基于ARM單片機的室內照明控制系統設計

呂 行 王曉麗

（吉林建筑大學，長春 130000）

基于ARM單片機的室內照明控制系統設計

呂 行 王曉麗

（吉林建筑大學，長春 130000）

本設計基于STM32F103ZET6單片機開發板，通過控制步進電動機來調節窗簾百葉的開合大小，進而控制自然光的進光量，并輔以電光源來達到合理的室內照明條件。這不僅滿足人對光環境的要求，而且達到節能減排的目的。

單片機 智能家居 智能窗簾 光控

隨著建筑智能化的概念逐漸深入人心，人們節約能源的意識日益加強。而隨著社會的不斷發展，人們對建筑智能化的要求不斷提高，在節約能源的前提下，要求實現更加舒適、設備自動化的工作生活環境。從穴居人的山洞到現代化的高樓大廈，無論人類設計出多么優秀的燈具，也不能代替太陽光對人類的影響。國際上很多優秀的建筑設計作品都是恰當地引用自然光來營造柔和、自然的室內環境。隨著嵌入式單片機的功能日益強大，運算速度、控制功能和可移植性的極大提高，我們可以完成更具自動化，使生活更加便捷的設計作品。本設計通過調節窗簾百葉開合量來控制自然光的進光量，并配合燈具的使用，使室內光環境達到舒適程度，同時實現能源的合理分配，減少資源浪費。

1 設計原理

本系統的結構圖如圖1所示，分為GY-30光照度傳感器、STM32嵌入式單片機、步進式單片機、窗簾百葉、照明燈組等幾大部分。GY-30照度傳感器感應室內工作臺面照度，在日照良好的白天時，我國規定的辦公室或教室的照度要求最低標準為300lx，正常照度應為500lx，此處以500lx為標準。當照度低于450lx時，照度傳感器發送相應數值給STM32單片機處理器，處理器根據多次接收結果，計算平均數，取其結果，以500lx照度為限做出判斷。如果低于500lx，則向步進電動機發出信號，使百葉窗調大一定的開合度；如果高于500lx則相反，百葉窗的開合度調低一定程度。單片機標定照度為450lx至550lx時為正常使用照度，不多做處理。當傍晚、陰天或夜晚自然光照度明顯達不到正常工作照度時，即STM32單片機多次接收結果達不到正常工作照度，且窗簾百葉已開到最大時，單片機做出判斷并發出指令，打開室內照明燈組，以維持正常工作照度。

圖1 系統流程圖

2 電路設計

控制器采用ARM 32位嵌入式微處理器，是系統的核心，開發板以STM32F103ZET6為主要芯片，用它實現對采集的數據進行運算、分析、處理。主要模塊有：GY-30光照度傳感器、42步進電動機及其驅動器、室內照明光源（以發光二極管代替）及其所需控制開關的繼電器。

數字光強度檢測模塊GY-30采用ROHM原裝BH1750FVI芯片供電電源，3～5v光照度范圍，省略標定，不區分環境光源，接近視覺靈敏度的分光特性，可對廣泛的亮度進行1勒克斯的高精度測定。通訊方式為IIC串口通訊，因此，只需要五個接口就可以完成設置，VCC與GND分別接單片機電源的正極和負極。ADDR需要串接100kΩ的電阻與VCC或GND相連，這是設置IIC通訊時設備的地址，不同設置軟件寫入時的地址是不同的，本設計ADDR與GND相連。SCL和SDA為IIC通訊的接口，分別連接開發板的PA9和PA10IO口。

對百葉窗的驅動模塊選擇42式步進電動機，其具有輸出轉矩大、溫升低、可靠性高的特點，具有良好的內部阻尼特性，運行平穩且無明顯震蕩區。由于單片機無法達到步進電動機的驅動電壓，所以需要配合一個步進電動機的驅動器。連接方法為：設置4個GPIO的單片機接口，設為推挽輸出即可，分別連接驅動器的輸入端。為了使電動機獲得較大的輸出扭矩，可以舍去兩個中線的使用，四個端線依次接到驅動器的輸出端即可。控制IO口依高低電平給電即可實現運轉。

照明部分以二極管模擬實際照明燈組，當百葉開到最大仍不能滿足實際用光量時，單片機發出信號，通過繼電器打開發光二極管，繼電器選用的型號為HJR-4102-L-05V，采用的接線方式如圖2所示。

圖2 系統接線圖

3 程序設計

開發板對BH1750FVI進行控制時，首先要對STM32的外設接口進行設置，由于STM32的串口功能非常強大，因此，設置過程相對較為復雜，重要包括以下步驟：第一，串口時鐘使能，GPIO時鐘使能，并復位串口；第二，GPIO端口模式設置，此處有波特率、傳輸字長、奇偶校驗位、收發模式等設置；第三，串口參數初始化，開啟中斷并且初始化NVIC，使能串口。

BH1750的通訊分為起始信號、停止信號、應答信號、讀取信息等幾部分，各信號代碼如下。

3.1 起始信號的代碼

3.2 應答信號的代碼

3.3 讀取信息的代碼把端口還原為推挽輸出

接收到串口發來的光強度值存儲在BUF中，經過二進制轉十進制計算后，十進制的計算結果存在temp中。對應不同的照度值，單片機指導步進電動機進行不同的動作，其主要代碼如下：

圖3 光傳感器與電腦通信結果

4 實驗結果

數據采集系統的光強度傳感器與主芯片相連，如圖3所示，串口通訊助手可以實時顯示出光照強度。根據事先設定的照度需求標準，單片機進行判斷，并發出指令，對窗簾百葉進行調整。由于STM32F103ZET6具有16個ADC和多個IIC接口，所以可以連接多個傳感器，擴大感應和控制范圍。同理，對軟件控制程序，通過增加程序中相應的處理事件，可以快速升級系統。

5 結語

基于ARM單片機的室內照明控制系統設計，以STM32F1 03ZET6為控制芯片，通過調節窗簾百葉開合量來控制自然光的進光量，并配合燈具的使用，使室內光環境達到舒適程度，以實現能源的合理分配，減少資源浪費。

[1]熊建橋，薛飆，馬遠，等.擬“向日葵”感光式智能窗簾系統設計[J].機電產品開發與創新，2014，（1）：28-30.

[2]蘇騰云，劉玉良，姚齊國，等.基于單片機和手機短信的窗簾智能遙控系統[J].福建電腦，2012，（2）：27-28.

[3]萬大平.數控加工仿真教學系統的研究與開發[D].重慶：重慶大學，2004.

[4]林君.簡易窗簾模擬控制系統[J].科技信息，2010，（25）：128-129.

[5]邢欣，陸曉,物聯網中的窗簾遠程控制系統設計[J].信息化研究，2012，（3）：74-78.

Design of Indoor Lighting Control System Based on ARM MCU

LV Xing,WANG Xiaoli
(Jilin Architectural University,Changchun 130000)

This des ign bas ed on ARM microcontroller development board, by controlling the stepping motor to adjust the opening si ze of curtain shutter, and control of natural light to the amount of household, along with interior lighti ng to achieve reasonable indoor lighting conditions.Meet the requirements of light environment, and achieve the goal of energy conservation and emissions reduction.

microcontroller,intelligent Home F urnishing, intelligent curtain, light control

吉林省科技支撐計劃重點項目（20130206084SF）。