智慧教室温湿度与照明控制系统设计开题报告

1．研究的背景、目的及意义

目前随着人们生活水平的提高，对环境的要求也越来越高，对于学生而言，学习的环境也愈加重要，相较于传统的教室，现代智慧教室更能满足时代的要求，回溯教育的发展历程，我们从露天上课，到有房上课，从平房到教学楼，从传统教室到电子教室，从多媒体教室到多媒体网络教室，如今，我们已经将现代技术融入到了教学中，诞生了智慧教室。智慧教室是一种典型的智慧学习环境的物化呈现，是多媒体教室和网络教室的高端形态，它是借助物联网技术、云计算技术和智能技术等构建起来的新型教室，这种新型教室包括有形的物理空间和无形的数字空间，通过各类智能设备辅助教学内容，便于学习资源获取，促进了课堂交互开展，实现了情境感知和环境管理功能。智慧教室旨在为教学活动提供人性化、智能化的互动空间；通过物理空间与数字空间的结合，本地与远程的结合，改善了人与学习环境的关系，在学习空间实现人与环境的自然交互，促进了个性化学习、开放式学习。从某种程度上讲，当前多媒体教室的困境与教室环境的设计和技术装备存在密切关系；重构教室环境，创建适合学生学习和教师教学的新型教室环境，是一种必然趋势。随着智慧地球、智慧城市等概念的提出和相关技术的蓬勃发展，充分利用传感技术、物联网技术、人工智能技术、多媒体技术、云计算技术等来装备教室和改善学习环境及建设智慧型教室成为必然的选择。

智慧教室为的就是给学生提供良好的学习环境，并且跟随现代主流，倡导节能减排；智慧教室在提供舒适的学习环境的同时，还减少了资源的浪费。智慧教室可以通过感知教室里的温度和湿度，来控制空调的开启与关闭，给空调设置适宜的温湿度，空调启动后调节温湿度，使教室保持最适宜的温湿度，让学生更能进入学习状态；通过感知教室的光照强度来自动控制照明灯及窗帘的开关，避免在不必要开灯的情况下造成资源浪费，起到节能减排的效果。

教室是学校的重要组成部分，也是师生共同生活的地方。不过，许多老师不认为教室的设计和装饰对学生的学习进步有重要作用，而且还觉得教室最好是干干净净的，这样能减少学生注意力的分散，提高学生听讲和学习的效率。然而，事实果真如此吗？英国索尔福德大学建筑环境学院财产与建筑管理教授彼得巴雷特领衔的一组研究者，在对全英国27所小学153间教室和3776名学生研究后发现，简单地改变教室的设计和装饰，就能够对学生的学习进步有显著影响。此前的许多研究已经发现了教室的环境好坏是影响学生学习进步的重要因素。不过，巴雷特教授等人的研究首次特别指出了教室环境好坏与学生学习效率的关系。那么,究竟是什么因素让学生学习效率提高的呢？巴雷特教授的研究小组给出了三大因素:“刺激”、“个性化'和“自然性”。在这三大因素中，一间教室内的“自然性”的水平（主要是自然光、空气质量和温度的水平）大约占到这种显著影响的一半，而另外两大因素“刺激”和“个性化”则大约各占1/4。巴雷特教授的研究小组提出照明、空气质量、温度、颜色等能改善教室环境，提高学生的学习效率。其中，温度和照明的影响比其他因素更重要，其次是学生对教室的拥有感,再其次是空气质量。

由此可见，智慧教室对学习环境的调节确实给我们的教育带来了便利。本设计以单片机为主控元件，基于51单片机设计了智能的教室温湿度控制系统与照明控制系统，以实现资源的节约、保障学生舒适度、提高学生的学习效率。

2．主要研究内容和预期目标

研究内容：设计一个基于单片机的智慧教室温湿度与照明控制系统，实现智慧教室对室内的温湿度与照明亮度等参数的实时采集、显示、运算处理，并按需要控制输出量，实时调整，保证教室温湿度与照明亮度维持在舒适范围之内。该系统应包括：传感器、单片机控制系统、LCD液晶显示、直流电机控制；本设计采用AT89C52单片机作为主控制器。

预期目标

1. 通过感知教室里的温度和湿度，来控制空调的开启与关闭，只要给空调设定一个合适的温湿度，空调开启后调节教室的温湿度，使教室保持最适宜的温湿度；

2. 通过感知教室的光照强度来自动控制照明灯及窗帘的开关，当教室光照弱的时候，开启照明灯和窗帘；教室光照强时，关闭照明灯和窗帘，避免了在不必要开灯的情况下造成资源浪费；

3. 利用LCD液晶显示屏显示出教室的温湿度与光照强度；

4. 实现资源的节约和保障教室的舒适度，让学生更能进入学习状态，提高学习效率；

3．拟采用的研究方法、步骤

本系统主要由AT89C52单片机及其外围电路、传感器模块、LCD液晶显示模块、驱动模块等组成。通过温湿度传感器、光照强度传感器对教室里的温湿度及光照强度进行实时检测，采集到数据后，经过单片机处理分析后输出信号，控制空调电机和照明灯及窗帘电机。当温度不在给定范围时，控制空调开启；当教室亮度低时，控制照明灯以及窗帘开启，当教室亮度高时，控制照明灯以及窗帘关闭。

图3-1控制系统的硬件框图

研究步骤：

1．查阅有关资料，了解温湿度控制系统和照明控制系统的相关资料；

2．明确设计目标及其需要完成的功能；

3．完成温湿度控制模块、照明控制模块以及电路图的设计；

4．运用软件对系统进行仿真；

5．做出实物模型；

6．检测系统是否能够完成预期的目标，并作出相应的改进。

4．主要参考文献

[1] 单片机原理及接口技术，余锡存，曹国华。西安电子科技大学出版社，2000。

[2] 传感器技术与应用，金庆发。机械工业出版社，1994。

[3] 基于单片机的智能系统设计与实现，沈红卫。电子工业出版社，2005。

[4] 基于 DHT11 温湿度测控系统设计，李长有，王文华。机床与液压，2013。

[5] 基于单片机的温湿度控制系统的设计，季作亮。山东师范大学，2014。

[6] 教室照明节能控制系统的智能化和可视化设计，刘智旸，陈华丽。智能计算机与应用 ，2014。

[7] 基于单片机的温控光控智能窗帘设计，杨雅涵, 于佐军。控制工程, 2016。

[8] 大学教室智能照明控制器及其系统的研究与开发，程春。北京化工大学硕士论文，2010。

[9] 自习室智能照明系统设计，赵凡。科技创新与应用，2019。

[10] 基于单片机的教室照明智能控制系统，王金，赵彬杉，吴小康。湖南农机 ,2011。

[11] 单片机C语言程序设计实训，彭伟。 北京航空航天大学出版社，2010。

[12] 新概念51单片机C语言教程，郭天祥。电子工业出版社，2018。

[13] 单片机原理与接口技术，张毅刚。人民邮电出版社，2016。

[14] 单片机原理及应用---嵌入式技术基础，黄勤，李楠，胡青。清华大学出版社出版，2018。

[15] 单片机原理及应用，孙悦、张洪润。清华大学出版社，2008。

[16] 单片机应用技术，吴国经。中国电力出版社，2004。

[17] 单片机应用的系统设计与产品开发，冯建华。人民邮电出版社，2004。

[18] 51系列单片机开发实例，田立，马鸣鹤。中国电力出版社，2009。

[19] 单片机的C语言程序设计，马忠梅，张凯。北京航空航天大学出版社，2004。

[20] 传感器原理及应用，朱蕴璞，孔德仁，王 芳。国防工业出版社，2005。

[21] 传感器及实用检测技术，程军。西安电子科技大学出版社，2008。

[22] 可编程控制器原理及应用，钟肇庆，范建东。华南理工大学出版社，2005。

[23] 单片机原理应用与实验，张友德。复旦大学出版社，2000。

[24]自动控制原理，陈玉宏。重庆大学出版社，2003。

5．具体进度安排（包括序号、起迄日期、工作内容）

1. 2020-10-27～2021-3-11 查阅相关技术资料，撰写开题报告。

2. 2021-3-12～2021-4-8 硬件功能分析，熟悉单片机指令及编程语言。

3. 2021-4-9～2021-5-6设计电路原理图，编制应用程序。

4. 2021-5-7～2021-5-20 系统调试及改进。

5. 2021-5-28～2021-6-4 整理毕业设计文档，撰写、修改毕业设计论文。

6. 2021-6-4～2021-6-7～20提交毕业论文，准备答辩。