基于STM32的校園照明智能控制系統(tǒng)

摘要：該設(shè)計(jì)主要采用基于STM32微控制器與CAN總線結(jié)合的方法，由光線強(qiáng)度檢測(cè)電路和熱釋電紅外信號(hào)檢測(cè)電路組成檢測(cè)電路，通過檢測(cè)光線強(qiáng)度強(qiáng)弱和是否有人靠近，從而控制燈的開啟與關(guān)閉。采用組態(tài)王軟件做上位機(jī)進(jìn)行控制和監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了與外界環(huán)境相結(jié)合的人為可控智能閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)際表明該系統(tǒng)具有低功耗，穩(wěn)定性強(qiáng)，通信距離遠(yuǎn)，傳輸速度快，誤碼率低等特點(diǎn)。

近年來，低碳生活，節(jié)能減排越來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(jié)約校園照明用電消耗成為響應(yīng)國家對(duì)于節(jié)能號(hào)召的重要措施之一。一般的校園照明系統(tǒng)只是運(yùn)用普通的聲控及光控傳感器組成開環(huán)的控制系統(tǒng)，其靈活性差，功耗大，不可人為干預(yù)。而市場(chǎng)上閉環(huán)控制的照明系統(tǒng)投入資金大，穩(wěn)定性差，無法在校園中得到推廣。

1 總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要有以下五部分組成：上位PC機(jī)、CAN適配卡、微控制器STM32、CAN總線接口模塊、光線檢測(cè)照明模塊。上位PC機(jī)提供操作界面，并且利用組態(tài)王軟件通過CAN總線向微控制器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通過與CAN總線接口電路向CAN總線發(fā)送指令和接收CAN總線各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息，檢測(cè)照明模塊通過檢測(cè)電路將檢測(cè)到的信息發(fā)送給STM32微控制器，STM32微控制器處理檢測(cè)電路發(fā)來的信息控制照明設(shè)備。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器選型

普通設(shè)計(jì)中大多采用51單片機(jī)、PIC單片機(jī)或者是AVR單片機(jī)，這些單片機(jī)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系列是基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用而專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核的微控制器。本設(shè)計(jì)采用的是STM32F103型號(hào)，屬于中等容量增強(qiáng)型，32位基于ARM核心的帶128K字節(jié)閃存的微控制器，擁有強(qiáng)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，是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)的，具有對(duì)通信數(shù)據(jù)幀處理，使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，可在各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)自由通信，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳輸距離遠(yuǎn)和速率快的特點(diǎn)，成為應(yīng)用最廣的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。

TJA1050是控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，可以為總線提供差動(dòng)發(fā)送性能，為CAN控制器提供差動(dòng)接收性能。與普通設(shè)計(jì)中運(yùn)用的PCA82C250和PCA82C251等CAN控制器相比，具有輸出信號(hào)CANH和CANL的最佳匹配，使電磁輻射更低，節(jié)點(diǎn)未供電時(shí)，性能有所改進(jìn)，無待機(jī)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(jié)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(jī)與TJA1050接口電路

由于PC的串口為RS-232電平，無法直接與TJA1050相連，所以要想讓PC機(jī)與CAN總線通信必須在TJA1050和PC機(jī)之間加上電平轉(zhuǎn)換模塊，本設(shè)計(jì)加入的是MAX-232電平轉(zhuǎn)換芯片如圖3所示。

2.4 檢測(cè)照明模塊

本設(shè)計(jì)檢測(cè)電路由光線強(qiáng)度檢測(cè)電路和熱釋電紅外信號(hào)檢測(cè)電路組成。光線強(qiáng)度檢測(cè)電路是利用光敏電阻的電阻值隨照射光強(qiáng)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(qiáng)度檢測(cè)電路發(fā)送的高電平后，向照明設(shè)備發(fā)送高電平，從而控制燈的關(guān)閉。反之，晚上光線較暗時(shí)，STM32微控制器向照明設(shè)備發(fā)送低電平，從而控制燈的開啟。

熱釋電紅外信號(hào)檢測(cè)電路由熱釋電紅外傳感器接收人體紅外信號(hào)，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(cè)電路正常工作時(shí)，當(dāng)人體接近時(shí)，向STM32微控制器發(fā)送高電平。當(dāng)人體離開時(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(jù)接受到的高低電平控制照明設(shè)備的開啟和關(guān)閉。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件流程圖

主流程圖如圖4所示，系統(tǒng)初始化完成后，檢測(cè)CAN總線發(fā)來的指令，如果CAN總線發(fā)來指令，ST3432微控制器執(zhí)行發(fā)來的指令。反之，執(zhí)行下一步。檢測(cè)電路中的光線強(qiáng)度檢測(cè)電路先檢測(cè)，如果光線強(qiáng)度較強(qiáng)，STM32微控制器控制燈的關(guān)閉，且熱釋紅外檢測(cè)電路停止工作。如果光線強(qiáng)度較弱，熱釋紅外檢測(cè)電路開始工作，當(dāng)熱釋紅外檢測(cè)電路檢測(cè)到有人經(jīng)過時(shí)，STM32微控制器控制燈的開啟。反之，燈關(guān)閉。

3.2 上位機(jī)

組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，是新型的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，它以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)軟、硬件平臺(tái)構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。它具有適應(yīng)性強(qiáng)、開放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。通常可以把這樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層3個(gè)層次結(jié)構(gòu)。

本設(shè)計(jì)通過CAN-RS-232的轉(zhuǎn)接口實(shí)現(xiàn)CAN總線與裝有OPC-Server的PC機(jī)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。從而實(shí)現(xiàn)通過組態(tài)王對(duì)整個(gè)校園照明系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。其組態(tài)王監(jiān)控界面如圖5所示。

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)以STM32微控制器為核心及RS-232/CAN通信轉(zhuǎn)換器、節(jié)點(diǎn)以及上位機(jī)組成，實(shí)現(xiàn)了CAN通信，達(dá)到了對(duì)照明設(shè)備的可控性和閉環(huán)自身調(diào)節(jié)的目的?；赟TM32微控制器通過CAN總線控制的智能照明控制系統(tǒng)具有功能強(qiáng)大、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、穩(wěn)定可靠、便于擴(kuò)展等特點(diǎn)，應(yīng)用前景廣泛。