基于STM32的校園照明智能控制系統

摘要：該設計主要采用基于STM32微控制器與CAN總線(xiàn)結合的方法，由光線(xiàn)強度檢測電路和熱釋電紅外信號檢測電路組成檢測電路，通過(guò)檢測光線(xiàn)強度強弱和是否有人靠近，從而控制燈的開(kāi)啟與關(guān)閉。采用組態(tài)王軟件做上位機進(jìn)行控制和監控，實(shí)現了與外界環(huán)境相結合的人為可控智能閉環(huán)系統，實(shí)際表明該系統具有低功耗，穩定性強，通信距離遠，傳輸速度快，誤碼率低等特點(diǎn)。

近年來(lái)，低碳生活，節能減排越來(lái)越受到國家的大力支持，在校園生活中照明用電量約占校園總體用電量的40%左右，因此，節約校園照明用電消耗成為響應國家對于節能號召的重要措施之一。一般的校園照明系統只是運用普通的聲控及光控傳感器組成開(kāi)環(huán)的控制系統，其靈活性差，功耗大，不可人為干預。而市場(chǎng)上閉環(huán)控制的照明系統投入資金大，穩定性差，無(wú)法在校園中得到推廣。

1 總體方案設計

系統的設計主要有以下五部分組成：上位PC機、CAN適配卡、微控制器STM32、CAN總線(xiàn)接口模塊、光線(xiàn)檢測照明模塊。上位PC機提供操作界面，并且利用組態(tài)王軟件通過(guò)CAN總線(xiàn)向微控制器STM32發(fā)送指令和接收微控制器STM32發(fā)送的信息，微控制器STM32通過(guò)與CAN總線(xiàn)接口電路向CAN總線(xiàn)發(fā)送指令和接收CAN總線(xiàn)各個(gè)節點(diǎn)的信息，檢測照明模塊通過(guò)檢測電路將檢測到的信息發(fā)送給STM32微控制器，STM32微控制器處理檢測電路發(fā)來(lái)的信息控制照明設備。系統結構框圖如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 控制器選型

普通設計中大多采用51單片機、PIC單片機或者是AVR單片機，這些單片機的缺點(diǎn)是高功耗、性能低并且硬件資源匱乏。相比之下，STM 32系列是基于專(zhuān)為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用而專(zhuān)門(mén)設計的ARM Cortex-M3內核的微控制器。本設計采用的是STM32F103型號，屬于中等容量增強型，32位基于A(yíng)RM核心的帶128K字節閃存的微控制器，擁有強大的硬件資源：USB，CAN，7個(gè)定時(shí)器，2個(gè)ADC，9個(gè)通信接口。最高72MHZ的工作頻率。

2.2 CAN接口電路

CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò )(Controller Area Network，CAN)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車(chē)電子產(chǎn)品著(zhù)稱(chēng)的德國B(niǎo)OSCH公司開(kāi)發(fā)的，具有對通信數據幀處理，使網(wǎng)絡(luò )內的節點(diǎn)個(gè)數在理論上不受限制，可在各節點(diǎn)之間實(shí)現自由通信，結構簡(jiǎn)單，傳輸距離遠和速率快的特點(diǎn)，成為應用最廣的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。

TJA1050是控制器區域網(wǎng)絡(luò )(CAN)協(xié)議控制器和物理總線(xiàn)之間的接口，可以為總線(xiàn)提供差動(dòng)發(fā)送性能，為CAN控制器提供差動(dòng)接收性能。與普通設計中運用的PCA82C250和PCA82C251等CAN控制器相比，具有輸出信號CANH和CANL的最佳匹配，使電磁輻射更低，節點(diǎn)未供電時(shí)，性能有所改進(jìn)，無(wú)待機模式等特點(diǎn)。這使得TJA1050特別適合于在部分供電網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)掉電的情況下使用。其與STM32接口電路如圖2所示。

2.3 PC機與TJA1050接口電路

由于PC的串口為RS-232電平，無(wú)法直接與TJA1050相連，所以要想讓PC機與CAN總線(xiàn)通信必須在TJA1050和PC機之間加上電平轉換模塊，本設計加入的是MAX-232電平轉換芯片如圖3所示。

2.4 檢測照明模塊

本設計檢測電路由光線(xiàn)強度檢測電路和熱釋電紅外信號檢測電路組成。光線(xiàn)強度檢測電路是利用光敏電阻的電阻值隨照射光強度增加而下降的特性而搭建的電路。白天時(shí)光照較大，光敏電阻值較小因此向STM32微控制器發(fā)送高電平，STM32微控制器接受到光照強度檢測電路發(fā)送的高電平后，向照明設備發(fā)送高電平，從而控制燈的關(guān)閉。反之，晚上光線(xiàn)較暗時(shí)，STM32微控制器向照明設備發(fā)送低電平，從而控制燈的開(kāi)啟。

熱釋電紅外信號檢測電路由熱釋電紅外傳感器接收人體紅外信號，并經(jīng)BISS0001芯片及外圍電路進(jìn)行放大、濾波與延時(shí)等處理后，發(fā)送給STM32。檢測電路正常工作時(shí)，當人體接近時(shí)，向STM32微控制器發(fā)送高電平。當人體離開(kāi)時(shí)，延時(shí)10～30 s后，向STM32微控制器發(fā)送低電平。STM32微控制器根據接受到的高低電平控制照明設備的開(kāi)啟和關(guān)閉。

3 軟件設計

3.1 軟件流程圖

主流程圖如圖4所示，系統初始化完成后，檢測CAN總線(xiàn)發(fā)來(lái)的指令，如果CAN總線(xiàn)發(fā)來(lái)指令，ST3432微控制器執行發(fā)來(lái)的指令。反之，執行下一步。檢測電路中的光線(xiàn)強度檢測電路先檢測，如果光線(xiàn)強度較強，STM32微控制器控制燈的關(guān)閉，且熱釋紅外檢測電路停止工作。如果光線(xiàn)強度較弱，熱釋紅外檢測電路開(kāi)始工作，當熱釋紅外檢測電路檢測到有人經(jīng)過(guò)時(shí)，STM32微控制器控制燈的開(kāi)啟。反之，燈關(guān)閉。

3.2 上位機

組態(tài)王開(kāi)發(fā)監控系統軟件，是新型的工業(yè)自動(dòng)控制系統，它以標準的工業(yè)計算機軟、硬件平臺構成的集成系統取代傳統的封閉式系統。它具有適應性強、開(kāi)放性好、易于擴展、經(jīng)濟、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。通?？梢园堰@樣的系統劃分為控制層、監控層、管理層3個(gè)層次結構。

本設計通過(guò)CAN-RS-232的轉接口實(shí)現CAN總線(xiàn)與裝有OPC-Server的PC機串口進(jìn)行數據交換。從而實(shí)現通過(guò)組態(tài)王對整個(gè)校園照明系統進(jìn)行實(shí)時(shí)的監控。其組態(tài)王監控界面如圖5所示。

4 結束語(yǔ)

本設計以STM32微控制器為核心及RS-232/CAN通信轉換器、節點(diǎn)以及上位機組成，實(shí)現了CAN通信，達到了對照明設備的可控性和閉環(huán)自身調節的目的?；赟TM32微控制器通過(guò)CAN總線(xiàn)控制的智能照明控制系統具有功能強大、實(shí)時(shí)性強、穩定可靠、便于擴展等特點(diǎn)，應用前景廣泛。