基于單片機(jī)的天文時(shí)鐘控制器的設(shè)計(jì)

張鋒

摘 要

設(shè)計(jì)一種實(shí)用的天文時(shí)鐘控制器，硬件主要由電源單元、單片機(jī)單元、人機(jī)界面單元、實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元、光照度采集單元、繼電器輸出單元、以及通訊單元等組成。控制器以STM32F103為核心，通過設(shè)定的經(jīng)緯度和當(dāng)前的日期，計(jì)算出日出和日落時(shí)間，與模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集到的光照度相結(jié)合，來控制繼電器的輸出。控制器還可以接收GPRS控制指令，實(shí)現(xiàn)特殊控制。

【關(guān)鍵詞】天文時(shí)鐘 STM32F103 光照度采集 實(shí)時(shí)時(shí)鐘 日出日落

隨著社會(huì)的發(fā)展和節(jié)能降耗的要求，對(duì)道路交通照明的要求越來越高，需要根據(jù)日出日落時(shí)間和光照度、以及遠(yuǎn)程臨時(shí)指令來開關(guān)照明燈具的供電電源，以實(shí)現(xiàn)照明的靈活控制。為此，設(shè)計(jì)了一款天文時(shí)鐘控制器，并在實(shí)踐中得到了應(yīng)用。

1 總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的天文時(shí)鐘控制器，系統(tǒng)框圖如圖1所示，電路由由電源單元、單片機(jī)單元、人機(jī)界面單元、實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元、光照度采集單元、繼電器輸出單元、以及通訊單元等組成。電源單元給其余單元提供電源，人機(jī)界面單元的按鍵與單片機(jī)的IO口相連，人機(jī)界面單元的LCD與單片機(jī)通過并行電平轉(zhuǎn)換芯片相連，光照度采集單元與單片機(jī)的AD采集通道相連，實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元與單片機(jī)通過I2C總線相連，通訊單元與單片機(jī)的UART串口相連，繼電器輸出單元與單片機(jī)的IO口相連。

2 硬件設(shè)計(jì)

電源單元采用TOP253芯片為控制芯片，經(jīng)反激式脈沖變壓器把交流220V轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)芯片使用的電壓，+5V，+3.3V，隔離的24V等。

單片機(jī)單元以STM32F103為核心，屬ARM Cortex-M3系列，主頻72MHz，帶有雙路12位ADC，帶有I2C、USART等接口，內(nèi)置SRAM和大容量FLASH等，集成度高。采用3.3V、8MHz有源晶振，引出SWD接口作為調(diào)試口。使用外部硬件看門狗MAX706S，在收外部干擾使程序跑飛時(shí)復(fù)位芯片，使軟件重新運(yùn)行。與芯片內(nèi)部看門狗相比，MAX706S在系統(tǒng)上電掉電情況下，系統(tǒng)電壓尚未穩(wěn)定時(shí)使芯片處于復(fù)位狀態(tài)，避免誤動(dòng)作。

人機(jī)界面單元包括按鍵和LCD兩部分，按鍵部分與單片機(jī)的IO直接相連。因STM32F103工作電壓為+3.3V，LCD接口電壓則是+5V，需要2片電平轉(zhuǎn)換芯片74LVC4245APW。見圖2，實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元主芯片為RX8025SA， 與STM32F103的I2C管腳相連。系統(tǒng)正常工作時(shí)，電源單元的+3.3V為RX8025SA提供電源，系統(tǒng)未上電時(shí)，由CR2032電池為時(shí)鐘芯片提供電源，保持實(shí)時(shí)時(shí)鐘數(shù)據(jù)繼續(xù)計(jì)數(shù)。

光照度采集單元部分通過模擬光耦HCPL-788J將光照度傳感器的4-20mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)低通濾波后送到STM32F103單片機(jī)的AD采樣通道管腳上，同時(shí)起到隔離作用。

通訊單元采用GPRS通訊，選用SIM900A模塊，與STM32的串口相連。

繼電器輸出單元與單片機(jī)單元的2個(gè)輸出引腳相連，然后通過光耦TLP627接到2個(gè)24V繼電器的線圈上，2個(gè)繼電器分別為主控繼電器和節(jié)能繼電器，各提供1個(gè)常開干接點(diǎn)輸出。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 人機(jī)界面部分

LCD為128*64點(diǎn)陣液晶，分為4行顯示，每行可顯示16個(gè)字符或8個(gè)漢字。按鍵部分有4個(gè)按鍵，分別為“MODE”、“SHIFT”、“DATA” 和“ENTER”。因顯示一屏?xí)r間較長，當(dāng)讀按鍵程序放在主程序中時(shí)，有時(shí)按下鍵時(shí)會(huì)沒有反應(yīng)。因此，將讀按鍵程序和按鍵去抖程序放在1mS定時(shí)器中斷中。顯示程序采用菜單結(jié)構(gòu)，可通過按鍵翻頁顯示多種參數(shù)和實(shí)時(shí)狀態(tài)。通過按鍵和LCD顯示，可設(shè)置日期時(shí)間和本地經(jīng)度緯度，開燈照度與關(guān)燈照度以及確認(rèn)時(shí)間等參數(shù)。

3.2 日出日落時(shí)間計(jì)算

STM32F103從實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元得到具體年月日數(shù)據(jù)，另外從人機(jī)接口單元得到本地的經(jīng)度和緯度，據(jù)此計(jì)算出從格林威治時(shí)間2000年1月1日到計(jì)算日的精確天數(shù)，進(jìn)而計(jì)算此刻的本地恒星時(shí)、太陽的黃道經(jīng)度和太陽的傾角、以及太陽的圓周半徑等，最后得到太陽在黃道南邊的時(shí)間，區(qū)分東西半球后進(jìn)一步處理，從而得到需要的日出和日落時(shí)間。

3.3 光照度采集

采用雙ADC的DMA模式，一路ADC用于光照度采集，另一路接地用于校驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性。按照每20mS采樣24點(diǎn)的要求開啟ADC觸發(fā)定時(shí)器，取24次AD采樣的平均值進(jìn)行數(shù)字濾波，以消除工頻干擾。并通過預(yù)設(shè)系數(shù)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的流明數(shù)。開啟轉(zhuǎn)換完成的DMA中斷。

3.4 通訊軟件

通訊軟件要求的反應(yīng)時(shí)間不高，可不使用發(fā)送和接收中斷占用CPU時(shí)間，利用STM32F103芯片的DMA來處理。

DMA中斷不開啟，在定時(shí)器中斷中進(jìn)行串口數(shù)據(jù)處理。單片機(jī)通過AT指令集與GPRS模塊進(jìn)行通訊，監(jiān)測收到的短信息。為防止誤操作，開關(guān)燈指令分別需要不同的32位密碼，并對(duì)報(bào)文進(jìn)行CRC校驗(yàn)。

3.5 軟件總體設(shè)計(jì)

中斷優(yōu)先級(jí)的設(shè)置，軟件中開啟了2路中斷，1mS定時(shí)器中斷和采樣DMA中斷，要求1mS定時(shí)器中斷優(yōu)先級(jí)要高于采樣DMA中斷。部分代碼如下：

NVIC_PriorityGroupConfig（NVIC_PriorityGroup_1）；

/*1mS timer*/

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM4_IRQn；

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0；

... ...

/*ADC DMA*/

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DMA1_Channel1_IRQn；

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1；

... ...

當(dāng)沒有收到通訊控制指令時(shí)，若當(dāng)前未開燈，光照度在確認(rèn)時(shí)間內(nèi)（缺省為5分鐘）連續(xù)小于開燈照度，或者當(dāng)前時(shí)間大于日落時(shí)間時(shí)，軟件閉合主控繼電器。關(guān)燈時(shí)則需要2個(gè)條件同時(shí)滿足，即光照度在確認(rèn)時(shí)間內(nèi)連續(xù)大于關(guān)燈照度，以及當(dāng)前時(shí)間大于日出時(shí)間。節(jié)能繼電器的輸出與節(jié)能時(shí)間有關(guān)，以上次日落時(shí)間和下次日出時(shí)間的中間時(shí)刻為中點(diǎn)，取節(jié)能時(shí)間的一半的前后偏移。比如設(shè)定節(jié)能時(shí)間為4小時(shí)，則在中點(diǎn)時(shí)刻前后2小時(shí)之間閉合節(jié)能繼電器，其余時(shí)間斷開。通訊指令的優(yōu)先級(jí)高于光控和天文控制，收到指令后立即執(zhí)行開關(guān)燈，閉合或斷開主控繼電器。

4 測試

將參數(shù)設(shè)置為上海市徐匯區(qū)的經(jīng)度121.32°，緯度31.13°，實(shí)時(shí)時(shí)鐘時(shí)間設(shè)置為2017年9月10日，控制器計(jì)算的日出時(shí)間為05：44：15，日落時(shí)間為18：12：23，與萬年歷標(biāo)示的時(shí)刻一樣。多次更改經(jīng)緯度和日期，均能得到相同的數(shù)據(jù)。光照度測量準(zhǔn)確性也較高，GPRS模塊接收到指令后，可以正確控制繼電器輸出。

5 結(jié)語

以STM32F103單片機(jī)為核心的天文時(shí)鐘控制器，可通過人機(jī)界面進(jìn)行經(jīng)緯度和日期時(shí)間等參數(shù)的設(shè)置，并進(jìn)行了光照度采集和日出日落時(shí)間計(jì)算，能夠根據(jù)光照情況和日出日落的變化進(jìn)行靈活控制，并可以進(jìn)行GPRS無線控制。設(shè)計(jì)已進(jìn)行了小批量試用，實(shí)際運(yùn)行中工作正常。

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