李文杰，脫慧

（陜西理工大學，陜西 漢中 723001）

1 緒論

由于人類物質(zhì)生活的提升，對能源的需求與利用也在增長。當前，我國實現(xiàn)節(jié)能減排目標面臨的形勢十分嚴峻。煤價高位運行、電煤緊缺等局面造成了我國部分地區(qū)還存在電力供需緊張的情況。為積極響應(yīng)國家政策，實現(xiàn)智能節(jié)能減排，高校教室應(yīng)杜絕“長明燈”的現(xiàn)象，通過智能控制、智慧系統(tǒng)等措施降低對電能的浪費。

為此，本文設(shè)計了一種基于STM32微處理器的教室智能照明系統(tǒng)，通過對進出教室人數(shù)的統(tǒng)計及光線強度的檢測，實現(xiàn)教室燈光的智能與合理化開啟與關(guān)閉。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)方案

本設(shè)計以STM32F103ZET6單片機為核心控制器，加上其他的模塊一起組成教室智能照明的整個系統(tǒng)。其中包含中控部分、輸入部分和輸出部分。系統(tǒng)輸入由五部分組成，第一部分是兩路紅外對管模塊，通過該模塊可檢測當前教室的人數(shù)；第二部分是光照傳感器組成的光照檢測模塊，通過該模塊可檢測當前的光照值；第三部分是DS1302時鐘模塊，通過該模塊可檢測時間；第四部分是獨立按鍵，通過六個獨立按鍵切換界面、設(shè)置時間、開燈和切換模式；第五部分是供電電路，給整個系統(tǒng)進行供電。系統(tǒng)輸出部分包括LCD1602顯示和LED指示燈，利用LCD1602來顯示教室當前人數(shù)、光照強度值、時間等信息，LED指示燈模擬教室里的燈光。

（1）系統(tǒng)總體框圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

（2）模塊功能介紹。

①人數(shù)與光照檢測。通過人數(shù)和光照的檢查結(jié)果，綜合判斷來實現(xiàn)教室里燈光的亮滅（圖2）。

圖2 人數(shù)與光照檢測框圖

②進出人數(shù)的檢測。通過兩個紅外對管來檢測教室里人員的進出情況，根據(jù)人員的進出變化實時控制燈光的亮滅，實現(xiàn)高效照明。

③顯示。通過輸入模塊的采集，將光照參數(shù)、時間星期、教室人數(shù)等關(guān)鍵信息顯示出來，方便管理員管理與統(tǒng)籌（圖3）。

圖3 顯示模塊

2.2 硬件組成及框圖

系統(tǒng)硬件主要由STM32單片機最小系統(tǒng)、電源電路、時鐘電路、按鍵電路、LCD1602顯示電路、傳感器電路組成。

圖4為系統(tǒng)供電電路，VCC為+5V，提供STM32及各個硬件模塊的電流需求。

圖4 系統(tǒng)供電電路圖

圖5為紅外對管模塊接口電路。它有3個引腳，分別為電源、地和輸入/輸出；采用兩對紅外對管的目的是可實現(xiàn)教室人員進、出雙向檢測。

圖5 紅外對管接口電路

圖6為時鐘電路。采用DS1302來實現(xiàn)，以提供系統(tǒng)的時間基準，能夠更加精準地計算出需要顯示的時間參數(shù)。

圖6 時鐘電路

圖7為LCD1602顯示屏接口電路。LCD1602是一種工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16×2，即32個字符。LCD1602液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進行控制，即可以顯示出圖形。

圖7 LCD1602接口電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件主程序流程圖

系統(tǒng)主控制程序流程圖如圖8所示。首先，對顯示相關(guān)的I/O口、LCD1602、時鐘模塊DS1302等模塊進行初始化。隨后進入主循環(huán)。在主循環(huán)中，首先進入第一個函數(shù)按鍵函數(shù)，該函數(shù)主要分為兩部分，第一部分為調(diào)用按鍵掃描函數(shù)獲取鍵值，第二部分通過鍵值進行相應(yīng)的處理操作。比如，切換界面、手動開燈、調(diào)整時間、切換模式等；接著進入第二個函數(shù)監(jiān)測函數(shù)，該函數(shù)主要通過光照檢測模塊獲取當前的光照值；之后進入第三個函數(shù)顯示函數(shù)，該函數(shù)通過不同的顯示標志位顯示不同的界面，包括主界面顯示當前的時間、光照值和人數(shù)，其他界面顯示調(diào)整時間、切換模式等；最后，進入第四個函數(shù)處理函數(shù)，該函數(shù)主要根據(jù)當前的人數(shù)、時間和光照值選擇開燈和開燈個數(shù)。最后，通過一個延時函數(shù)和計數(shù)公式，限制各函數(shù)掃描時間。

圖8 主控制程序流程圖

3.2 顯示程序流程圖

系統(tǒng)顯示程序流程圖如圖9所示。通過不同的顯示標志位顯示不同的界面，界面為0時，顯示當前的時間、光照強度、人數(shù)；界面為1-7時，顯示設(shè)置的年月日時分秒星期。

圖9 顯示程序流程圖

3.3 軟件編譯環(huán)境

此設(shè)計中使用的編程環(huán)境為Keil5，它比其他軟件編程環(huán)境更輕、更快，更易于操作，并且深受嵌入式軟件開發(fā)人員的歡迎。ST官方提供了各種芯片的支持包，包括51單片機、STM32、HC32、NXP等，可生成可通過刻錄器直接燒錄到單片機的HEX文件，這非常方便。此外，Keil5編譯有三種方式，給開發(fā)人員更多的選擇，編譯結(jié)果顯示在界面的底部，供開發(fā)人員查找Bug。

4 系統(tǒng)測試

本設(shè)計以四盞LED指示燈模擬教室燈光進行測試，進出教室的人數(shù)和教室燈光點亮與熄滅數(shù)量的閾值設(shè)定旨在說明設(shè)計的可行性與合理性。圖10為教室智能照明系統(tǒng)實物圖及系統(tǒng)輸出顯示界面。

圖10 系統(tǒng)硬件實物圖及系統(tǒng)顯示界面

在光照強度大于50時，此時認為室內(nèi)光線充足，無須開燈，與教室人數(shù)無關(guān)。當光照強度低于50時，此時，認為室內(nèi)光線陰暗，應(yīng)開燈進行補光；當教室人數(shù)為0時不開燈，少于等于10人時點亮一盞燈；每增加10人，便亮起一盞燈，人數(shù)超過40人時四盞燈全部點亮。

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一種基于STM32微處理器的教室智能照明系統(tǒng)，通過對進出教室人數(shù)的統(tǒng)計及光線強度的檢測，實現(xiàn)教室燈光的智能與合理化開啟與關(guān)閉。有效地發(fā)揮了節(jié)約用電的作用，為響應(yīng)國家節(jié)能減排政策，實現(xiàn)智能節(jié)能減排做出了一定貢獻。