基于STM32的教室智能照明系统设计

李文杰，脱慧

（陕西理工大学，陕西 汉中 723001）

1 绪论

由于人类物质生活的提升，对能源的需求与利用也在增长。当前，我国实现节能减排目标面临的形势十分严峻。煤价高位运行、电煤紧缺等局面造成了我国部分地区还存在电力供需紧张的情况。为积极响应国家政策，实现智能节能减排，高校教室应杜绝“长明灯”的现象，通过智能控制、智慧系统等措施降低对电能的浪费。

为此，本文设计了一种基于STM32微处理器的教室智能照明系统，通过对进出教室人数的统计及光线强度的检测，实现教室灯光的智能与合理化开启与关闭。

2 系统硬件设计

2.1 系统方案

本设计以STM32F103ZET6单片机为核心控制器，加上其他的模块一起组成教室智能照明的整个系统。其中包含中控部分、输入部分和输出部分。系统输入由五部分组成，第一部分是两路红外对管模块，通过该模块可检测当前教室的人数；第二部分是光照传感器组成的光照检测模块，通过该模块可检测当前的光照值；第三部分是DS1302时钟模块，通过该模块可检测时间；第四部分是独立按键，通过六个独立按键切换界面、设置时间、开灯和切换模式；第五部分是供电电路，给整个系统进行供电。系统输出部分包括LCD1602显示和LED指示灯，利用LCD1602来显示教室当前人数、光照强度值、时间等信息，LED指示灯模拟教室里的灯光。

（1）系统总体框图见图1。

图1 系统总体框图

（2）模块功能介绍。

①人数与光照检测。通过人数和光照的检查结果，综合判断来实现教室里灯光的亮灭（图2）。

图2 人数与光照检测框图

②进出人数的检测。通过两个红外对管来检测教室里人员的进出情况，根据人员的进出变化实时控制灯光的亮灭，实现高效照明。

③显示。通过输入模块的采集，将光照参数、时间星期、教室人数等关键信息显示出来，方便管理员管理与统筹（图3）。

图3 显示模块

2.2 硬件组成及框图

系统硬件主要由STM32单片机最小系统、电源电路、时钟电路、按键电路、LCD1602显示电路、传感器电路组成。

图4为系统供电电路，VCC为+5V，提供STM32及各个硬件模块的电流需求。

图4 系统供电电路图

图5为红外对管模块接口电路。它有3个引脚，分别为电源、地和输入/输出；采用两对红外对管的目的是可实现教室人员进、出双向检测。

图5 红外对管接口电路

图6为时钟电路。采用DS1302来实现，以提供系统的时间基准，能够更加精准地计算出需要显示的时间参数。

图6 时钟电路

图7为LCD1602显示屏接口电路。LCD1602是一种工业字符型液晶，能够同时显示16×2，即32个字符。LCD1602液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，即可以显示出图形。

图7 LCD1602接口电路

3 系统软件设计

3.1 软件主程序流程图

系统主控制程序流程图如图8所示。首先，对显示相关的I/O口、LCD1602、时钟模块DS1302等模块进行初始化。随后进入主循环。在主循环中，首先进入第一个函数按键函数，该函数主要分为两部分，第一部分为调用按键扫描函数获取键值，第二部分通过键值进行相应的处理操作。比如，切换界面、手动开灯、调整时间、切换模式等；接着进入第二个函数监测函数，该函数主要通过光照检测模块获取当前的光照值；之后进入第三个函数显示函数，该函数通过不同的显示标志位显示不同的界面，包括主界面显示当前的时间、光照值和人数，其他界面显示调整时间、切换模式等；最后，进入第四个函数处理函数，该函数主要根据当前的人数、时间和光照值选择开灯和开灯个数。最后，通过一个延时函数和计数公式，限制各函数扫描时间。

图8 主控制程序流程图

3.2 显示程序流程图

系统显示程序流程图如图9所示。通过不同的显示标志位显示不同的界面，界面为0时，显示当前的时间、光照强度、人数；界面为1-7时，显示设置的年月日时分秒星期。

图9 显示程序流程图

3.3 软件编译环境

此设计中使用的编程环境为Keil5，它比其他软件编程环境更轻、更快，更易于操作，并且深受嵌入式软件开发人员的欢迎。ST官方提供了各种芯片的支持包，包括51单片机、STM32、HC32、NXP等，可生成可通过刻录器直接烧录到单片机的HEX文件，这非常方便。此外，Keil5编译有三种方式，给开发人员更多的选择，编译结果显示在界面的底部，供开发人员查找Bug。

4 系统测试

本设计以四盏LED指示灯模拟教室灯光进行测试，进出教室的人数和教室灯光点亮与熄灭数量的阈值设定旨在说明设计的可行性与合理性。图10为教室智能照明系统实物图及系统输出显示界面。

图10 系统硬件实物图及系统显示界面

在光照强度大于50时，此时认为室内光线充足，无须开灯，与教室人数无关。当光照强度低于50时，此时，认为室内光线阴暗，应开灯进行补光；当教室人数为0时不开灯，少于等于10人时点亮一盏灯；每增加10人，便亮起一盏灯，人数超过40人时四盏灯全部点亮。

5 结语

本文设计了一种基于STM32微处理器的教室智能照明系统，通过对进出教室人数的统计及光线强度的检测，实现教室灯光的智能与合理化开启与关闭。有效地发挥了节约用电的作用，为响应国家节能减排政策，实现智能节能减排做出了一定贡献。