基于單片機的天文時鐘控制器的設計

張鋒

摘 要

設計一種實用的天文時鐘控制器，硬件主要由電源單元、單片機單元、人機界面單元、實時時鐘單元、光照度采集單元、繼電器輸出單元、以及通訊單元等組成。控制器以STM32F103為核心，通過設定的經緯度和當前的日期，計算出日出和日落時間，與模數轉換器采集到的光照度相結合，來控制繼電器的輸出。控制器還可以接收GPRS控制指令，實現特殊控制。

【關鍵詞】天文時鐘 STM32F103 光照度采集 實時時鐘 日出日落

隨著社會的發展和節能降耗的要求，對道路交通照明的要求越來越高，需要根據日出日落時間和光照度、以及遠程臨時指令來開關照明燈具的供電電源，以實現照明的靈活控制。為此，設計了一款天文時鐘控制器，并在實踐中得到了應用。

1 總體設計

設計基于單片機的天文時鐘控制器，系統框圖如圖1所示，電路由由電源單元、單片機單元、人機界面單元、實時時鐘單元、光照度采集單元、繼電器輸出單元、以及通訊單元等組成。電源單元給其余單元提供電源，人機界面單元的按鍵與單片機的IO口相連，人機界面單元的LCD與單片機通過并行電平轉換芯片相連，光照度采集單元與單片機的AD采集通道相連，實時時鐘單元與單片機通過I2C總線相連，通訊單元與單片機的UART串口相連，繼電器輸出單元與單片機的IO口相連。

2 硬件設計

電源單元采用TOP253芯片為控制芯片，經反激式脈沖變壓器把交流220V轉化為系統芯片使用的電壓，+5V，+3.3V，隔離的24V等。

單片機單元以STM32F103為核心，屬ARM Cortex-M3系列，主頻72MHz，帶有雙路12位ADC，帶有I2C、USART等接口，內置SRAM和大容量FLASH等，集成度高。采用3.3V、8MHz有源晶振，引出SWD接口作為調試口。使用外部硬件看門狗MAX706S，在收外部干擾使程序跑飛時復位芯片，使軟件重新運行。與芯片內部看門狗相比，MAX706S在系統上電掉電情況下，系統電壓尚未穩定時使芯片處于復位狀態，避免誤動作。

人機界面單元包括按鍵和LCD兩部分，按鍵部分與單片機的IO直接相連。因STM32F103工作電壓為+3.3V，LCD接口電壓則是+5V，需要2片電平轉換芯片74LVC4245APW。見圖2，實時時鐘單元主芯片為RX8025SA， 與STM32F103的I2C管腳相連。系統正常工作時，電源單元的+3.3V為RX8025SA提供電源，系統未上電時，由CR2032電池為時鐘芯片提供電源，保持實時時鐘數據繼續計數。

光照度采集單元部分通過模擬光耦HCPL-788J將光照度傳感器的4-20mA電流信號轉換為電壓信號，經低通濾波后送到STM32F103單片機的AD采樣通道管腳上，同時起到隔離作用。

通訊單元采用GPRS通訊，選用SIM900A模塊，與STM32的串口相連。

繼電器輸出單元與單片機單元的2個輸出引腳相連，然后通過光耦TLP627接到2個24V繼電器的線圈上，2個繼電器分別為主控繼電器和節能繼電器，各提供1個常開干接點輸出。

3 軟件設計

3.1 人機界面部分

LCD為128*64點陣液晶，分為4行顯示，每行可顯示16個字符或8個漢字。按鍵部分有4個按鍵，分別為“MODE”、“SHIFT”、“DATA” 和“ENTER”。因顯示一屏時間較長，當讀按鍵程序放在主程序中時，有時按下鍵時會沒有反應。因此，將讀按鍵程序和按鍵去抖程序放在1mS定時器中斷中。顯示程序采用菜單結構，可通過按鍵翻頁顯示多種參數和實時狀態。通過按鍵和LCD顯示，可設置日期時間和本地經度緯度，開燈照度與關燈照度以及確認時間等參數。

3.2 日出日落時間計算

STM32F103從實時時鐘單元得到具體年月日數據，另外從人機接口單元得到本地的經度和緯度，據此計算出從格林威治時間2000年1月1日到計算日的精確天數，進而計算此刻的本地恒星時、太陽的黃道經度和太陽的傾角、以及太陽的圓周半徑等，最后得到太陽在黃道南邊的時間，區分東西半球后進一步處理，從而得到需要的日出和日落時間。

3.3 光照度采集

采用雙ADC的DMA模式，一路ADC用于光照度采集，另一路接地用于校驗數據的有效性。按照每20mS采樣24點的要求開啟ADC觸發定時器，取24次AD采樣的平均值進行數字濾波，以消除工頻干擾。并通過預設系數轉換為對應的流明數。開啟轉換完成的DMA中斷。

3.4 通訊軟件

通訊軟件要求的反應時間不高，可不使用發送和接收中斷占用CPU時間，利用STM32F103芯片的DMA來處理。

DMA中斷不開啟，在定時器中斷中進行串口數據處理。單片機通過AT指令集與GPRS模塊進行通訊，監測收到的短信息。為防止誤操作，開關燈指令分別需要不同的32位密碼，并對報文進行CRC校驗。

3.5 軟件總體設計

中斷優先級的設置，軟件中開啟了2路中斷，1mS定時器中斷和采樣DMA中斷，要求1mS定時器中斷優先級要高于采樣DMA中斷。部分代碼如下：

NVIC_PriorityGroupConfig（NVIC_PriorityGroup_1）；

/*1mS timer*/

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM4_IRQn；

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0；

... ...

/*ADC DMA*/

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DMA1_Channel1_IRQn；

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1；

... ...

當沒有收到通訊控制指令時，若當前未開燈，光照度在確認時間內（缺省為5分鐘）連續小于開燈照度，或者當前時間大于日落時間時，軟件閉合主控繼電器。關燈時則需要2個條件同時滿足，即光照度在確認時間內連續大于關燈照度，以及當前時間大于日出時間。節能繼電器的輸出與節能時間有關，以上次日落時間和下次日出時間的中間時刻為中點，取節能時間的一半的前后偏移。比如設定節能時間為4小時，則在中點時刻前后2小時之間閉合節能繼電器，其余時間斷開。通訊指令的優先級高于光控和天文控制，收到指令后立即執行開關燈，閉合或斷開主控繼電器。

4 測試

將參數設置為上海市徐匯區的經度121.32°，緯度31.13°，實時時鐘時間設置為2017年9月10日，控制器計算的日出時間為05：44：15，日落時間為18：12：23，與萬年歷標示的時刻一樣。多次更改經緯度和日期，均能得到相同的數據。光照度測量準確性也較高，GPRS模塊接收到指令后，可以正確控制繼電器輸出。

5 結語

以STM32F103單片機為核心的天文時鐘控制器，可通過人機界面進行經緯度和日期時間等參數的設置，并進行了光照度采集和日出日落時間計算，能夠根據光照情況和日出日落的變化進行靈活控制，并可以進行GPRS無線控制。設計已進行了小批量試用，實際運行中工作正常。

參考文獻

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[3]劉火良，楊森.STM32庫開發實戰指南，2013（11）.

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