基于STM32的節(jié)能光照系統(tǒng)

Energy-saving lighting system based STM32

引言

低碳生活，節(jié)能減排越來越受到國家的支持，校園生活中照明用電量巨大，因此，節(jié)約校園照明用電消耗是為了響應(yīng)國家對于節(jié)能號召。普通的校園照明系統(tǒng)運用普通的聲控及光控傳感器組成開環(huán)的控制系統(tǒng)，靈活性差，功耗大，不可人為干預(yù)。市場上閉環(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。而本設(shè)計主要采用基于STM32微控制器結(jié)合CAN總線，由光線強度檢測電路和熱釋電紅外信號檢測電路組成檢測電路，通過檢測光線強度強弱和是否有人靠近，從而控制燈的開啟與關(guān)閉。系統(tǒng)具有低功耗，穩(wěn)定性強，通信距離遠，傳輸速度快，誤碼率低等特點。

1 總體方案設(shè)計

系統(tǒng)的設(shè)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總線接口模塊、光線檢測照明模塊。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總線各個節(jié)點的信息，檢測照明模塊通過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)來的信息控制照明設(shè)備。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖一：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計

2.1 控制器選型

普通設(shè)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)計的ARM Cortex-M3內(nèi)核的微控制器。本設(shè)計采用的是STM32F103型號，屬于中等容量增強型，32位基于ARM核心的帶128K字節(jié)閃存的微控制器，擁有強大的硬件資源：USB，CAN，7個定時器，2個ADC，9個通信接口。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，具有對通信數(shù)據(jù)幀處理，使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制，可在各節(jié)點之間實現(xiàn)自由通信，結(jié)構(gòu)簡單，傳輸距離遠和速率快的特點，成為應(yīng)用最廣的現(xiàn)場總線之一。

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發(fā)送性能，為CAN控制器提供差動接收性能。與普通設(shè)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(jié)點未供電時，性能有所改進，無待機模式等特點。這使得TJA1050特別適合于在部分供電網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點掉電的情況下使用。其與STM32接口電路如圖2所示。

圖二：STM32與TJA1050接口電路

2.3 PC機與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機與CAN總線通信必須在TJA1050和PC機之間加上電平轉(zhuǎn)換模塊，本設(shè)計加入的是MAX-232電平轉(zhuǎn)換芯片如圖3所示。

圖三：PC機與TJA1050接口鏈接電路

2.4 檢測照明模塊

本設(shè)計檢測電路由光線強度檢測電路和熱釋電紅外信號檢測電路組成。光線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(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，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芯片及外圍電路進行放大、濾波與延時等處理后，發(fā)送給STM32。檢測電路正常工作時，當(dāng)人體接近時，向STM32微控制器發(fā)送高電平。當(dāng)人體離開時，延時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

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。檢測電路中的光線強度檢測電路先檢測，如果光線強度較強，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。如果光線強度較弱，熱釋紅外檢測電路開始工作，當(dāng)熱釋紅外檢測電路檢測到有人經(jīng)過時，STM32微控制器控制燈的開啟。反之，燈關(guān)閉。

圖四：主流程圖

3.2 上位機

組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，是新型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)，它以標(biāo)準的工業(yè)計算機軟、硬件平臺構(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、開放性好、易于擴展、經(jīng)濟、開發(fā)周期短等優(yōu)點。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個層次結(jié)構(gòu)。

本設(shè)計通過CAN-RS-232的轉(zhuǎn)接口實現(xiàn)CAN總線與裝有OPC-Server的PC機串口進行數(shù)據(jù)交換。從而實現(xiàn)通過組態(tài)王對整個校園照明系統(tǒng)進行實時的監(jiān)控。

4 結(jié)語

本設(shè)計以STM32微控制器為核心及RS-232/CAN通信轉(zhuǎn)換器、節(jié)點以及上位機組成，實現(xiàn)了CAN通信，達到了對照明設(shè)備的可控性和閉環(huán)自身調(diào)節(jié)的目的。基于STM32微控制器通過CAN總線控制的智能照明控制系統(tǒng)具有功能強大、實時性強、穩(wěn)定可靠、便于擴展等特點，應(yīng)用前景廣泛。

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