基于STM32的智能室内光照控制系统.docx
《基于STM32的智能室内光照控制系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于STM32的智能室内光照控制系统.docx（41页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
基于STM32的智能室内光照控制系统
摘要：
进入到21世纪的时代，经济持续快速发展，人们生活的质量显著提高，“绿色健康生活”这一理念已经成为现代人的热门话题。
相对于传统的家居用品，人们更倾向于使用“智能化”、“多功能”、“自动化”的智能家居用品，其中智能家居照明系统就是典型之一。
它能有效率，方便地管理室内照明情况，不需要每次手动开关，提供了科学的管理系统，以达到减少耗能、绿色生活的目的。
基于上述情况，本人毕业设计选题是智能室内光照控制系统。
该系统以STM32F103C8T6单片机为采集和数据处理核心，通过串口通道的方式对采集的数据进行传送。
有光敏传感器和声敏传感器实时对现场环境进行数据的采集，并通过蓝牙的方式发送到另外一块辅板上，在辅板上实时对数据做出正确的反应，并且加了一个继电器去模拟窗帘的控制，使得采集到的数据更好的得以利用。
这样方便用户更科学，更节能的对室内照明进行管理。
关键词：
智能室内照明，STM32，蓝牙
IntelligentIndoorLightingControlSystemBasedonSTM32
Abstract：
Inthe21stcentury,theeconomywillcontinuetodeveloprapidly.People'squalityoflifehasimprovedsignificantly,Theconceptof"greenandhealthylife"hasbecomeahottopicformodernpeople.Comparedwithtraditionalhouseholdappliances,peopleprefertouse"intelligent","multi-functional"and"automatic"smarthouseholdappliances.Theintelligenthomelightingsystemisoneofthetypicalones.Itcaneffectivelyandconvenientlymanagetheindoorlightingwithoutanymanualswitch.Itprovidesascientificmanagementsystemtoreduceenergyconsumptionandgreenlife..
Basedontheabovesituation,thetopicofmygraduationprojectisintelligentindoorlightingcontrolsystem.Thissystemtakesstm32f103c8t6asthecoreofacquisitionanddataprocessing,Transmitthecollecteddatathroughthewayofserialportchannel.Therearephotosensitivesensorsandsoundmodulestocollectthedataofthefieldenvironmentinrealtime,AndsendittoanotherauxiliaryboardviaBluetooth.Makecorrectresponsetodatainrealtimeonauxiliaryboard.Andarelayisaddedtosimulatethecurtaincontrol,whichmakesthecollecteddatabetterused.Inthisway,itismoreconvenientforuserstomanageindoorlightingmorescientificallyandenergysaving.
Keywords:
Intelligentindoorlighting,STM32,Bluetooth
目录
1绪论 1
1.1研究背景和意义 1
1.1.1背景分析 1
1.1.2本课题的研究意义 1
1.2课题研究内容和方法 2
1.2.1研究内容 2
1.2.2研究方法 2
2系统分析 3
2.1系统总体设计 3
2.2系统需求分析 4
2.2.1智能室内照明使用现状 4
2.2.2用户需求分析 4
2.3可行性分析 5
2.3.1经济可行性分析 5
2.3.2技术可行性分析 5
2.3.3社会环境可行性分析 5
3系统硬件实现 7
3.1硬件总体设计 7
3.2STM32处理器模块 9
3.3光敏传感器模块 10
3.4声音传感器模块 11
3.5蓝牙模块 12
3.6按键模块设计 12
3.7硬件实现效果 13
4系统软件实现 14
4.1系统设计流程 14
4.2硬件初始化 14
4.2.1按键初始化 15
4.2.2串口的初始化 16
4.3主控函数 17
4.4数据的发送 19
4.5数据的接收 20
5系统调试 21
6结论 24
参考文献：
25
致谢 26
1绪论
1.1研究背景和意义
1.1.1背景分析
日新月异的信息技术发展推动着社会快速进步，智能数字调光技术逐渐成熟，并以其功能强大、操作便利、节能和可靠性高等优点逐渐替代了耗能巨大的传统模拟调光技术，有力吸引了市场消费者注意力。
作为电力能源消耗的主要来源，照明控制系统是日常生活中不可或缺的一部分，与人们的生活紧密相关,直接影响着人们日常生活的质量。
目前人们节约用电的观念还没有普遍形成而出现现存用电量经常超频的问题，传统的手动式开关控制照明系统如今已无法满足社会发展的需求了。
考虑到系统控制的稳定性及能耗、性价比等因素，本课题准备研究开发一个基于STM32的智能室内光照控制系统。
1.1.2本课题的研究意义
研发智能室内光照控制系统，人们可以科学的管理室内照明的环境，有效的减少人们的管理时间，提高办其他事情的效率。
具体为：
1）提高对照明系统的有效控制以及管理水平，减少了对照明系统的维护成本。
2）绿色环保，节约电力资源，极大提高了我们的生活层面，并且符合国家宣传的低碳生活。
3）可以延长灯具的寿命，提高灯具的耐用性，节省大量灯泡，不但减少制造成本，而且减少人工更换灯泡的工作量。
4）既然可以环保那就自然会带来美化环境的效果，改善我们的工作、生活环境，提升生活质量档次，营造出优美舒适的环境，不仅益于人们的身心健康，而且提高工作效率。
1.2课题研究内容和方法
1.2.1研究内容
本课题计划采用STM32开发板，光敏传感器和声敏传感器作为节点的采集数据，将采集到的数据通过串口通信传送到LED灯模块和继电器模拟的窗帘控制，对LED灯出现故障发出警响；除此之外，还有另一种模式，可以手动选择时间模式，通过人工设置LED灯的开关时间去控制室内照明情况，其中STM32作为主控对各个模块进行监测及控制。
目前为课题准备的设备有：
STM32开发板、LCD显示屏、LED灯、继电器、蜂鸣器、光敏传感器，声敏传感器。
1.2.2研究方法
首先，本课题项目要实现室内光照自动控制，所以需要用到STM32开发板控制，利用光敏传感器模块和声敏传感器模块，并且要收集它们采集到的数据；
其次，要预先设置好限定值（光照值以及声音值）；
再次，当前环境的光照和声音达到了限定值则自动控制灯的亮灭以及窗帘的开关；
用户可以选择时间模式，即手动设置LED灯的开关时间；
最后还要考虑系统有可能会出现故障的问题，然后本次系统模拟了出现故障时蜂鸣器会发出警响，当切断LED灯的电流时，蜂鸣器报警。
2系统分析
2.1系统总体设计
本次系统的总体设计主要有硬件设计部分和软件设计部分这两大模块。
硬件设计部分主要有STM32F103C8T6单片机，光敏传感器，声音传感器，串口，蜂鸣器，继电器组成。
软件设计部分主要由STM32的初始化设置，采集数据并且进行发送，接收，LCD屏的显示组成。
其中STM32主要通过串口通信，从光敏传感器和声音传感器上采集数据并把数据从主板上通过蓝牙发送到辅板上，从而实现根据当前环境的明暗程度以及声音值的因素，通过在辅板上的灯以及继电器模拟窗帘的灯显示出来，更好，更科学地管理室内照明灯；其次，管理员也可以通过手动设置室内照明灯的开关时间。
系统整体架构图如图2-1所示。
图2-1系统整体架构图
2.2系统需求分析
2.2.1智能室内照明使用现状
依托网络技术及通讯技术的发展，华为、小米等大品牌企业提出了数字化家居这一概念，并研发了一系列数字化家居产品。
数字化家居作为集人类通讯、网络、建材、安放、家居等行业发展于一体的智能化产品，受到市场各大行业的青睐，而智能照明作为数字化家居的其中之一，也逐渐被企业重视起来。
智能照明产品已开始在我国范围内广泛试用，其高效的照明效率、极低的电力损耗、简单便捷的操作、轻松的管理等优点，给人们生活带来便利的同时，也更加符合社会发展的实际需求，大幅降低人力成本和财力资源。
目前智能照明市场还处于萌芽阶段，消费市场比较有限，多数消费者对这种新型技术产品还处于观望状态。
但从种种的社会迹象综合分析，通讯技术、网络技术的发展，生活水平的提高，传媒业的飞速发展和高度结合，都将推动更多的消费者购买使用智能照明系统产品。
2.2.2用户需求分析
对于智能室内照明控制，用户需求基本分析如下：
（1）光照控制：
根据当前环境的明暗程度自动控制灯的亮灭。
（2）声音控制：
能够根据当前声音值的大小自动控制灯的亮灭。
（3）报警：
当灯出现故障的时候，蜂鸣器能够发出响声提示用户。
（4）手动设置：
除了自动模式，应该有手动设置灯的开关时间。
（5）节省人力物力资源，便于更好的管理。
因此，系统要实现的主要功能内容应包括：
光敏传感器和声音传感器的数据采集，模数转换的处理，故障报警，按键设置。
为了实现以上功能，初步确定本次系统设计将采用STM32F103C8T6单片机作为主要的控制核心，以实现用户需求分析的基本功能。
2.3可行性分析
2.3.1经济可行性分析
在当今社会发展中，而且是在2020年我国全面建成小康社会的步伐下，人们的生活水平逐渐提高，消费能力比以往大幅上涨。
并且本次系统运用单片机，一些传感器模块，选取模块成本低，实现的功能可以让人们更好地去管理室内照明的情况。
除此之外，国家倡导和鼓励企业投资智能照明技术行业，使得一些中小型企业蓬勃发展，有国家经济的支持，把智能照明技术放入市场，推进到每家每户，让智能照明技术的发展市场前景往越来越良好的方向发展。
利用低成本的模块实现可行的功能，实现经济利益最大化，使得每家每户都可以买得起，享用得起。
2.3.2技术可行性分析
以STM32F103C8T6为核心设计出来的智能室内照明系统能够有效率的，节能方便地控制室内的照明情况。
利用光敏传感器和声音传感器进行数据的采集，把采集到的数据发送到STM32开发板上，它实现当前环境的模拟量以电流形式输出，再通过蓝牙的方式把主板输出的电流信号变成能与单片机正常输入输出的电平。
这样就能科学有效的进行控制，而且这些开发板和两个传感器都是电路逻辑简洁，编程难度不高，技术含量中等的一些模块。
并不会耗费人力物力资源
综合上述，我认为以STM32F103C8T6开发板为核心，光敏传感器，声敏传感器作为采集数据设计出来的智能室内照明系统是具有可行性的。
2.3.3社会环境可行性分析
作为国家经济发展的命脉，电力系统无论在国家运行还是人们日常生活中都是不可或缺的重要运行系统。
尽管我国一直致力于发展电力事业，通过大力建设水电、火电等传统电站，以及研发利用核能、风能、太阳能、潮汐能等新型能源，全力保障社会生产发展的需求，但根据目前国家的实际情况来看，我国的电力能源仅仅处于能够自给自足的阶段，但是电能资源浪费和耗损的问题依然相当严重。
所以本课题研究的智能室内照明系统可以很好的解决上述电能资源浪费和耗损的问题，它能做到“人走灯灭”的效果，尽可能的减少电力能源的损耗。
而且当今我们国家倡导绿色健康生活，本课题研究的智能室内照明系统完全符合国家提倡的绿色生活。
综上所述，从经济层面上，技术层面上以及社会环境层面上各个方面的综合考虑，本系统的设计与实现是完全可行的。
3系统硬件实现
3.1硬件总体设计
硬件部份包含功能模块分别是：
主板：
一个STM32F103C8T6单片机、光敏传感器、声音传感器、LCD1602显示器、独立按键、无线蓝牙收发器。
主要是实现通过传感器采集数据，可以在时间模式下按键设置开关灯时间，在LCD屏上显示具体的数据的功能，通过蓝牙发送数据到辅板上。
图3-1主板系统总体接线图
辅板：
一个STM32F103C8T6单片机、LCD1602显示器、LED灯、蜂鸣器组合声光报警器、独立按键、无线蓝牙收发器。
主要实现根据当前环境的明暗程度LED亮灭以及模拟窗帘的开关，当产生故障的时候，蜂鸣器发出警报，在LCD屏上显示具体的数据的功能，通过蓝牙接收主板发送过来的数据。
然后将一个个硬件模块线连成整一个硬件设计部分。
图3-2辅板系统总体接线图
3.2STM32处理器模块
STM32的字面含义是：
ST是一家公司的名称，是SOC厂商，M表示的是微控制器，32的意思是这是一个32bit的微控制器。
根据STM32F1系列的单片机Flash大小，将其划分成大小不同容量的产品，有小容量型16~32K，中等容量型64~128K，大容量型256~512K三种。
现今的STM32开发板与传统使用的51单片机比较，前者拥有更强大的性能，并且在成本和消耗方面也比较理想。
STM32使用的RISC精简指令集与传统的8位或者16位嵌入式单片机相比它拥有更高的代码运行效率和更大的Flash空间，其Flash不仅可以存储数据而且也可以储存程序，除此之外，STM32还拥有68KB的嵌入式SRAM，可以与CPU的时钟频率同步来进行读写数据的操作，并且STM32还有一个更好的优点，那就是可以兼容市面上所有的ARM工具和软件。
本课题使用到的具体型号是STM32F103C8T6，如图3-3所示，主板芯片共有40个引脚，本次设计主要使用到了其中的GPIO引脚与各传感器模块进行数据通信。
图3-3主板主控芯片引脚图
其中主板芯片的VCC引脚主要提供了整个开发板与其他传感器模块之间的供电，PA1引脚连接到声音传感器的数据位YY引脚，PA2引脚连接到光敏传感器的数据位GZ引脚，PA9-10引脚用作蓝牙的通信接口，PB4-5和PB12-13引脚连接到按键位。
辅板芯片如图3-4所示，与主板的型号一样，其中PB4-5引脚连接按键位，PA9-10引脚用作蓝牙的通信接口，PB1引脚连接LED灯，PC13引脚连接蜂鸣器，PB0和PA4引脚连接模拟窗帘的继电器，PA8，PA11-12和PB6-9引脚连接LCD屏。
图3-4辅板主控芯片引脚图
3.3光敏传感器模块
光敏传感器是生活中很常见的一种传感器，它种类繁多，且价格便宜，制作成本也低，接入方便且易操作，因此在生活中很多方面都能得到应用。
特别是对于远程控制的照明系统，它能够灵敏的实现远程自动控制。
其工作原理是光-电信号的转换，光敏传感器利用自身的光敏元件实现光信号转电信号，它的光主要分为红外线光和紫外线光。
通过简单的电子线路进行放大的处理，光敏电阻就能够灵敏的感应当前环境光线明暗的变化，使得它可以输出微弱的电信号。
生活中我们用到的自动控制开关的LED灯具就是使用了光敏传感器中的光敏电阻。
而我们需要处理的就是这种电信号，从而实现控制LED灯具。
本次系统设计的光敏传感器接入主板STM32开发板的通信接口是GZ引脚，如图3-5所示。
图3-5光敏传感器连接图
3.4声音传感器模块
声音传感器又可称为声敏传感器。
顾名思义它肯定用来接收声音的，然后就会产生声波，对声波进行处理就可以显示出声音的振动图像，我们可以把声敏传感器理解为生活中用到的话筒，所以这种传感器也是会普遍应用在我们的生活中。
声音传感器中最主要的器件就是电容式驻极体话筒，它对声音非常敏感。
只要话筒周围有声音就会产生声波，然后就会振动话筒内的驻极体薄膜，在震动的过程中会使得电容发生变化，那么伴随着也会有产生微小电压的变化。
所以这种电压就是转化成的0-5V的电压，而我们需要真正传送到STM32开发板上的是经过了A/D转换之后的数据，因为开发板只接收经过A/D转换成的数据。
本次系统设计的声音传感器接入主板STM32开发板的通信接口是YY引脚，如图3-6所示。
图3-6声音传感器连接图示
3.5蓝牙模块
型号为HC-05的蓝牙是一款不仅仅可以进行无线通信，而且还能连接微控制器或者其他设备的串口转换器。
它的串口是主从一体的，换句通俗易懂的话表达就是当有一台蓝牙设备和另外一台蓝牙设备进行配对并且连接成功后，这两台配对连接成功的设备就会占用同一个串口通道使用，当其中一台设备开始发送数据就会进入这个串口通道中，另一台设备就可以从串口通道中进行数据的接收了。
这款型号的蓝牙它可以在双向（全双工）无线的功能下进行工作，本次系统设计的蓝牙HC-05与开发板STM32的连接主要是通过Tx和Rx引脚进行连接通信。
因为它支持标准的AT命令，所以必须在设备启动，通过打开模块的时候，钥匙销才会被拉低，此时用户才可以进入特殊的命令模式。
否则设备启动后在没有人工操作下自动进入数据模式，打开以后就可以与其他的设备进行无线通信了。
在配对连接成功后，数据就会被蓝牙HC-05传输并且转换成串行流，那么该串行流会被模块连接的微控制器读取，并以相反的方式进行数据的发送。
本次系统设计的蓝牙模块和主板STM32开发板的通信接口是Tx和Rx引脚，如图3-7所示。
图3-7蓝牙模块连接图示
3.6按键模块设计
如图3-8所示，按键K1与主板PB13引脚连接，按键K2与主板PB4引脚连接，按键K3与主板PB5引脚连接，按键K4与主板PB12引脚连接。
图3-8STM32F103C8T6和按键连线图
3.7硬件实现效果
最终硬件系统搭建完成的实物图如图3-9所示。
图3-9硬件系统实物图
4系统软件实现
4.1系统设计流程
系统的软件设计流程图如图4-1所示：
图4-1系统总体流程图
4.2硬件初始化
硬件的初始化主要包括串口的设置和GPIO的的设置，使致于能正常的获取从传感器采集来的数据并发送给开发板处理。
其中USART_Config（）函数串口初始化为9600；中断优先级NVIC设置，使得NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=0,先占优先级0级；按键IO的初始化函数是KEY_Init（）；通用定时器3中断初始化函数是TIM3_Int_Init（）函数；还有串口中断服务DEBUG_USART_IRQHandler（）。
另外还需要对各个传感器模块进行配置。
4.2.1按键初始化
把按键key0和key1设置成上拉输入。
在按键处理函数中，有响应优先级之分，并且每个按键的响应优先级的顺序为KEY0>KEY1>KEY2>KEY3。
按键初始化及识别代码如下所示：
4.2.2串口的初始化
在文件usart.c中添加了配置和操作串口的一些函数，例如USART_Config函数是UART初始化函数。
NVIC_Configuration（）函数中对串口中断优先级进行配置，使能串口接收中断函数USART_ITConfig（），用于向串口发送数据，和开发板之间的通信就是利用了USART_SendData（）函数。
串口相关代码如下所示：
4.3主控函数
设置一个main程序为主程序，作为模块的框架程序，调用功能函数实现模块功能。
首先判断按键key3是否有按下，如果按下就是时间模式mode_T=1，否则就是传感器模式mode_T=0。
当用户没有按下key3系统处于传感器模式时，判断光敏传感器采集到的数据值是否小于或者大于设置值，是则改变状态指falg_biaozhi；当声敏传感器采集到的数据超过设置值，那么把声控标志flag_SY置1，同样的需要改变状态值falg_biaozhi；如果是按下key3则是时间模式，那么就判断获取按键设置的开关时间值，并且改变状态值falg_biaozhi。
那么这个状态值会通过蓝牙发送到辅板上，在辅板上会对这个状态值进行处理，它的变化控制着辅板上LED灯以及窗帘的开关。
控制代码实现：
if（time>20）
{
time=0;
if（flag_SY==1）//声控标志
{
SY_num++;
if（SY_num>=20）
{
SY_num=0;
flag_SY=0;
}
}
//定时
USART_SendData（DEBUG_USARTx,falg_biaozhi）;//发送1个字节
}
Key（）;//按键检测程序
if（KEY3==0）
{
GPIO_SetBits（GPIOC,GPIO_Pin_13）;//PB.6输gao
mode_T=1;//时间模式
}
else
{
GPIO_ResetBits（GPIOC,GPIO_Pin_13）;//PB.6输出低
mode_T=0;//传感器模式
}
if（WENDU1 {
//flag_CL=1;//开窗帘
falg_biaozhi=falg_biaozhi&0xf0;
falg_biaozhi=falg_biaozhi|0x01;
}
else
{
//flag_CL=0;//关窗帘
falg_biaozhi=falg_biaozhi&0xf0;
//falg_biaozhi=falg_biaozhi|0x01;
}
if（mode_T==1）//时间模式
{//关灯时间6点开灯时间18点
if（（tt[3]>=WARNING_B）&&（tt[3] {
//flag_LED=0;//6点与18点之间是关灯
falg_biaozhi=falg_biaozhi&0x0f;
}
else
{
//flag_LED=1;//其余时间开灯
falg_biaozhi=falg_biaozhi&0x0f;
falg_biaozhi=falg_biaozhi|0x10;
}
}
else//传感器模式
{
升级会员 