（工作原理圖如圖1所示）。

（1）檢測終端

以熱釋電紅外探測傳感器組件作為該系統(tǒng)的檢測終端，該組件由三個部分組成：熱釋電傳感器、匹配低噪放大器和菲涅爾光學系統(tǒng)。

（2）中央控制系統(tǒng)

控制器單元主要對教室檢測控制單元進行集中操作管理，并協(xié)調各單元之間的數據傳送，以提高整個智能教室節(jié)能控制系統(tǒng)的可靠性。

（3）應急控制系統(tǒng)

應急控制系統(tǒng)是專門為整個節(jié)能系統(tǒng)出現(xiàn)異常時設計的，目的是保證教室的用電設備能正常使用，避免影響教學。

圖1 節(jié)能控制系統(tǒng)工作原理圖

2.2 節(jié)能系統(tǒng)的軟件設計

該系統(tǒng)的軟件設計采用C語言實現(xiàn)。分主程序與子程序，子程序主要包括傳感器采集信息程序、單片機最小系統(tǒng)控制程序等程序模塊。主程序流程圖（主程序流程如圖2）。

圖2 主程序流程圖

表2 教室6409、6412電表讀數統(tǒng)計表（W·h）

整個設計應用先進的電子技術、自動控制技術以及實用的軟件平臺，設計了一套功能完善的教室節(jié)能控制系統(tǒng)。該設計將單片機控制系統(tǒng)與傳感器技術結合起來構成了整個節(jié)能控制系統(tǒng)。節(jié)能控制系統(tǒng)實現(xiàn)對教室內部用電設備進行全自動的合理控制和管理的功能，達到對高校教學樓教室用電設備控制的智能化和節(jié)約化的目標。

3 試驗教室能耗數據及節(jié)能效果分析

現(xiàn)對東莞理工學院城市學院教室6409安裝節(jié)能控制系統(tǒng)，以6412作為比較對象，連續(xù)對6409和6412進行三個星期的現(xiàn)場試驗，得出的測試數據如表2、3、4所示。

表3 教室6409、6412非上課時間電量統(tǒng)計表（W·h）

表4 教室能耗比較分析表

兩個教室均從2017年5月9日開始連續(xù)檢測三個星期的用電情況，從總體上來看，安裝了控制系統(tǒng)的教室6409總的用電量為504W·h，非上課時間的用電量為47W·h，而無控制系統(tǒng)的教室6412總的用電量為473W·h，非上課時間的用電量為120W·h。總用電量上6409教室比教室6412多31 W·h，安裝了節(jié)能控制系統(tǒng)的教室總用電量比沒有安裝節(jié)能控制系統(tǒng)的用電量大，造成這個結果的原因與教室的用電設備使用頻率有很大的關系，但是從非上課時間段的用電量來看，未安裝控制系統(tǒng)的教室6412用了120 W·h，安裝了節(jié)能控制系統(tǒng)的教室6409用了47 W·h，比6412少用73 W·h。實際上6409和6412用在教學上的電量分別是457 W·h和353 W·h。因此，6409和6412的非上課時間用電與上課時間的用電之比分別為9.3%和25.4%，從表4、表5可以看出來6409非上課時間的區(qū)間用電量最大出現(xiàn)5月20號12：00～14：00共7W·h，而6412非上課時間的區(qū)間用電量最大出現(xiàn)5月12號16：00～19：00共 17W·h，而且用電超過 7 W·h的時間段有5處，比6409多4處。

從上面數據分析可以得出，裝上節(jié)能控制系統(tǒng)的教室的節(jié)能效果明顯。節(jié)省程度可達約16%。這些數據表明該節(jié)能系統(tǒng)在教室節(jié)能方面的確有一定的效果。該研究達到設計的目的，杜絕了教室無人使用而用電設備空轉的浪費情況。

4 經濟效益分析

教室節(jié)能控制系統(tǒng)整個材料費用約為600元，按實際使用情況統(tǒng)計三個星期可以節(jié)約73 W·h，共73×0.61=44.5元，即每個星期可以節(jié)約14.8元，一年就可以節(jié)約14.8×40=592元（教室并不是每天都滿負荷使用，因此一年按40個星期來計算）。所以一年就可以回收材料費用。如果采用半自動控制，僅用200元的材料費用（節(jié)省了紅外傳感器模塊的費用），只要4月就可以回收成本。因此，該節(jié)能控制系統(tǒng)值得推廣。

5 節(jié)能對策建議

（1）對用電管理實行目標責任制。將目標責任與年度考核及崗位競聘掛鉤，調動管理部門和節(jié)電管理人員的積極性，加強各級管理部門的工作責任心，提高工作效率，承擔對各教學樓用電設備的檢查督促，以減少浪費[1-3]。

（2）對學生開展節(jié)能教育。通過節(jié)約用電等知識講座、圖片展覽、知識競賽等活動培養(yǎng)學生節(jié)能意識，讓學生掌握節(jié)能的基礎知識，真正懂得節(jié)約能源的重要性。

（3）加大節(jié)能宣傳力度。在高校內開設節(jié)能降耗專欄、公益廣告等，提倡大家隨手關燈，上自習時集中坐位，充分利用自然采光等。讓學生在生活中注意節(jié)能環(huán)保細節(jié)，做到“從我做起，從點滴做起”。

6 結語

該課題對高校教室燈管、空調及其他用電設備的控制進行了節(jié)能研究。以人體存在狀況等外界環(huán)境為控制的輸入參數，以STC89C51單片機主控單元為核心，以交流接觸器為執(zhí)行終端，與單純的人員管理教室用電設備相比更合理可靠，更有效地降低教室用電費用。該節(jié)能控制系統(tǒng)的設計對于各類大、中專院校的教學樓用電設備管理具有重要的意義。

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