基于STM32的光照控制系统设计Word格式文档下载.docx
《基于STM32的光照控制系统设计Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于STM32的光照控制系统设计Word格式文档下载.docx（27页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
随着现今生活水平的逐年发展与提升，以及当今社会信息化的不断加速，人们的生活、学习、工作与智能化的关系越来越密切相关。
在改变人们生活方式的同时，信息科学技术与智能化科学也对人们的生活条件和环境提出了更高的挑战。
人们在不同的生活方式中，眼睛所需的最佳光照当然也是不同的。
迄今为止，大多生活空间都是采用的单一无补偿光源，很容易使眼睛产生视觉疲劳，甚至还会对眼睛造成一定程度上的伤害。
所以极其容易导致近视。
随着近视率的日益增加，近视已经成为我们生活中不可忽视的一个问题。
针对此种现象，本课题的研究目标就是作出一套智能光照调节控制系统，不仅能实时检测室内周围环境光照强度和温度，还能把检测到的光照强度以及温度值反馈给STM32单片机，当超出或者低于所设置的最适值时及时进行报警并根据指令作出相应调节。
本项目的特点在于不仅有红外遥控装置，用于远程设置阈值，还有手势感应模块用于当系统进行报警时操作者不仅可以通过相应的手势来确定进行调节操控，使操作方式更便捷更具新意，而温度补偿模块，可采集环境温度，并反馈给单片机，实现冷暖色调的调控。
关键词：
STM32系列单片机；
室内光照；
智能调节系统；
Abstract
Nowadays,withthedevelopmentandpromotionoflivingstandardsyearbyyear,andtheconstantaccelerationofinformationtechnology,therelationshipbetweenintelligentandpeople’slife,study,workiscloser.Whilechangingthewayofpeople’slife,InformationScienceandTechnologyandIntelligentSciencealsomakehigherchallengestopeople’slivingconditionsandcircumstances.Thebestlightthatpeopleneedindifferentwaysoflifeisalsodifferent.Tillnow,mostlivingspacesuseasingleuncompensatedlightsource,itisveryeasytocausevisualfatigueintheeyesandevencausessomedegreeofdamagetotheeyes.Sofinallyitwillleadtomyopiaeasily.Withtheincreasingofmyopiarate,myopiahasbecomeaproblemwhichcannotbeignoredinourlives.Inthiscase,theaimofthisprojectistomakeasmartlightingcontrolsystem,itcannotonlymonitorofambientlightintensityandtemperatureinrealtime,butalsocanfeedbackthelightintensityandtemperaturevaluetoSTM32microcontroller.Whenthemaximumfitnessisexceededorbelowtheset,thealarmiscalledandadjustedaccordingly.Featuresofthisprojectnotonlyhavetheinfraredremotecontrolwhenthesystemistoalarmtheoperatornotonlycanbeadjustedthroughgesturestotemperatureappropriatecontrol,maketheoperationmoreconvenient,morecreativeandtemperaturecompensationmodule,cancollectenvironmentaltemperature,andfeedbacktothemicrocontroller,realizecolddayhencetonalcontrol.
Keywords:
STM32microcontroller,indoorlighting,intelligentcontrolsystem.
、
论文总页数：
35页
&
*
!
"
第一章绪论
课题的来源及研究目的和意义
在各领域各项技术飞速发展的今天，人们的生活水平以及生活质量相对于10年前都有了相当明显的提升。
与此同时，人们身体各方面的机能也在悄然发生改变。
近年来，全球各个地区的近视率都在逐年不断上升，尤其是中国，近视率快赶超新加坡，成为全球近视率最高的国家。
世界卫生组织2016年研究报告称，目前中国近视患者人数已经多达6亿，几乎是全国总人口数的一半，而且这一数字还在不断扩大，据现今的增长速度估计，到2020年时，我国的近视人口将多达7个亿。
基于此种现象，本课题设计了一种智能化调节光照强度和光照色调的光照控制系统，通过调节使用者所处周围环境的光照强度以及光照的冷暖色调，调节眼睛的舒适度用以达到有效缓解用眼疲劳的目的，使大家在工作生活时眼睛保持高度的舒适度，有效缓解因为长时间工作学习和娱乐带来的视觉疲劳造成的假性近视（实质上是眼睛调节功能痉挛的一种功能状态），有效防止近视，从而降低居高不下的近视率。
（
本课题的智能光照控制系统操作起来比较简单，适合各类人群使用，特别是近视率很高的中小学生，他们不用花过多精力去学习如何操作这个系统。
并且本设计的模块体积小、价格便宜，用法简单新颖，适合大众化的普遍化的消费趋势，大家可以放在家里、办公室、教室，不占空间，不影响美观，这当然也是它不可忽视的优势之一。
国内外研究现状分析
现在国内外也有很多光照控制系统的模块，但大多都是用于农业大棚，城市照明等大型项目，极少有专门针对调节生活环境中光照强度和光照色调的光照控制系统；
而在这个信息高速发展的时代背景下，利用电子信息技术改善生活环境，也是大势所趋，毕竟大家对生活质量的要求在逐年提高，所以对现在的智能化的电子产品也有了更高的要求，对产品的功能以及使用方式、使用范围都有了更高更明确更具体的要求，因此，为了满足大家的多方面要求，本设计在使用传统红外感应遥控的同时也加入了手势感应模块，使整个系统不仅更加智能化与人性化，更是大大提高了可操作性和普遍性，使其在可靠实用的同时，更是增添了几分乐趣。
本产品的主要研究目的
设计出一款能检测周围环境光照强度以及温度并能自动控制的智能光照控制系统，能将检测到的光照强度和温度以及当前光照补偿实时显示在OLED显示屏上，通过蜂鸣器来提示使用者进行调节，通过红外遥控、手势遥控、按键控制等方式来调节光照强度和光照色调，使人们的眼睛尽可能在最舒适的环境中工作，来达到减缓眼睛疲劳，降低近视率的目的。
第二章硬件电路的设计
硬件电路整体设计思路
基于STM32的光照控制系统，用光照采集模块采集光照强度并传给MCU，通过MCU算法处理，控制LED驱动电路驱动光照补偿LED，在不同光照下，光照补偿LED光照强度不同，考虑人性化设计，外加手势控制模块，对不同手势方向做出不同反应，使光照增加或者减少，反应结果用LED光照强度显示，结合不同场景，外加红外遥控模块，便于设置不同阈值，以及稍远距离的遥控。
设置光照阈值（以及不同环境不同色彩光照的显示），当超出阈值时，系统报警，低于阈值时，增加光照补偿，另外加了温度检测功能，可以根据温度变化，显示冷暖色调。
？
硬件电路模块的设计
微小型控制器STM32f103VET6
STM32是32位的微控制处理器，一次处理数据宽度为32位，而51最多只能处理8位，并且STM32的内部RAM和ROM（flash）都比51大得多。
STM32F103有64kRAM，512kROM，主频也很高，可高达72MHz，因此运算能力和速度要比51单片机强大的多。
STM32芯片上外设也比较丰富，IO口均能当作中断使用，定时器多达11个，PWM功能较强大，其ADC精度也达到12位，还有DA模块，实时时钟等，这些都是51系列单片机远不能及的，而且51的保护能力很差，及其容易烧坏芯片，会给设计带来不必要的负担和麻烦。
因此本设计采用的是STM32的单片机，并且将单片机模块单独划分开，对调试电路的焊接以及调试都有极大的好处。
在单片机最小系统板上设有复位键，当程序运行受到外界强大干扰而出现故障时可以手动及时复位初始化程序，使程序重头开始运行，这样也从一定程度上保护了单片机和其它电路结构以及系统的稳定性。
电源电路
本设计采用交流供电，电源插座部分用的是贴片式DC005，便于手工做板和加工，同时贴片无孔设计可很好的保护介质基板的板结构，使其更加牢固不易损坏，也使供电时相对方便。
开关部分并没有采用常用的六脚自锁开关，而是采用了贴片两脚自锁开关，这种开关的优势在于贴片设计，便于加工以及保护基板性能，也便于按键的更换，同时大封装的设计，使电路可以过更大的电流，避免了六角自锁开关因为电流不够而烧坏的危险，使LED充分发光。
电源电路中还有两个稳压模块，一是lm7805，作用是将变压器电源的输入9V电压稳定到5V给整个电路系统供电。
三端稳压IC用lm78系列芯片来组成，稳压电源电路内部有多种保护电路，包括过流、过热保护以及调整管，因此使用起来可靠、方便，而且其价格便宜，性价比高，便于商品化批量生产。
还有一个则是AMS1117稳压器，目的是给单片机以及几个外设模块提供稳定的电压。
在应用这两个模块时分别用优质钽电容和0805瓷片电容进行了电源滤波，一大一小的电容容量处理，可以使电路中的高频和低频杂波干扰信号充分被吸收，使电路更加稳定可靠。
之所以本设计不考虑采用220V供电，以及采用220V的电灯，因为220V已经远远超出了对人体安全的电压范围，容易产生事故，发生危险，同时，5V的LED亮度已经完全能够达到照明效果，且更加节能安全环保。
[
图2-1电源电路（a）
图2-2电源电路（b）
光照传感器模块
本设计在光照感应方面不仅用了GY-30光照传感器模块，还在旁边加了两个光敏电阻。
当其中一部分被遮挡住时，另一部分也可以对光照强度进行检测，能有效减少环境因素对本设计的影响，从一定程度上保证了产品性能。
之所以采用GY-30光照传感器，是因为它有接近于视觉灵敏度的分光特性，能检测到的光照强度的范围也比较宽，为0-655351x，而且它有内置的16bitAD转换器，可以直接数字输出，省去复杂的计算，还有一点是它用的是应用比较广泛的IIC通信协议，本身的价格也较为便宜。
本设计所采用的光敏电阻的特性是随光照强度的增大，阻值减小，则单片机采集到的AD值变大，将会控制LED灯的亮度变暗，从而实现控制光照强度的目的。
图2-3GY-30光照传感器示意图
APDS-9960手势传感模块
该模块同样是采用的IIC通信协议，它有一下几个特点：
第一点，也是最显著的就是体积微小，市面上比较常见，价格相对比较便宜；
第二是它的I2C接口与专用中断引脚兼容；
第三，它的功耗极低，睡眠模式的功率仅为；
第四，它有四个独立的二极管，可感应不同的方向，使它的功能更加多样化；
第五，它能对RGBC光进行感测，并且内部带有UV-IR遮光滤光片，可实现精准的环境光和相关色温感测。
所以该模块能对不同手势进行感测，并将感测到的数据发送到主控单片机上，从而改变三通道LED的光照强度。
】
照明模块
该模块由五个一样的部分构成，每个部分都采用的是USC2903三通道LED驱动控制专用芯片。
USC2903内部集成有MCU数字接口、数据锁存器、LED高压驱动等电路。
相比类似于LT3496的三通道LED驱动器，USC2902的管脚更少，体积更小，响应速度更快，更适合于这种小型的项目。
它具有单线数据传输的特性，与其他数据传输互不干扰，当它线性传输时，可无限级联。
此外，它任意两点传输距离就算超过10米也不需要额外增加任何辅助电路，为项目的硬件电路设计方面减轻了负担，另外，它输出端端口耐压可达24V，不容易被击穿。
三通道LED，顾名思义有三个通道，简单来说就是它有三原色灯，分别是：
Red（红）、Green（绿）、Blue（蓝），可通过外围MCU控制变换不同的复色光以及光照的强度。
在电路设计方面，本设计在该模块与单片机IO口之间串联了一个稳压二极管或者电阻，其目的是将大于的电压导出，从而达到保护单片机IO口的目的。
图2-4三通道LED原理图
报警模块
报警提醒模块采用的是电磁式蜂鸣器，通过单片机IO口的高低电平来控制其工作状态。
在电路设计时将蜂鸣器与二极管并联，对单片机IO口以及蜂鸣器的驱动电路起到一个保护作用。
再串联一个三极管，相当于一个开关的作用，对大电流的蜂鸣器进行驱动。
当电路发生短路时，三极管会被击穿，直接导通接地，也可以起到保护其他电路元件如单片机IO口的作用。
而且相比于其他的响铃报警装置，蜂鸣器具有廉价、体积小、声调可调、实用性高、运用于实际电路简单等优点。
-
图2-5蜂鸣器原理图
遥控模块
本设计的遥控模块采用的是红外感应遥控，这种遥控方式在市面上比较常见（比如电视遥控器、空调遥控器、玩具车遥控器等等），而且简便易操作，集成化的一体式设计，免去了大面积的电路设计，降低了设计成本，节约了开发时间，高效、经济、实用，且能有效实现一定范围内的远距离遥控，为使用者提供了更方便的操作方式。
对于1838系列的红外感应器来说，体积小是它最大的特点，因为我们的成品电路板总体体积是比较小，所以使用一个体形较小的红外感应器来节约电路板的空间是十分必要的，1838系列的红外信号接收器的市场价格相对也是比较便宜的，于是，它理所当然成了本设计遥控模块的不二首选。
OLED液晶屏显示模块
本设计用OLED来显示当前的光照强度、温度值和补偿光照强度，使人们能更加直观的了解到当前的环境状况以及电路工作状况。
以便于作出更准确的调节。
从体积上考虑，本设计采用的是寸的OLED液晶显示模块，体积小、成本低、功耗低、使用寿命长。
使用SPI协议与单片机进行通信，设计简单。
可切换界面设计使状态值和调试值分开，简洁易懂。
\
图2-6寸OLED显示屏
DS18B20温度传感器
本设计所采用的DS18B20温度传感器具有体积小，抗干扰能力强，硬件设计开销很低，精度较高等特点。
能检测到的温度范围为－55℃～+125℃，与我们生活环境的温度相比，已经很广了，所以用于本设计是比较合理的，既不会浪费资源，又能达到我们想要的效果。
它的工作电压在~DC，与本设计其他模块所需电压兼容，并在使用时它需要任何的外围原件就能工作，大大减少了电路设计的负担。
图2-7DS18B20温度传感器
#
其他电路元件及结构
本设计采用的都是贴片式的电容电阻，采用单层走线，单层布板，不仅方便了焊接，而且很好的保护了底层地平面的完整性，使零势面更加稳定。
除了上述的各大模块，单独设置的五个按键，直接与单片机IO口相连，其中一个是复位按键，另外四个是用来分别对光照参数、温度参数、光照强度参数值进行设置。
使电路调试时更加方便，节约时间。
第三章系统软件的设计
系统软件的总体介绍
本设计的系统软件大体可分为两个部分，第一部分是将光照传感器和光敏电阻采集到的光照强度通过将模拟信号化为数字信号发送给STM32F103型微控制器，微控制器再将接收到的一系列数据信息进行相应处理，再发送信号到照明模块和报警模块。
另一部分是将手势传感器以及红外遥控收到的信号发送到STM32F103型微控制器，通过STM32F103型微控制器来改变灯的亮度和设置阈值。
这两个部分都属于单片机编程内容，通过各模块感应外界环境，采集数据，再将采集的数据发送给单片机，在内部处理器对各数据进行相对应的处理，将处理好的数据信息再反馈给报警和光照模块，以达到报警和改变光照强度和光照色调的效果。
STM32F103微控制处理器编程设计
软件功能介绍
微控制处理器软件部分是由7任务组成的[6]，分别是：
主控任务、光照感应信号处理任务、手势感应信号处理任务、红外信号接收处理任务、报警器控制任务、照明控制任务。
主控任务实现调度、控制其它的一系列相关子任务；
光照感应信号处理任务是处理检测到的周围环境的光照强度的值，并将检测到的光照强度的信号值传送到主控任务；
手势感应信号处理任务负责处理感应到的外界手势信号，再转换成相应的值传送到主控任务；
红外信号接收处理任务则负责处理接收外界红外发射的信号数据并进行识别，将信号传送给主控任务；
报警器控制任务用于控制蜂鸣器和LED报警颜色，通过主控任务对光照感应处理任务传来的信号，来实现对报警控制任务的自动控制；
照明控制任务则用于控制各个灯的亮度以及色调，是根据经过主控任务对各个子任务传来的数据再进行处理得到的控制命令对光照强度以及光照色调的控制。
软件特性介绍
微控制处理器软件部分采用STM32F103单片机控制，使用红外信号接收模块进行无线通信，同时也可用手势进行近距离控制。
用主控任务来调控调度其它子任务的执行情况，这样的分模块进行工作，大大的提高了单片机的运行效率和运行速度，同时也可以达到延长单片机寿命的效果。
软件的运行环境介绍
软件应在以下环境中运行：
；
硬件环境：
基于STM32的光照控制系统模块。
软件是用KEIL编写的C语言程序，并进行编译生成相应执行文件，下载到STM32F103系列单片计算机上来运行操作。
系统的调试环境是Keil公司的MDK-ARM编译平台，在该平台下利用C语言基础完成整个程序的代码编写工作。
在编译完成所有程序后，利用proteul软件进行电路仿真调试，再根据不同参数的效果对程序进行一定程度的更改，当仿真达到我们所想要的效果使，再将程序下载到STM32F103RBT6微控制器中，对实际电路进行调试，再根据实际电路的效果调整程序，直至实际电路的效果达到我们所期待的效果。
软件系统的硬件物理结构
基于STM32的光照控制系统模块中的硬件由单片计算机MCU、光照感应模块、温度感应模块、红外信号接收模块、手势感应模块、报警模块、照明模块所组成。
其物理机构图如下图所示：
图3-1系统硬件物理结构图
STM32F103微控制处理器软件系统结构
系统框架图
微控制处理器软件部分是由7个任务组成的[6]，分别是：
主任务、光照感应信号处理任务、手势感应信号处理任务、红外信号接收处理任务、温度感应信号处理任务、报警器控制任务、照明控制任务。
主控任务实现调度、控制其它的一系列相关任务；
光照感应信号处理任务是处理检测到的周围环境的光照强度，并将检测到的光照强度的信号值转换成数字信号传送到主任务；
手势感应信号处理任务负责处理感应到的外界手势信号，再转换成相应的数字型号传送到主任务；
红外信号接收处理任务则负责处理接收外界红外遥控器发射的编码信号，将信号传送给主任务；
温度感应信号处理任务是处理检测到的周围环境的温度值，再将检测到的数据值发送给主控任务；
报警器控制任务用于控制蜂鸣器，通过主任务对光照感应处理任务传来的信号，来实现对报警控制任务的自动控制；
其框架图如下图所示：
。
图3-2系统框架图
系统总的流程
当系统初始化之后，开始运行，判断周围环境光照强度是否使眼睛的舒适度达到最高，如果是，则一切正常工作，如果不是，则报警模块发出警报，并根据接收到的指令对光照模块的进行控制，及时有效的调节光照强度以及光照色调。
第四章实物设计与制作
~
本设计的主要目的是设计开发出一套智能的自动化的光照控制系统，在上述文章内容中已经阐述了整个设计的中心理论思想，实验系统的组成和硬件软件系统的结构以及功能，但是，在设计过程中所使用的理论知识能不能成功的运用到实际的产品当中来，这还是要通过实际的制作和不断的测试才能得出最终的结论。
下面这个章节就是将主要介绍产品的实际制作调试的过程。
产品功能规划
最终的智能光照控制系统应该具有以下几项主要的功能：
（1）能自动感应外界的光照强度，并与设定阈值做比较，当超出设定的范围值时通过蜂鸣器进行报警，并通过对光照模块的控制，来作出相应的调整与变化。
（2）能接收红外编码信号，并对可以按照红外信号的指示对光照进行一系列相应的调节。
（3）能对不同的手势作出不同的反应，并根据相应的指定手势调节相应的光照强度以及光照色调。
（4）能对周围环境温度进行检测，并将检测到的值显示在OLED显示屏上，再根据设定的参数更改光照色调，达到不同温度，有冷暖色调之分的效果。
根据上述这些功能需求分析所得出整个产品的功能框图如下图4-1所示，是本设计智能光照系统所需要完成的功能。
：
图4-1产品功能框图
产品硬件设计说明
在本设计的论文当中，已经在第三章中详细介绍了整个系统的各部分的硬件结构组成，并且介绍了所采用的单片机的型号以及一系列相关的电路原理图的设计构思，通过制作与调试，最终产品的硬件结构框图如图4-2所示。
图4-2整体系统硬件结构框图
（1）光照感应模块
光照感应模块是由两个部分组成的，一是GY-30光照传感器模块，二是由两个光敏电阻组成的光照检测部分，这两个部分的功能都是大同小异的，实时检测室内周围环境的光照强度，并同时将检测到的值发送给单片机模块。
之所以要采用两个部分，是为了避免当某一部分出现故障或者被遮挡时不能正常进行工作而对整个系统的功能造成相应的影响，这样子可以大大提高整个系统的工作稳定性。
其工作方式连接示意图如图4-3所示。
$
图4-3光照感应模块工作方式的示意图
（2）数据处理单元
本设计的主控MCU是来自于ST公司设计的高性能微控制处理器器STM32F103VET6，通过微控制器不仅可以处理光照感应所采集到的值、红外信号接收到的控制信号和手势感应发出的信号，还能对这些数据进行相应的分析处理，并将相应的处理指令发送给报警模块和照明模块。
使整个系统在有序、高效的环境下进行。
图4-4STM32F103VET6最小系统原理图
（3）电源模块
关于电源模块部分：
本设计采用了两个稳压模块，分别是lm7805和AMS1117，它们各自的作用是将外界输入电压转换到5V和，并且使它稳定在该值，不会产生
升级会员 