基于STM32的教室智能照明系統設計

李文杰，脫慧

（陜西理工大學，陜西 漢中 723001）

1 緒論

由于人類物質生活的提升，對能源的需求與利用也在增長。當前，我國實現節能減排目標面臨的形勢十分嚴峻。煤價高位運行、電煤緊缺等局面造成了我國部分地區還存在電力供需緊張的情況。為積極響應國家政策，實現智能節能減排，高校教室應杜絕“長明燈”的現象，通過智能控制、智慧系統等措施降低對電能的浪費。

為此，本文設計了一種基于STM32微處理器的教室智能照明系統，通過對進出教室人數的統計及光線強度的檢測，實現教室燈光的智能與合理化開啟與關閉。

2 系統硬件設計

2.1 系統方案

本設計以STM32F103ZET6單片機為核心控制器，加上其他的模塊一起組成教室智能照明的整個系統。其中包含中控部分、輸入部分和輸出部分。系統輸入由五部分組成，第一部分是兩路紅外對管模塊，通過該模塊可檢測當前教室的人數；第二部分是光照傳感器組成的光照檢測模塊，通過該模塊可檢測當前的光照值；第三部分是DS1302時鐘模塊，通過該模塊可檢測時間；第四部分是獨立按鍵，通過六個獨立按鍵切換界面、設置時間、開燈和切換模式；第五部分是供電電路，給整個系統進行供電。系統輸出部分包括LCD1602顯示和LED指示燈，利用LCD1602來顯示教室當前人數、光照強度值、時間等信息，LED指示燈模擬教室里的燈光。

（1）系統總體框圖見圖1。

圖1 系統總體框圖

（2）模塊功能介紹。

①人數與光照檢測。通過人數和光照的檢查結果，綜合判斷來實現教室里燈光的亮滅（圖2）。

圖2 人數與光照檢測框圖

②進出人數的檢測。通過兩個紅外對管來檢測教室里人員的進出情況，根據人員的進出變化實時控制燈光的亮滅，實現高效照明。

③顯示。通過輸入模塊的采集，將光照參數、時間星期、教室人數等關鍵信息顯示出來，方便管理員管理與統籌（圖3）。

圖3 顯示模塊

2.2 硬件組成及框圖

系統硬件主要由STM32單片機最小系統、電源電路、時鐘電路、按鍵電路、LCD1602顯示電路、傳感器電路組成。

圖4為系統供電電路，VCC為+5V，提供STM32及各個硬件模塊的電流需求。

圖4 系統供電電路圖

圖5為紅外對管模塊接口電路。它有3個引腳，分別為電源、地和輸入/輸出；采用兩對紅外對管的目的是可實現教室人員進、出雙向檢測。

圖5 紅外對管接口電路

圖6為時鐘電路。采用DS1302來實現，以提供系統的時間基準，能夠更加精準地計算出需要顯示的時間參數。

圖6 時鐘電路

圖7為LCD1602顯示屏接口電路。LCD1602是一種工業字符型液晶，能夠同時顯示16×2，即32個字符。LCD1602液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區域進行控制，即可以顯示出圖形。

圖7 LCD1602接口電路

3 系統軟件設計

3.1 軟件主程序流程圖

系統主控制程序流程圖如圖8所示。首先，對顯示相關的I/O口、LCD1602、時鐘模塊DS1302等模塊進行初始化。隨后進入主循環。在主循環中，首先進入第一個函數按鍵函數，該函數主要分為兩部分，第一部分為調用按鍵掃描函數獲取鍵值，第二部分通過鍵值進行相應的處理操作。比如，切換界面、手動開燈、調整時間、切換模式等；接著進入第二個函數監測函數，該函數主要通過光照檢測模塊獲取當前的光照值；之后進入第三個函數顯示函數，該函數通過不同的顯示標志位顯示不同的界面，包括主界面顯示當前的時間、光照值和人數，其他界面顯示調整時間、切換模式等；最后，進入第四個函數處理函數，該函數主要根據當前的人數、時間和光照值選擇開燈和開燈個數。最后，通過一個延時函數和計數公式，限制各函數掃描時間。

圖8 主控制程序流程圖

3.2 顯示程序流程圖

系統顯示程序流程圖如圖9所示。通過不同的顯示標志位顯示不同的界面，界面為0時，顯示當前的時間、光照強度、人數；界面為1-7時，顯示設置的年月日時分秒星期。

圖9 顯示程序流程圖

3.3 軟件編譯環境

此設計中使用的編程環境為Keil5，它比其他軟件編程環境更輕、更快，更易于操作，并且深受嵌入式軟件開發人員的歡迎。ST官方提供了各種芯片的支持包，包括51單片機、STM32、HC32、NXP等，可生成可通過刻錄器直接燒錄到單片機的HEX文件，這非常方便。此外，Keil5編譯有三種方式，給開發人員更多的選擇，編譯結果顯示在界面的底部，供開發人員查找Bug。

4 系統測試

本設計以四盞LED指示燈模擬教室燈光進行測試，進出教室的人數和教室燈光點亮與熄滅數量的閾值設定旨在說明設計的可行性與合理性。圖10為教室智能照明系統實物圖及系統輸出顯示界面。

圖10 系統硬件實物圖及系統顯示界面

在光照強度大于50時，此時認為室內光線充足，無須開燈，與教室人數無關。當光照強度低于50時，此時，認為室內光線陰暗，應開燈進行補光；當教室人數為0時不開燈，少于等于10人時點亮一盞燈；每增加10人，便亮起一盞燈，人數超過40人時四盞燈全部點亮。

5 結語

本文設計了一種基于STM32微處理器的教室智能照明系統，通過對進出教室人數的統計及光線強度的檢測，實現教室燈光的智能與合理化開啟與關閉。有效地發揮了節約用電的作用，為響應國家節能減排政策，實現智能節能減排做出了一定貢獻。