長(zhǎng)安大學(xué)　李賽楠

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基于STM32MCU的智能光控窗簾

長(zhǎng)安大學(xué)李賽楠

新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革與我國(guó)加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式形成歷史性交匯，國(guó)際產(chǎn)業(yè)分工格局正在重塑?！爸袊?guó)創(chuàng)造”就是中國(guó)版的“工業(yè)4.0”，是制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的行動(dòng)綱領(lǐng)，智能家居產(chǎn)品搭上了時(shí)代的快車飛速發(fā)展。本文介紹的智能窗簾產(chǎn)品不但實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，而且通過(guò)傳感器的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的智能化。本系統(tǒng)以STM32單片機(jī)作為核心控制器，通過(guò)采集環(huán)境光強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)窗簾的智能控制，同時(shí)，支持觸摸屏人工控制以及遙控器遠(yuǎn)程紅外控制，以滿足不同的需求，并且相比較普通開(kāi)關(guān)具有操作方便，觸摸屏具有UI界面美觀的優(yōu)點(diǎn)。

智能控制；光強(qiáng)度傳感器；遠(yuǎn)程無(wú)線遙控；TFT觸摸屏

一、引言

本文選用STM32單片機(jī)作為主控芯片，完成對(duì)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制和信息處理。單片機(jī)通過(guò)檢測(cè)外界光強(qiáng)度，控制繼電器模塊，進(jìn)而控制小型交流電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)窗簾的控制。光照強(qiáng)度可通過(guò)串口傳輸至單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理后實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)控制功能。系統(tǒng)主要由電源模塊、STM32單片機(jī)主控模塊、小型交流電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊、光強(qiáng)度傳感器模塊、觸摸屏及無(wú)線遙控模塊組成。

二、硬件電路設(shè)計(jì)與分析

圖1　總體設(shè)計(jì)流程圖

1.光強(qiáng)度傳感器CJMCU-TSL2561

采用TSL2561光照傳感器實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，該傳感器具有精度高、成本低、體積小等優(yōu)點(diǎn)。芯片內(nèi)部集成積分式AD轉(zhuǎn)換器，并且采用數(shù)字信號(hào)輸出，抗干擾能力高于同類芯片。

該傳感器將光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出，通過(guò)I2C接口輸入給單片機(jī)MCU。數(shù)字輸出表示所測(cè)量的每一個(gè)通道的發(fā)光，同時(shí)作為微處理器的輸入。在單片機(jī)中，光亮度通過(guò)相關(guān)公式得到。

2.三相電機(jī)模塊

選擇一臺(tái)小型電機(jī)作為窗簾自動(dòng)開(kāi)閉的傳動(dòng)裝置，由于市電為220V交流電，因此選用交流電機(jī)較為方便。交流電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和交流電能的相互轉(zhuǎn)換，由于交流電力系統(tǒng)的發(fā)展，也即目前電力系統(tǒng)的大力發(fā)展，交流電機(jī)的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)直流電機(jī)。另外，交流電機(jī)和直流電機(jī)相比，沒(méi)有換向器，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便。本系統(tǒng)采用220V市電供電，額定電流為0.3A，轉(zhuǎn)速為120rpm，功率約為60W的小型電機(jī)。該小型電機(jī)用高強(qiáng)度材料密封而成，并帶有鎖緊裝置。

3.電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

單片機(jī)輸出端接光電耦合器PC817，加上三極管進(jìn)行電流放大，驅(qū)動(dòng)繼電器，由繼電器控制電機(jī)即可。繼電器的作用是小功率低電壓控制大功率高電壓。另外，繼電器觸點(diǎn)上可以加RC串聯(lián)回路，抑制干擾同時(shí)使繼電器使用的時(shí)間延長(zhǎng)。

光電耦合器具有使上下級(jí)電路完全隔離的作用，相互之間不產(chǎn)生影響。輸入端加電信號(hào)時(shí)，發(fā)光器發(fā)出光線，照射在受光器上，受光器接受光線后導(dǎo)通，產(chǎn)生光電流從輸出端輸出，實(shí)現(xiàn)了“電-光-電”的轉(zhuǎn)換。而本系統(tǒng)選用的PC817光電耦合器同時(shí)起到反饋和隔離的作用，是一種常用的線性光耦。

繼電器選用RXM2AB2BD型中間繼電器，其線圈工作電壓為24V直流電，最大額定電壓為250V交流，采用紫銅線圈，機(jī)械壽命可達(dá)1000萬(wàn)次，觸點(diǎn)采用鍍金銀合金觸電，導(dǎo)電性能強(qiáng)，承載電流能力達(dá)，引腳采用鎳鎘合金，使接觸性能更好。

4.虛擬按鍵檢測(cè)模塊

本模塊采用觸摸屏虛擬按鍵，通過(guò)虛擬按鍵的操作，與普通按鍵相同，可以產(chǎn)生脈沖信號(hào)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)窗簾的立即動(dòng)作。單片機(jī)檢測(cè)到這一按鍵脈沖之后，可以控制繼電器的通斷。

5.無(wú)線遙控模塊NRF24L01

NRF24L01是一款工作在2.4～2.5GHz世界通用ISM頻段的單片無(wú)線收發(fā)器芯片，無(wú)線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器增強(qiáng)型SchockBurstTM模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器解調(diào)器，輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過(guò)SPI接口進(jìn)行設(shè)置。

工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為-6dBm時(shí)，電流消耗為9.0mA，工作在接收模式時(shí)電流消耗為12.3mA，掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低?？梢酝ㄟ^(guò)遙控器控制單片機(jī)IO口輸入信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制窗簾的效果。

NRF24l01的原理圖如圖2所示：

圖2　NRF24L01原理圖

6.電源供電模塊

交流電機(jī)以及單片機(jī)控制器都有其專門(mén)的供電插頭，接上室內(nèi)供電插座即可，而繼電器需要直流24V供電，需要設(shè)計(jì)專門(mén)的供電電路，將220V市電轉(zhuǎn)為24V直流電。

圖3　直流24V供電電路圖

選擇電阻電容降壓電路，利用電容在一定的交流信號(hào)頻率下產(chǎn)生的容抗來(lái)限制最大工作電流，選用24V的齊納穩(wěn)壓管輸出24V交流電，為繼電器供電。

三、軟件設(shè)計(jì)

1.光強(qiáng)度傳感器控制程序

STM32控制器可以通過(guò)I2C總線協(xié)議對(duì)TSL2561芯片進(jìn)行讀寫(xiě)。寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，先發(fā)送地址，接著發(fā)送要寫(xiě)的數(shù)據(jù)。寫(xiě)操作過(guò)程如下：首先發(fā)送一組地址；然后寫(xiě)命令碼，命令碼是指定接下來(lái)寫(xiě)寄存器的地址00h～0fh和寫(xiě)寄存器的方式，以字節(jié)、字或塊（幾個(gè)字）為單位進(jìn)行寫(xiě)操作；最后發(fā)送要寫(xiě)的數(shù)據(jù)，根據(jù)前面命令碼規(guī)定寫(xiě)寄存器的方式，能夠連續(xù)發(fā)送要寫(xiě)的數(shù)據(jù)，內(nèi)部寫(xiě)寄存器會(huì)自動(dòng)加1。TSL2561的軟件設(shè)計(jì)流程下圖所示。

2.中斷控制程序

當(dāng)光強(qiáng)度傳感器模塊傳來(lái)的數(shù)據(jù)并判斷正確時(shí)，中斷程序?qū)O口進(jìn)行初始化，接收來(lái)自傳感器模塊的新數(shù)據(jù)，比較判斷后傳到命令地址進(jìn)而對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

3.TFT觸摸屏顯示

TFT（ThinFilmTransistor）是指薄膜晶體管，每個(gè)液晶像素點(diǎn)都是由集成在像素點(diǎn)后面的薄膜晶體管來(lái)驅(qū)動(dòng)，從而可以做到高速度、高亮度、高對(duì)比度顯示屏幕信息。

顯示面板中自帶含有這些驅(qū)動(dòng)芯片的驅(qū)動(dòng)電路，STM32芯片通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)控制液晶屏TSC2046是專用在四線電阻屏的觸摸屏控制器，

電阻觸摸屏的基本原理為分壓，它由一層或兩層阻性材料組成，在檢測(cè)坐標(biāo)時(shí)，在阻性材料的一端接參考電壓Vref，另一端接地，形成一個(gè)沿坐標(biāo)方向的均勻電場(chǎng)。當(dāng)觸摸屏受到擠壓時(shí)，阻性材料與下層電極接觸，阻性材料被分為兩部分，因而在觸摸點(diǎn)的電壓，反映了觸摸點(diǎn)與阻性材料的Vref端的距離，而且為線性關(guān)系，而該觸點(diǎn)的電壓可由ADC測(cè)得。更改電場(chǎng)方向，以同樣的方法，可測(cè)得另一方向的坐標(biāo)。

四、總結(jié)

單片機(jī)通過(guò)讀取光強(qiáng)度傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，得到外界環(huán)境光強(qiáng)度，控制繼電器模塊，進(jìn)而控制小型交流電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)窗簾的控制。光照強(qiáng)度可通過(guò)串口傳輸至單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理后實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)控制功能。工作模式二下支持觸屏立即動(dòng)作功能，單片機(jī)通過(guò)掃描端口電平的方式得到觸摸屏的脈沖信號(hào)，控制繼電器動(dòng)作。在工作模式三下，可采用紅外遙控控制窗簾開(kāi)閉。從系統(tǒng)優(yōu)越的性能，我們可以深刻的感受到其中的智能化。

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