基于ARM单片机的室内照明控制系统设计

吕 行 王晓丽

（吉林建筑大学，长春 130000）

基于ARM单片机的室内照明控制系统设计

吕 行 王晓丽

（吉林建筑大学，长春 130000）

本设计基于STM32F103ZET6单片机开发板，通过控制步进电动机来调节窗帘百叶的开合大小，进而控制自然光的进光量，并辅以电光源来达到合理的室内照明条件。这不仅满足人对光环境的要求，而且达到节能减排的目的。

单片机 智能家居 智能窗帘 光控

随着建筑智能化的概念逐渐深入人心，人们节约能源的意识日益加强。而随着社会的不断发展，人们对建筑智能化的要求不断提高，在节约能源的前提下，要求实现更加舒适、设备自动化的工作生活环境。从穴居人的山洞到现代化的高楼大厦，无论人类设计出多么优秀的灯具，也不能代替太阳光对人类的影响。国际上很多优秀的建筑设计作品都是恰当地引用自然光来营造柔和、自然的室内环境。随着嵌入式单片机的功能日益强大，运算速度、控制功能和可移植性的极大提高，我们可以完成更具自动化，使生活更加便捷的设计作品。本设计通过调节窗帘百叶开合量来控制自然光的进光量，并配合灯具的使用，使室内光环境达到舒适程度，同时实现能源的合理分配，减少资源浪费。

1 设计原理

本系统的结构图如图1所示，分为GY-30光照度传感器、STM32嵌入式单片机、步进式单片机、窗帘百叶、照明灯组等几大部分。GY-30照度传感器感应室内工作台面照度，在日照良好的白天时，我国规定的办公室或教室的照度要求最低标准为300lx，正常照度应为500lx，此处以500lx为标准。当照度低于450lx时，照度传感器发送相应数值给STM32单片机处理器，处理器根据多次接收结果，计算平均数，取其结果，以500lx照度为限做出判断。如果低于500lx，则向步进电动机发出信号，使百叶窗调大一定的开合度；如果高于500lx则相反，百叶窗的开合度调低一定程度。单片机标定照度为450lx至550lx时为正常使用照度，不多做处理。当傍晚、阴天或夜晚自然光照度明显达不到正常工作照度时，即STM32单片机多次接收结果达不到正常工作照度，且窗帘百叶已开到最大时，单片机做出判断并发出指令，打开室内照明灯组，以维持正常工作照度。

图1 系统流程图

2 电路设计

控制器采用ARM 32位嵌入式微处理器，是系统的核心，开发板以STM32F103ZET6为主要芯片，用它实现对采集的数据进行运算、分析、处理。主要模块有：GY-30光照度传感器、42步进电动机及其驱动器、室内照明光源（以发光二极管代替）及其所需控制开关的继电器。

数字光强度检测模块GY-30采用ROHM原装BH1750FVI芯片供电电源，3～5v光照度范围，省略标定，不区分环境光源，接近视觉灵敏度的分光特性，可对广泛的亮度进行1勒克斯的高精度测定。通讯方式为IIC串口通讯，因此，只需要五个接口就可以完成设置，VCC与GND分别接单片机电源的正极和负极。ADDR需要串接100kΩ的电阻与VCC或GND相连，这是设置IIC通讯时设备的地址，不同设置软件写入时的地址是不同的，本设计ADDR与GND相连。SCL和SDA为IIC通讯的接口，分别连接开发板的PA9和PA10IO口。

对百叶窗的驱动模块选择42式步进电动机，其具有输出转矩大、温升低、可靠性高的特点，具有良好的内部阻尼特性，运行平稳且无明显震荡区。由于单片机无法达到步进电动机的驱动电压，所以需要配合一个步进电动机的驱动器。连接方法为：设置4个GPIO的单片机接口，设为推挽输出即可，分别连接驱动器的输入端。为了使电动机获得较大的输出扭矩，可以舍去两个中线的使用，四个端线依次接到驱动器的输出端即可。控制IO口依高低电平给电即可实现运转。

照明部分以二极管模拟实际照明灯组，当百叶开到最大仍不能满足实际用光量时，单片机发出信号，通过继电器打开发光二极管，继电器选用的型号为HJR-4102-L-05V，采用的接线方式如图2所示。

图2 系统接线图

3 程序设计

开发板对BH1750FVI进行控制时，首先要对STM32的外设接口进行设置，由于STM32的串口功能非常强大，因此，设置过程相对较为复杂，重要包括以下步骤：第一，串口时钟使能，GPIO时钟使能，并复位串口；第二，GPIO端口模式设置，此处有波特率、传输字长、奇偶校验位、收发模式等设置；第三，串口参数初始化，开启中断并且初始化NVIC，使能串口。

BH1750的通讯分为起始信号、停止信号、应答信号、读取信息等几部分，各信号代码如下。

3.1 起始信号的代码

3.2 应答信号的代码

3.3 读取信息的代码把端口还原为推挽输出

接收到串口发来的光强度值存储在BUF中，经过二进制转十进制计算后，十进制的计算结果存在temp中。对应不同的照度值，单片机指导步进电动机进行不同的动作，其主要代码如下：

图3 光传感器与电脑通信结果

4 实验结果

数据采集系统的光强度传感器与主芯片相连，如图3所示，串口通讯助手可以实时显示出光照强度。根据事先设定的照度需求标准，单片机进行判断，并发出指令，对窗帘百叶进行调整。由于STM32F103ZET6具有16个ADC和多个IIC接口，所以可以连接多个传感器，扩大感应和控制范围。同理，对软件控制程序，通过增加程序中相应的处理事件，可以快速升级系统。

5 结语

基于ARM单片机的室内照明控制系统设计，以STM32F1 03ZET6为控制芯片，通过调节窗帘百叶开合量来控制自然光的进光量，并配合灯具的使用，使室内光环境达到舒适程度，以实现能源的合理分配，减少资源浪费。

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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.

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吉林省科技支撑计划重点项目（20130206084SF）。