基于STM32的辦公室照明節能系統設計

葉偉光

廣州大學機械與電氣工程學院，廣東 廣州 510006

0 引言

隨著現代社會的發展，發達城市的辦公大廈較多，辦公室更是數不勝數，但也由此引發了過度照明、浪費電能的現象。不管辦公室是否有人，照明燈光常亮不熄，造成了極大的能源浪費。因此，如何提高我國辦公室用電效率成為目前首要考慮的問題，亟待解決[1]。當前，我國已經將照明節能技術應用于辦公室照明。但是我國辦公室燈光的控制現狀表明，整體智能化水平仍較低，辦公室的用電模式依然比較傳統，即主要采用人工管理模式，我國自動化技術和智能化水平仍有待提高，同時辦公室燈光的管理也應該朝著自動化和智能化方向快速發展，以提升其便利性。為此，文章開發了一款實用性強、價值性高的基于STM32的辦公室照明節能系統。

1 智能照明國內外發展現狀

20世紀80年代，美國照明行業開始興起并逐漸發展。隨著計算機、通信和自動化技術在全球范圍內的廣泛應用，其技術不斷走向成熟，使全世界民眾的生活和工作發生了翻天覆地的變化，照明行業也發生了巨大變革。21世紀，現代化發展更加迅速，一大批新產品和新技術不斷涌現，使照明技術逐漸向一體化、自動化、智能化的方向發展[2]。隨著智能照明技術的蓬勃發展，不僅國外涌現了許多行業內的著名企業，我國很多企業也發展迅速，生產了較多智能燈光照明產品，如上海奇勝綜合多種自動化通信技術，實現了較高水平的燈光控制。智能照明企業的發展豐富了我國燈光照明智能產品，改變了人們的生活。特別是隨著計算機技術的蓬勃發展，提高了處理器的運行速度和可靠性，從而使智能照明產品更加智能和可靠，更加適應人們的需求。

2 辦公室照明節能系統控制方案

2.1 整體方案

基于STM32 F103系列的辦公室照明節能系統以辦公室內光的強弱大小程度和辦公室內是否有人存在作為開燈和關燈的主要衡量指標。

（1）當辦公室的光強度較大時，無論辦公室是否有人，系統控制辦公室的燈均處于關閉狀態；

（2）當辦公室的光強度較小，有人存在且超過一定時間時，系統控制辦公室的燈處于打開狀態，直至辦公室的人離開；在一定延時后，系統控制辦公室的燈處于關閉狀態，從而解決辦公室在各種不同情況下燈光照明不合理等問題。

該系統主要由硬件和軟件2部分綜合設計而成。良好的硬件是系統正常運行的前提，也是保證系統可靠性的基礎，而且為軟件的正常運行提供了良好的平臺。良好的軟件則是在微控制器中，通過硬件采集得到信號，進行分析并輸出，通過處理后實現用戶所需求的各項功能。

2.2 硬件設計

硬件設計需要考慮實際情況。結合實際情況，可知辦公室的實際環境復雜，對硬件指標的影響因素較多。例如，光線感應模塊電路因為環境溫度變化的影響將產生誤差，因此在整體基于STM32 F103系列的辦公室照明節能系統設計的過程中，在器件選型時應注意抗干擾。同時，在選用各種電子器件時，需充分考慮環境的影響，判斷是否需要額外搭建抗干擾的電路，從而提升該系統的硬件抗干擾能力。

該系統采用熱釋紅外人體傳感器，當運動的人體通過時，該傳感器采集相應信息，轉化為電壓信號，配合放大電路將信號放大，可以檢測在一定范圍內是否存在人體，所采用的傳感器探測人體輻射，功耗小，價格便宜。采用光敏三極管構成的電路檢測周圍環境光照的強度，隨著光照的強弱變化，判斷是否開燈或者關燈。光照強度越大，則電流越大。使用光敏三極管需注意采光點的選取，因為辦公室并非每一處的亮度均相同，所以應該進行多點采集。

（1）熱釋紅外人體傳感器。熱釋紅外人體傳感器廣泛應用于電子防盜領域，經過近些年的研發和探索，防盜效果已經顯著提升。另外，熱釋紅外人體傳感器在人體探測器領域的應用也備受重視，其具有成本低、運行穩定等優勢，受到業界的認可。

紅外感應源一般使用熱釋電元件，因此需要了解熱釋電元件的工作原理，這是制作該系統的前提條件。需要注意的是，紅外線熱釋電人體傳感器必須安裝在室內相對穩定的環境中，而且為了降低誤報的概率，需嚴格把控其安置的位置、方式等。實際安裝時，首先，紅外線熱釋電傳感器應與地面保持一定的距離，通常為2.0～2.2 m，以便更好地發揮其作用。其次，熱釋紅外人體傳感器的安裝應該遠離空調、冰箱、微波爐等容易產生溫度變化的設備，避免誤報。再次，紅外線熱釋電傳感器探測范圍內避免有家具、盆栽、屏風等隔離物體，以免影響效果。最后，紅外線熱釋電傳感器不能直接對準窗口，以免窗口的熱氣流以及人員流動對其正常運轉產生不良影響。

紅外線熱釋電傳感器的使用效果和人的運動方向也有非常直接的關系，其對于徑向運動的敏感程度較低，而對于橫向運動敏感程度較高。因此，在現場安裝時，應當考慮人員的運動方向，以提升傳感器的探測效果。

（2）光敏三極管。光敏三極管和普通三極管具有一致性，均可以放大電流，但是光敏三極管的集電極電流不僅由基極控制，還受光輻射的影響。對于光敏三極管而言，通常基極不引出，但是某些特殊光敏三極管有基極引出，作用有實現溫度補償、實現附加控制。

光敏三極管又被稱為光電三極管和光電晶體管。在工程領域中使用光傳感器時，需要對光照進行操作，因此光敏三極管應用十分廣泛，比如對光照進行采集和檢測、實現信號通信或者電氣隔離。因為光敏三極管的實際使用效果較好，所以將其應用于自動化設備可以提高生產效率，實現更多的產出。因此，光敏三極管逐漸成為社會發展中重要的電子元件之一。光敏三極管的工作原理是通過P-N結，原因是P-N結的特性和結構使其在接收光照的同時，將光能轉換為電能。同時，將光敏三極管加上反向電壓，特別是管內會形成反向電流，反向電流的大小和強弱隨著P-N結接受的光照強度的變化而變化，即照射P-N結的光照強度越大，管內的反向電流越大。實際上，大多數光敏三極管工作在上述狀態。

光敏三極管不同于普通三極管之處在于光電流。P-N結在受到光的照射時，內部的電子定向移動，形成光電流，這是光敏三極管十分重要的特性。根據制成材料的不同，光敏三極管的光譜特性存在一定差異。一般來說，三極管比二極管具有更強大的光電流放大能力，敏感性更高。光敏三極管與普通三極管在結構上也有一定的區別，最顯著的區別是光敏三極管在結構上需要有一個光敏感的P-N結，以此接收光輻射。在制作工藝上，光敏三極管與普通三極管一致，具有NPN或PNP的內部結構。光敏三極管在結構上與半導體三極管大致相同，均具有2個電極，個別類型具有3個電極。為了提升光電轉換的效果，基區面積會適當擴大，另外會適當縮小發射區面積，方便接收入射光。

2.3 軟件設計

因為硬件和軟件具有密切的結合關系，是一個統一的整體，所以在設計過程中需要確保硬件結構和細節電路的正確性，以便結合相對應的系統程序軟件。該系統軟件采用模塊化和結構化的設計思路。首先編制好主要程序，然后在設計各個子程序時分別對每個小模塊進行設計、編程和調試。該系統軟件模塊主要包括系統監控主程序模塊子程序、數據感應模塊子程序、照明燈光子程序模塊等。

3 結束語

文章所設計的基于STM32系列的辦公室照明節能系統具有軟硬件設計簡單、容易開發、安全可靠、操作方便、性價比高等優點。該系統主要可應用于辦公室照明，具有一定的實用價值[3]。但是，該系統自身還存在一定的不足，其智能性有待進一步提升，從而為辦公室照明節能系統的普及打下堅實基礎。