葉偉光

廣州大學機械與電氣工程學院，廣東 廣州 510006

0 引言

隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，發(fā)達城市的辦公大廈較多，辦公室更是數(shù)不勝數(shù)，但也由此引發(fā)了過度照明、浪費電能的現(xiàn)象。不管辦公室是否有人，照明燈光常亮不熄，造成了極大的能源浪費。因此，如何提高我國辦公室用電效率成為目前首要考慮的問題，亟待解決[1]。當前，我國已經(jīng)將照明節(jié)能技術(shù)應用于辦公室照明。但是我國辦公室燈光的控制現(xiàn)狀表明，整體智能化水平仍較低，辦公室的用電模式依然比較傳統(tǒng)，即主要采用人工管理模式，我國自動化技術(shù)和智能化水平仍有待提高，同時辦公室燈光的管理也應該朝著自動化和智能化方向快速發(fā)展，以提升其便利性。為此，文章開發(fā)了一款實用性強、價值性高的基于STM32的辦公室照明節(jié)能系統(tǒng)。

1 智能照明國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀80年代，美國照明行業(yè)開始興起并逐漸發(fā)展。隨著計算機、通信和自動化技術(shù)在全球范圍內(nèi)的廣泛應用，其技術(shù)不斷走向成熟，使全世界民眾的生活和工作發(fā)生了翻天覆地的變化，照明行業(yè)也發(fā)生了巨大變革。21世紀，現(xiàn)代化發(fā)展更加迅速，一大批新產(chǎn)品和新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，使照明技術(shù)逐漸向一體化、自動化、智能化的方向發(fā)展[2]。隨著智能照明技術(shù)的蓬勃發(fā)展，不僅國外涌現(xiàn)了許多行業(yè)內(nèi)的著名企業(yè)，我國很多企業(yè)也發(fā)展迅速，生產(chǎn)了較多智能燈光照明產(chǎn)品，如上海奇勝綜合多種自動化通信技術(shù)，實現(xiàn)了較高水平的燈光控制。智能照明企業(yè)的發(fā)展豐富了我國燈光照明智能產(chǎn)品，改變了人們的生活。特別是隨著計算機技術(shù)的蓬勃發(fā)展，提高了處理器的運行速度和可靠性，從而使智能照明產(chǎn)品更加智能和可靠，更加適應人們的需求。

2 辦公室照明節(jié)能系統(tǒng)控制方案

2.1 整體方案

基于STM32 F103系列的辦公室照明節(jié)能系統(tǒng)以辦公室內(nèi)光的強弱大小程度和辦公室內(nèi)是否有人存在作為開燈和關(guān)燈的主要衡量指標。

（1）當辦公室的光強度較大時，無論辦公室是否有人，系統(tǒng)控制辦公室的燈均處于關(guān)閉狀態(tài)；

（2）當辦公室的光強度較小，有人存在且超過一定時間時，系統(tǒng)控制辦公室的燈處于打開狀態(tài)，直至辦公室的人離開；在一定延時后，系統(tǒng)控制辦公室的燈處于關(guān)閉狀態(tài)，從而解決辦公室在各種不同情況下燈光照明不合理等問題。

該系統(tǒng)主要由硬件和軟件2部分綜合設計而成。良好的硬件是系統(tǒng)正常運行的前提，也是保證系統(tǒng)可靠性的基礎，而且為軟件的正常運行提供了良好的平臺。良好的軟件則是在微控制器中，通過硬件采集得到信號，進行分析并輸出，通過處理后實現(xiàn)用戶所需求的各項功能。

2.2 硬件設計

硬件設計需要考慮實際情況。結(jié)合實際情況，可知辦公室的實際環(huán)境復雜，對硬件指標的影響因素較多。例如，光線感應模塊電路因為環(huán)境溫度變化的影響將產(chǎn)生誤差，因此在整體基于STM32 F103系列的辦公室照明節(jié)能系統(tǒng)設計的過程中，在器件選型時應注意抗干擾。同時，在選用各種電子器件時，需充分考慮環(huán)境的影響，判斷是否需要額外搭建抗干擾的電路，從而提升該系統(tǒng)的硬件抗干擾能力。

該系統(tǒng)采用熱釋紅外人體傳感器，當運動的人體通過時，該傳感器采集相應信息，轉(zhuǎn)化為電壓信號，配合放大電路將信號放大，可以檢測在一定范圍內(nèi)是否存在人體，所采用的傳感器探測人體輻射，功耗小，價格便宜。采用光敏三極管構(gòu)成的電路檢測周圍環(huán)境光照的強度，隨著光照的強弱變化，判斷是否開燈或者關(guān)燈。光照強度越大，則電流越大。使用光敏三極管需注意采光點的選取，因為辦公室并非每一處的亮度均相同，所以應該進行多點采集。

（1）熱釋紅外人體傳感器。熱釋紅外人體傳感器廣泛應用于電子防盜領(lǐng)域，經(jīng)過近些年的研發(fā)和探索，防盜效果已經(jīng)顯著提升。另外，熱釋紅外人體傳感器在人體探測器領(lǐng)域的應用也備受重視，其具有成本低、運行穩(wěn)定等優(yōu)勢，受到業(yè)界的認可。

紅外感應源一般使用熱釋電元件，因此需要了解熱釋電元件的工作原理，這是制作該系統(tǒng)的前提條件。需要注意的是，紅外線熱釋電人體傳感器必須安裝在室內(nèi)相對穩(wěn)定的環(huán)境中，而且為了降低誤報的概率，需嚴格把控其安置的位置、方式等。實際安裝時，首先，紅外線熱釋電傳感器應與地面保持一定的距離，通常為2.0～2.2 m，以便更好地發(fā)揮其作用。其次，熱釋紅外人體傳感器的安裝應該遠離空調(diào)、冰箱、微波爐等容易產(chǎn)生溫度變化的設備，避免誤報。再次，紅外線熱釋電傳感器探測范圍內(nèi)避免有家具、盆栽、屏風等隔離物體，以免影響效果。最后，紅外線熱釋電傳感器不能直接對準窗口，以免窗口的熱氣流以及人員流動對其正常運轉(zhuǎn)產(chǎn)生不良影響。

紅外線熱釋電傳感器的使用效果和人的運動方向也有非常直接的關(guān)系，其對于徑向運動的敏感程度較低，而對于橫向運動敏感程度較高。因此，在現(xiàn)場安裝時，應當考慮人員的運動方向，以提升傳感器的探測效果。

（2）光敏三極管。光敏三極管和普通三極管具有一致性，均可以放大電流，但是光敏三極管的集電極電流不僅由基極控制，還受光輻射的影響。對于光敏三極管而言，通?；鶚O不引出，但是某些特殊光敏三極管有基極引出，作用有實現(xiàn)溫度補償、實現(xiàn)附加控制。

光敏三極管又被稱為光電三極管和光電晶體管。在工程領(lǐng)域中使用光傳感器時，需要對光照進行操作，因此光敏三極管應用十分廣泛，比如對光照進行采集和檢測、實現(xiàn)信號通信或者電氣隔離。因為光敏三極管的實際使用效果較好，所以將其應用于自動化設備可以提高生產(chǎn)效率，實現(xiàn)更多的產(chǎn)出。因此，光敏三極管逐漸成為社會發(fā)展中重要的電子元件之一。光敏三極管的工作原理是通過P-N結(jié)，原因是P-N結(jié)的特性和結(jié)構(gòu)使其在接收光照的同時，將光能轉(zhuǎn)換為電能。同時，將光敏三極管加上反向電壓，特別是管內(nèi)會形成反向電流，反向電流的大小和強弱隨著P-N結(jié)接受的光照強度的變化而變化，即照射P-N結(jié)的光照強度越大，管內(nèi)的反向電流越大。實際上，大多數(shù)光敏三極管工作在上述狀態(tài)。

光敏三極管不同于普通三極管之處在于光電流。P-N結(jié)在受到光的照射時，內(nèi)部的電子定向移動，形成光電流，這是光敏三極管十分重要的特性。根據(jù)制成材料的不同，光敏三極管的光譜特性存在一定差異。一般來說，三極管比二極管具有更強大的光電流放大能力，敏感性更高。光敏三極管與普通三極管在結(jié)構(gòu)上也有一定的區(qū)別，最顯著的區(qū)別是光敏三極管在結(jié)構(gòu)上需要有一個光敏感的P-N結(jié)，以此接收光輻射。在制作工藝上，光敏三極管與普通三極管一致，具有NPN或PNP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。光敏三極管在結(jié)構(gòu)上與半導體三極管大致相同，均具有2個電極，個別類型具有3個電極。為了提升光電轉(zhuǎn)換的效果，基區(qū)面積會適當擴大，另外會適當縮小發(fā)射區(qū)面積，方便接收入射光。

2.3 軟件設計

因為硬件和軟件具有密切的結(jié)合關(guān)系，是一個統(tǒng)一的整體，所以在設計過程中需要確保硬件結(jié)構(gòu)和細節(jié)電路的正確性，以便結(jié)合相對應的系統(tǒng)程序軟件。該系統(tǒng)軟件采用模塊化和結(jié)構(gòu)化的設計思路。首先編制好主要程序，然后在設計各個子程序時分別對每個小模塊進行設計、編程和調(diào)試。該系統(tǒng)軟件模塊主要包括系統(tǒng)監(jiān)控主程序模塊子程序、數(shù)據(jù)感應模塊子程序、照明燈光子程序模塊等。

3 結(jié)束語

文章所設計的基于STM32系列的辦公室照明節(jié)能系統(tǒng)具有軟硬件設計簡單、容易開發(fā)、安全可靠、操作方便、性價比高等優(yōu)點。該系統(tǒng)主要可應用于辦公室照明，具有一定的實用價值[3]。但是，該系統(tǒng)自身還存在一定的不足，其智能性有待進一步提升，從而為辦公室照明節(jié)能系統(tǒng)的普及打下堅實基礎。