基于ARM單片機(jī)的室內(nèi)照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

呂 行 王曉麗

（吉林建筑大學(xué)，長春 130000）

基于ARM單片機(jī)的室內(nèi)照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

呂 行 王曉麗

（吉林建筑大學(xué)，長春 130000）

本設(shè)計(jì)基于STM32F103ZET6單片機(jī)開發(fā)板，通過控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來調(diào)節(jié)窗簾百葉的開合大小，進(jìn)而控制自然光的進(jìn)光量，并輔以電光源來達(dá)到合理的室內(nèi)照明條件。這不僅滿足人對光環(huán)境的要求，而且達(dá)到節(jié)能減排的目的。

單片機(jī) 智能家居 智能窗簾 光控

隨著建筑智能化的概念逐漸深入人心，人們節(jié)約能源的意識(shí)日益加強(qiáng)。而隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對建筑智能化的要求不斷提高，在節(jié)約能源的前提下，要求實(shí)現(xiàn)更加舒適、設(shè)備自動(dòng)化的工作生活環(huán)境。從穴居人的山洞到現(xiàn)代化的高樓大廈，無論人類設(shè)計(jì)出多么優(yōu)秀的燈具，也不能代替太陽光對人類的影響。國際上很多優(yōu)秀的建筑設(shè)計(jì)作品都是恰當(dāng)?shù)匾米匀还鈦頎I造柔和、自然的室內(nèi)環(huán)境。隨著嵌入式單片機(jī)的功能日益強(qiáng)大，運(yùn)算速度、控制功能和可移植性的極大提高，我們可以完成更具自動(dòng)化，使生活更加便捷的設(shè)計(jì)作品。本設(shè)計(jì)通過調(diào)節(jié)窗簾百葉開合量來控制自然光的進(jìn)光量，并配合燈具的使用，使室內(nèi)光環(huán)境達(dá)到舒適程度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)能源的合理分配，減少資源浪費(fèi)。

1 設(shè)計(jì)原理

本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，分為GY-30光照度傳感器、STM32嵌入式單片機(jī)、步進(jìn)式單片機(jī)、窗簾百葉、照明燈組等幾大部分。GY-30照度傳感器感應(yīng)室內(nèi)工作臺(tái)面照度，在日照良好的白天時(shí)，我國規(guī)定的辦公室或教室的照度要求最低標(biāo)準(zhǔn)為300lx，正常照度應(yīng)為500lx，此處以500lx為標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)照度低于450lx時(shí)，照度傳感器發(fā)送相應(yīng)數(shù)值給STM32單片機(jī)處理器，處理器根據(jù)多次接收結(jié)果，計(jì)算平均數(shù)，取其結(jié)果，以500lx照度為限做出判斷。如果低于500lx，則向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)發(fā)出信號(hào)，使百葉窗調(diào)大一定的開合度；如果高于500lx則相反，百葉窗的開合度調(diào)低一定程度。單片機(jī)標(biāo)定照度為450lx至550lx時(shí)為正常使用照度，不多做處理。當(dāng)傍晚、陰天或夜晚自然光照度明顯達(dá)不到正常工作照度時(shí)，即STM32單片機(jī)多次接收結(jié)果達(dá)不到正常工作照度，且窗簾百葉已開到最大時(shí)，單片機(jī)做出判斷并發(fā)出指令，打開室內(nèi)照明燈組，以維持正常工作照度。

圖1 系統(tǒng)流程圖

2 電路設(shè)計(jì)

控制器采用ARM 32位嵌入式微處理器，是系統(tǒng)的核心，開發(fā)板以STM32F103ZET6為主要芯片，用它實(shí)現(xiàn)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、分析、處理。主要模塊有：GY-30光照度傳感器、42步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器、室內(nèi)照明光源（以發(fā)光二極管代替）及其所需控制開關(guān)的繼電器。

數(shù)字光強(qiáng)度檢測模塊GY-30采用ROHM原裝BH1750FVI芯片供電電源，3～5v光照度范圍，省略標(biāo)定，不區(qū)分環(huán)境光源，接近視覺靈敏度的分光特性，可對廣泛的亮度進(jìn)行1勒克斯的高精度測定。通訊方式為IIC串口通訊，因此，只需要五個(gè)接口就可以完成設(shè)置，VCC與GND分別接單片機(jī)電源的正極和負(fù)極。ADDR需要串接100kΩ的電阻與VCC或GND相連，這是設(shè)置IIC通訊時(shí)設(shè)備的地址，不同設(shè)置軟件寫入時(shí)的地址是不同的，本設(shè)計(jì)ADDR與GND相連。SCL和SDA為IIC通訊的接口，分別連接開發(fā)板的PA9和PA10IO口。

對百葉窗的驅(qū)動(dòng)模塊選擇42式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其具有輸出轉(zhuǎn)矩大、溫升低、可靠性高的特點(diǎn)，具有良好的內(nèi)部阻尼特性，運(yùn)行平穩(wěn)且無明顯震蕩區(qū)。由于單片機(jī)無法達(dá)到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓，所以需要配合一個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器。連接方法為：設(shè)置4個(gè)GPIO的單片機(jī)接口，設(shè)為推挽輸出即可，分別連接驅(qū)動(dòng)器的輸入端。為了使電動(dòng)機(jī)獲得較大的輸出扭矩，可以舍去兩個(gè)中線的使用，四個(gè)端線依次接到驅(qū)動(dòng)器的輸出端即可?？刂艻O口依高低電平給電即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)。

照明部分以二極管模擬實(shí)際照明燈組，當(dāng)百葉開到最大仍不能滿足實(shí)際用光量時(shí)，單片機(jī)發(fā)出信號(hào)，通過繼電器打開發(fā)光二極管，繼電器選用的型號(hào)為HJR-4102-L-05V，采用的接線方式如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)接線圖

3 程序設(shè)計(jì)

開發(fā)板對BH1750FVI進(jìn)行控制時(shí)，首先要對STM32的外設(shè)接口進(jìn)行設(shè)置，由于STM32的串口功能非常強(qiáng)大，因此，設(shè)置過程相對較為復(fù)雜，重要包括以下步驟：第一，串口時(shí)鐘使能，GPIO時(shí)鐘使能，并復(fù)位串口；第二，GPIO端口模式設(shè)置，此處有波特率、傳輸字長、奇偶校驗(yàn)位、收發(fā)模式等設(shè)置；第三，串口參數(shù)初始化，開啟中斷并且初始化NVIC，使能串口。

BH1750的通訊分為起始信號(hào)、停止信號(hào)、應(yīng)答信號(hào)、讀取信息等幾部分，各信號(hào)代碼如下。

3.1 起始信號(hào)的代碼

3.2 應(yīng)答信號(hào)的代碼

3.3 讀取信息的代碼把端口還原為推挽輸出

接收到串口發(fā)來的光強(qiáng)度值存儲(chǔ)在BUF中，經(jīng)過二進(jìn)制轉(zhuǎn)十進(jìn)制計(jì)算后，十進(jìn)制的計(jì)算結(jié)果存在temp中。對應(yīng)不同的照度值，單片機(jī)指導(dǎo)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行不同的動(dòng)作，其主要代碼如下：

圖3 光傳感器與電腦通信結(jié)果

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的光強(qiáng)度傳感器與主芯片相連，如圖3所示，串口通訊助手可以實(shí)時(shí)顯示出光照強(qiáng)度。根據(jù)事先設(shè)定的照度需求標(biāo)準(zhǔn)，單片機(jī)進(jìn)行判斷，并發(fā)出指令，對窗簾百葉進(jìn)行調(diào)整。由于STM32F103ZET6具有16個(gè)ADC和多個(gè)IIC接口，所以可以連接多個(gè)傳感器，擴(kuò)大感應(yīng)和控制范圍。同理，對軟件控制程序，通過增加程序中相應(yīng)的處理事件，可以快速升級(jí)系統(tǒng)。

5 結(jié)語

基于ARM單片機(jī)的室內(nèi)照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以STM32F1 03ZET6為控制芯片，通過調(diào)節(jié)窗簾百葉開合量來控制自然光的進(jìn)光量，并配合燈具的使用，使室內(nèi)光環(huán)境達(dá)到舒適程度，以實(shí)現(xiàn)能源的合理分配，減少資源浪費(fèi)。

[1]熊建橋，薛飆，馬遠(yuǎn)，等.擬“向日葵”感光式智能窗簾系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2014，（1）：28-30.

[2]蘇騰云，劉玉良，姚齊國，等.基于單片機(jī)和手機(jī)短信的窗簾智能遙控系統(tǒng)[J].福建電腦，2012，（2）：27-28.

[3]萬大平.數(shù)控加工仿真教學(xué)系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].重慶：重慶大學(xué)，2004.

[4]林君.簡易窗簾模擬控制系統(tǒng)[J].科技信息，2010，（25）：128-129.

[5]邢欣，陸曉,物聯(lián)網(wǎng)中的窗簾遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息化研究，2012，（3）：74-78.

Design of Indoor Lighting Control System Based on ARM MCU

LV Xing,WANG Xiaoli
(Jilin Architectural University,Changchun 130000)

This des ign bas ed on ARM microcontroller development board, by controlling the stepping motor to adjust the opening si ze of curtain shutter, and control of natural light to the amount of household, along with interior lighti ng to achieve reasonable indoor lighting conditions.Meet the requirements of light environment, and achieve the goal of energy conservation and emissions reduction.

microcontroller,intelligent Home F urnishing, intelligent curtain, light control

吉林省科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（20130206084SF）。