基于STM32的智能教室燈光控制系統(tǒng)設(shè)計

余秋映

（云南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院）

一、緒論

（一）研究的背景及意義

隨著當(dāng)代科學(xué)發(fā)展腳步的不斷加快，人們的生活品質(zhì)也隨之不斷提升，但是伴隨而來的卻是嚴(yán)重的社會新難題——資源短缺。通過觀察和調(diào)查表明，公共活動區(qū)域照明設(shè)備由于沒有人看管，導(dǎo)致白天沒有人時教室的燈具也處于常亮的狀態(tài)，而這種情況在各個學(xué)校的教室尤為嚴(yán)重。通過進(jìn)一步研究可以看出，這是由于對教室內(nèi)班級燈光的嚴(yán)格管理所導(dǎo)致的結(jié)果——在規(guī)定的時間內(nèi)開燈或關(guān)燈，通常會導(dǎo)致：不管人多人少教室燈光都亮著，或者是不管是白天或者晚上，不管是強(qiáng)光環(huán)境或者弱光環(huán)境下，燈也都亮著，造成了管理和能源的浪費(fèi)。

在這個背景下，開發(fā)設(shè)計一個新的智能燈光控制系統(tǒng)是很有必要的，通過教室人數(shù)來控制開燈數(shù)量和亮度。本系統(tǒng)的控制對象是教室里的燈組，在光照不足時可以實現(xiàn)根據(jù)自然光照強(qiáng)度來合理調(diào)節(jié)燈具光照強(qiáng)度的功能。這種系統(tǒng)能夠正確地分配能源，節(jié)省了能源的同時又能提高燈具的使用壽命，對于節(jié)電有著很大的現(xiàn)實意義。

（二）大學(xué)教室照明控制現(xiàn)狀

學(xué)校教室照明的作用如下：一般在學(xué)校白天時光照度足夠，所以天然光照就是教室主要的照明光源，人工光照則是補(bǔ)償燈光，即用來補(bǔ)償課堂內(nèi)有遮蓋物時或者陰天光照度不足的區(qū)域；中午和晚上，大部分教室的用途是讓學(xué)生們用來上自習(xí)的，少部分教室則用來授課，但無論在哪種情形，為提升學(xué)習(xí)效果和保護(hù)視力，學(xué)生和教師都必須有良好的照明環(huán)境。所以，本設(shè)計要在滿足教室照明需求的同時做到照明節(jié)能。

二、系統(tǒng)總體方案設(shè)計

（一）系統(tǒng)的功能設(shè)計

系統(tǒng)的主要模塊如圖1所示。

圖1 STM32

STM32單片機(jī)是整個智能燈光控制系統(tǒng)的核心控制器，和輸入、中控、輸出部分一起構(gòu)成了整個智能燈光控制系統(tǒng)，第一部分是被動式熱釋電紅外傳感器模塊，這個模塊的功能是檢測有無人進(jìn)出教室；第二部分為光敏電阻和ADC0832組成的檢測光照強(qiáng)度的模塊，這個模塊的功能是測量當(dāng)前教室內(nèi)的照度值；第三部分為DS1302時鐘模塊；第四部分是獨立按鍵模塊，利用五個獨立的按鈕來設(shè)定時鐘、轉(zhuǎn)換界面、開燈和轉(zhuǎn)換模塊；第五部分就是整個系統(tǒng)的供電電路，這個模塊的功能是為整個控制系統(tǒng)供應(yīng)電源。輸出則主要由兩個部分所構(gòu)成：第一部分為LCD1602顯示模塊，用于顯示當(dāng)前的光照值、時間等；第二部分是模擬教室燈模塊，如果時間在8：00-22：00且光照強(qiáng)度＜50.0則判斷有沒有人在控制燈的開關(guān)。如果人數(shù)為0，燈就會全滅；如果有人進(jìn)入教室，則根據(jù)當(dāng)前的光照強(qiáng)度來調(diào)整燈的功率進(jìn)而調(diào)整燈的亮度。整個系統(tǒng)框圖如1所示。

（二）系統(tǒng)的控制過程

總體上，系統(tǒng)通過在不同的時間段實現(xiàn)對各個時間段的照明控制，當(dāng)教室的開啟時間段時（作者所在的大學(xué)為8：00-22：00）控制系統(tǒng)開始運(yùn)行，如果不在這個時間段內(nèi)就會暫停工作，即全部的照明設(shè)備都關(guān)掉。在這段時間里，系統(tǒng)將會開啟光照度和人數(shù)檢測功能，即通過判斷有沒有人進(jìn)入教室以及光照強(qiáng)度的大小來控制開燈的數(shù)量。首先設(shè)定照度的統(tǒng)計臨界值，如果自然光比較微弱或是教室內(nèi)有其他遮擋物而使得照明小于這個值的話，系統(tǒng)就會按照通過調(diào)整燈具的功率來調(diào)整燈的亮度；當(dāng)自然照度充足且光照強(qiáng)度超過了這個臨界點之后，系統(tǒng)便可以關(guān)掉全部的燈，并以自然光作為最主要的光源，以此實現(xiàn)節(jié)電的目的。

三、智能教室照明控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

（一）STM32最小單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

單片機(jī)最小系統(tǒng)有巨大的研究發(fā)展空間，是由一些接口電路和單片機(jī)連接構(gòu)成，即它是指能夠使某一個單片機(jī)工作的用最少的原件來直接組成的系統(tǒng)。單片機(jī)內(nèi)部組成的最小系統(tǒng)電路的三要素就是電源、晶振和復(fù)位電路。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

1. STM32單片機(jī)

相比于STC89C52單片機(jī)，STM32單片機(jī)速度更快，資源更多，因此本設(shè)計選用了STM32單片機(jī)。STM32單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖中同時還包含了CPU（中央處理器）控制芯片、Flash（程序儲存器）控制模塊、SRAM（數(shù)據(jù)儲存器）控制單元、UART 模塊和串口、定時繼電器模塊／時鐘計數(shù)器、EEPROM、I／O 接口、看門狗等模塊，幾乎可以被稱為一個完整的片上系統(tǒng)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.電源電路設(shè)計

本設(shè)計所選用的 STC89C52 需要 5V 的供電系統(tǒng)。當(dāng)按鍵按下時有電流輸入，LED2 燈亮起。

3.復(fù)位電路設(shè)計

單片機(jī)的系統(tǒng)中通常都會包含很多外設(shè)，而且這些外設(shè)啟動時通常都需要進(jìn)行配置和驅(qū)動，這些配置和驅(qū)動的程序一般都寫在程序的開頭，所以需要復(fù)位電路，使系統(tǒng)的電路恢復(fù)到起始的狀態(tài)，這樣才能讓系統(tǒng)正常地工作。

本文就藏羊肉產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀為支點，分析青海省藏羊肉產(chǎn)業(yè)具備的發(fā)展優(yōu)勢和產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，并對青海省藏羊產(chǎn)業(yè)的發(fā)展突出以下幾點建議：

4.晶振電路設(shè)計

如果CPU比作人體的大腦，那么就可以把晶振電路比作人體的心臟。這個電路輸出的方波信號就可以比作指揮軍隊的口令，整個系統(tǒng)的命令都要按照這個時間基準(zhǔn)來執(zhí)行。

（二）主要模塊設(shè)計說明

1. ADC0832-數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片

ADC0832是指一種8位的分辨率、雙通道A/D的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。它擁有體積較小、質(zhì)量價格比又很高以及兼容性較強(qiáng)的優(yōu)點，其運(yùn)行頻段為250KHz，轉(zhuǎn)換時間為32微秒。

單片機(jī)與ADC0832模塊之間的數(shù)據(jù)線連接接口為5條數(shù)據(jù)線，分 別 為、CH0、CLK、DO、DI。DO端和DI端之間在通訊時間上不可以同時有效，且因為和單片機(jī)之間的連接通常也都是雙向并行的，所以一般在設(shè)計電路的時候，都將這兩個端口并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。當(dāng)ADC0832不工作時，則的輸入接口為高電平，這時芯片將禁用，CLK和DI/DO口之間的電平可任意調(diào)整。當(dāng)要進(jìn)行數(shù)據(jù)量和模擬量轉(zhuǎn)換時，則必須將使能端放在低電平有效，并保證在低電平下持續(xù)到切換全部終止，此時芯片才能剛剛開始正式進(jìn)行此切換管理工作，同時也需要由處理器向芯片時鐘輸入端CLK輸入的時鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號。

2. DS1302-時鐘電路

DS1302是一個實時的時鐘芯片，可以提供秒、分、小時、星期、月、年等信息。

這種時鐘芯片的耗能通常都比較低，當(dāng)它的實際工作電壓為2V時，工作電流小于300nA；它的工作電壓較寬，大概在2.0-5.0V左右，本設(shè)計采用的工作電壓為3V。為了防止系統(tǒng)掉電時時鐘停止，DS1302設(shè)計了兩個電源，一個是主動供電電源，另一個是后備電源。

3.光敏電阻

光敏電阻，是用硒化鎘或硫化鎘等構(gòu)成的特殊元件，表面涂有防潮樹脂，有光電效應(yīng)。在感光的材料兩邊添加上電極引線，并將它封裝在有透光的管殼里面，以此形成光敏電阻。通常會將兩電極做成梳狀從而增加靈敏度。光敏電阻的阻值受到照度大小的影響，當(dāng)照明強(qiáng)度增加時，其阻值降低；反之，當(dāng)照明強(qiáng)度減弱時，其阻值增大。

4.被動式熱釋電紅外傳感器

本模塊的功能是檢測有沒有人進(jìn)出，可以分為兩個過程。當(dāng)人站在探測區(qū)域外時，探測器沒有檢測到人體發(fā)出的紅外線（人體會發(fā)出特定的紅外線，波長在10微米左右，而本設(shè)計所選用的探測器只能檢測到這種波長），就會輸出低電平，當(dāng)人進(jìn)入紅外探測區(qū)域后，該傳感器就會檢測到因人體紅外線所引起的電荷不平衡的情況，就會朝外面發(fā)射電荷進(jìn)而輸出高電平。

5.按鍵模塊

按鍵是一種電子開關(guān)，當(dāng)人們按下開關(guān)按鈕時開關(guān)就會接通，反之，當(dāng)松開手時，開關(guān)就會斷開。本設(shè)計使用機(jī)械彈性開關(guān)。按鍵閉合與斷開時會伴隨著一些抖動，所以需要進(jìn)行消抖，本設(shè)計采用的是軟件消抖，除此之外還有硬件消抖（硬件消抖會使電路更加復(fù)雜）本設(shè)計所使用的LED類型為插件型LED（兩個腳）還有貼片型LED。

四、智能教室照明系統(tǒng)軟件設(shè)計

（一）編程軟件介紹

本設(shè)計所使用的編程軟件為Keil4，這個軟件的優(yōu)點是便于操作，支持各種芯片，可以生成通過刻錄器直接燒錄到單片機(jī)里的HEX文件，非常方便。編譯結(jié)果在界面的底部顯示，可以更便捷地查找到BUG。

（二）主程序流程設(shè)計

在這個軟件的主程序環(huán)境中，首先需要對系統(tǒng)中的各大功能模塊完成操作系統(tǒng)的初始化，然后程序也就自動進(jìn)入到了while主循環(huán)，在軟件主程序中，先進(jìn)入到要讀入鍵盤值的第一個函數(shù)（按鍵函數(shù)），這個函數(shù)一般分為兩個部分，第一個部分直接運(yùn)用按鍵掃描函數(shù)來快速讀取函數(shù)鍵值，第二部分主要是根據(jù)鍵值執(zhí)行相關(guān)的處理動作，例如手動開燈、切換用戶界面、切換模式、調(diào)整時間等；接著進(jìn)入第二個函數(shù)（監(jiān)測函數(shù)），監(jiān)測函數(shù)主要通過光照檢測模塊來獲取當(dāng)前的光照值；再接著就進(jìn)入第三個函數(shù)（顯示函數(shù)），此函數(shù)通過不同的顯示標(biāo)志位來顯示不同的界面，包括主界面當(dāng)前的光照值、時間和人數(shù)，其他界面顯示切換模式、調(diào)整時間等；最后就進(jìn)入第四個函數(shù)（處理函數(shù)），這個函數(shù)主要根據(jù)當(dāng)前的時間、人數(shù)以及光照值選擇開燈以及燈具的亮度。最終通過計數(shù)公式和延時函數(shù)，約束了所有函數(shù)的掃描時間。在這里，計時變量大于5000時就自動加一。

（三）主要模塊流程設(shè)計

1.按鍵函數(shù)流程設(shè)計

按鍵函數(shù)中的按鍵設(shè)定函數(shù)要先使用按鍵掃描函數(shù)讀取按鍵按下時的鍵值，再利用變化的鍵值來自動實現(xiàn)或完成對相關(guān)數(shù)據(jù)的修改。若是得到的鍵值為1，有七個模式。若是取得的鍵值是2，在0界面時，LED1手動開燈；在1界面時，年加一；在2界面時，月加一；在3界面時，日加一；在4界面時，時加一；在界面5時，分加一；在界面6時，秒加一；在界面7時，星期加一。若取得的鍵值是3，在0界面時，LED2手動開燈；在1界面時，年減一；在2界面時，月減一；在3界面時，日減一；在4界面時，時減一；在5界面時，分減一；在6界面時，秒減一；在7界面時，星期減一。若取得的鍵值是4，LED3手動開燈。若取得的鍵值為5，LED4手動開燈。若取得的鍵值為6，切換模式。

2.顯示函數(shù)流程設(shè)計

顯示函數(shù)的流程圖設(shè)計；通過不一樣的顯示標(biāo)志位來顯示不一樣的界面，界面為0的時候，顯示時間以及光照強(qiáng)度等等；界面為1-7的時候，顯示設(shè)置的年月日時分秒星期。

3.處理函數(shù)流程

首先要判斷當(dāng)前的顯示標(biāo)志位是否為0，如果為0，就通過被動式熱釋電紅外傳感器來檢測有沒有人進(jìn)出教室，如果人數(shù)是0，則燈就全面；如果有人就根據(jù)教室內(nèi)的光照強(qiáng)度來判斷是否需要開燈以及燈具的亮度。

五、總結(jié)和展望

（一）總結(jié)

本設(shè)計由STM32單片機(jī)芯片、紅外光人體檢測模塊、光照檢測模塊、按鍵模塊、LCD顯示模塊、LED教室燈模擬模塊、DS1302時鐘模塊組成。本設(shè)計通過紅外光人體檢測模塊得到教室人數(shù)，光照傳感器和ADC0832組成的光照檢測模塊檢測光照值，由STM32單片機(jī)處理數(shù)據(jù)，通過LCD1602顯示光照強(qiáng)度、時間等相關(guān)信息，根據(jù)以上信息決定亮燈情況，實現(xiàn)了教室照明系統(tǒng)的智能控制。本設(shè)計硬件部分進(jìn)行了原理圖、PCB板設(shè)計，軟件部分運(yùn)用了C語言進(jìn)行編程，根據(jù)實物的運(yùn)行和調(diào)試，智能教室照明控制系統(tǒng)的控制方案能較好的實現(xiàn)，達(dá)到了節(jié)約能源的目的。本系統(tǒng)主要實現(xiàn)了以下功能：

（1）有自動、手動兩種工作模式；

（2）當(dāng)亮度足夠時，無論有無人進(jìn)出，燈都不亮；

（3）當(dāng)在教室開放時間之外的所有時段燈不亮；

（4）當(dāng)亮度不夠且在教室開放的時間段內(nèi)，根據(jù)教室內(nèi)的光照強(qiáng)度合理控制燈具的亮度。

（二）不足和展望

總結(jié)了整個系統(tǒng)的內(nèi)容，由于個人經(jīng)驗的不足及時間關(guān)系，該系統(tǒng)仍有部分缺陷，需要深入探討，主要體現(xiàn)在如下方面：

（1）不能根據(jù)學(xué)生的具體位置打開相應(yīng)的燈具；

（2）只是單一地對教室的燈具進(jìn)行控制。

如果有機(jī)會繼續(xù)研究這個問題，那么我想拓展為對整個教室所有電器的統(tǒng)一化控制，例如電風(fēng)扇、空調(diào)等。