基于STM32和HC-SＲ501智能家居的智能照明系統設計 - 全文

隨著經濟的發展和科技的進步，人們對照明器具的節能性和科學管理便捷性提出了更高的要求，使得照明控制在智能家居領域的地位越來越重要。使用智能照明控制系統更能體現節能與管理方面的優勢，提高家庭的科學照明水平。普通家庭的照明模式是白天關燈、晚上開燈，而采用智能照明控制系統后，用戶可以根據不同場合、不同時間的家庭人數進行智能照明，在需要時自動開啟照明系統并調節其亮度;同時，系統還能充分利用自然光，在保證必要照明的同時，有效減少燈具的工作時間，節省不必要的能源開支，延長了燈具的使用壽命。

智能照明控制系統可減少燈具的使用時間，能有效節約能源。粗放型經濟增長方式會導致資源匱乏，因此調整產業結構勢在必行，在照明行業推廣智能照明系統具有重要的意義。本文針對目前只根據室內光照度來調節LED燈亮度的方法存在的缺陷，在照明系統中加入人體紅外感應模塊和溫度檢測模塊。溫度檢測模塊可實時顯示室內溫度，人體紅外模塊可感應室內是否有人。當紅外感應模塊檢測到室內無人時，系統強制斷開電源，這樣可以避免家庭主人忘記關閉智能照明系統時帶來的能源浪費。

1、系統總體介紹

本系統主要由APDS－9008光照度檢測傳感器、DS18B20溫度檢測傳感器、LCD顯示屏、STM32L151、電源模塊和人體紅外組成。

1．1、MCU介紹

采用ST低功耗L系列單片機—STM32L151作為本系統的主控芯片，其特點如下：

1）工作條件：

工作電源范圍：1．65～3．6V或1．8～3．6V

溫度范圍：－40～85℃

2）低功耗

睡眠模式，低功率運行（在32kHz時僅9μA），低功耗的睡眠（4．4μA）

超低漏每個I/O：50nA

從停止快速喚醒：8μs

1．2、APDS－9008光照度檢測傳感器模塊介紹

APDS－9008提供廣泛環境亮度條件下的精確光度檢測。它有1個光感應器，其光譜響應接近CIE標準。圖1是APDS－9008模塊圖。

圖1 ?APDS－9008模塊圖

1．3、HC-SＲ501人體紅外模塊

HC-SＲ501是基于紅外線技術的自動控制模塊，采用LHI778探頭設計，具有靈敏度高、可靠性強的特點和超低電壓工作模式。技術參數如下：

工作電壓：DC5～20V;靜態功耗：65μA;電平輸出：高3．3V，低0V;延時時間：可調（0．3～18s）;封鎖時間：0．2s;觸發方式：L不可重復，H可重復，默認值為H;感應范圍：小于120°錐角，7m以內;工作溫度：－15～+70℃;PCB外形尺寸：32mm×24mm，螺絲孔距28mm，螺絲孔徑2mm，感應透鏡尺寸：直徑：23mm（默認）

圖2 HC-SＲ501模塊圖

1．4、DS18B20溫度傳感器

溫度檢測一般選用熱敏電阻作為其傳感器，熱敏電阻可測量40～90℃溫度范圍，但是相比其他方法穩定性不高，一般溫度檢測的準確度較低。對于1℃以下的溫度檢測信號適用性極低，必須經過專門的ADC轉換成數字信號才能由MCU進行處理。

DS18B20數字信號輸出溫度檢測傳感器與傳統的溫度傳感器不同的是：使用單總線與MCU通信，為直接數字輸出，轉換速度快，可擴展性強。圖3為DS18B20模塊內部結構圖。

圖3 ?DS18B20模塊內部結構圖

1．5、系統總體架構

系統整體結構包括前端用1個HC-SＲ501人體紅外模塊和APDS光照度檢測模塊和1個DS18B20溫度傳感器。人體紅外模塊可檢測室內人數，當檢測到室內有人時，系統才開始工作;當檢測到室內無人時系統不工作，如果系統此時是工作狀態，將強行關閉系統。APDS光照度檢測模塊主要根據光強度進行智能照明，AO輸出到STM32L151PC0ADC口進行模數轉換，轉換后進行LED智能控制。溫度傳感器將實時檢測室內溫度。DS18B20使用PA1口進行單總線數據傳輸，溫度結果也通過LCD和串口打印顯示。整個系統采用聚合物鋰電池供電，如圖4所示。

圖4 ?系統總體架構

2、系統硬件設計

2．1、APDS光照度傳感器硬件設計

圖5為APDS－9008光照度傳感器電路設計，其中1腳為電源（1．6～5V），本系統供5V電源，同時加2個電容濾波，2，3，5腳為NC腳，不接;6腳為模擬信號輸出腳，輸出信號為0～1．9V，接STM32L151PC0口進行模數轉換，得到數字信號，最終實現智能控制LED燈。

圖5 ?APDS－9008光照度傳感器電路

2．2、HC-SＲ501硬件設計

HC-SＲ501模塊電路主要包括VCC、GND和DO口。VCC供5V電源，當檢測到室內有人時，DO口輸出為高電平，否則輸出低電平。

圖6 ?HC-SＲ501電路設計

2．3、溫度檢測硬件設計

MCU與溫度傳感器進行數據傳輸主要依靠MCU按單總線協議在1條總線上產生各種時序實現。圖7為溫度傳感器與MCU具體電路圖，VCC接5V直流電，GND接地，OUT為與MUC進行通信的接口，上面必須接1個上拉電阻，以保證通信的正常進行和空閑狀態時為高電平。

2．4、LCD硬件設計

LCD采用四線SPI協議與MCU進行通信。SPI接口一般由4根數據線組成，包括CS片選信號線、SCLK時鐘信號線、MISO主機輸入從機輸出數據線和MOSI主機輸出從機輸入數據線，CS為使能信號。只有當使能信號為低時，此設備才被選中。選中后，MOSI和MISO可以進行數據傳輸。

圖7 ?DS18B20電路

讀操作為：前8個時鐘主機發送地址給從機，后8個時鐘從機接收到地址后，返回數據給主機。當主機發送地址給從機時，會在地址的最高位加0，以表示讀，其余的后7位為從機內部寄存器地址，從機接收到高位讀標志和后面的7位寄存器地址后，會在后面8CLK返回寄存器的值給主機，完成一次讀操作。

圖8 ?讀操作時序

寫操作同樣由16個時鐘組成，前8個時鐘主機發送8位將要寫的地址給從機，后8個時鐘為主機發送的8位數據。當寫操作開始時，同樣首位表示寫標志位，SPI協議寫操作規定首位為1。因此，在寫操作時，8位數據由1位寫標志位和7位地址組成。當從機收到由1位寫標志位和7位地址組成的數據后，會等待第二次發送的數據，把第二次發送的數據寫入剛剛的地址寄存器，完成一次寫操作。

圖9 ?寫操作時序

LCD液晶顯示屏主要用于溫度的實時顯示。圖10為LCD詳細電路圖。

圖10 LCD電路

2．5、電源管理

系統采用鋰電池供電。首先，MiniUSB輸出的5V電壓直接提供給鋰電池充電管理芯片，由其對鋰電池進行充電管理。該芯片是一款完整的單節鋰離子電池，采用恒定電流/恒定電壓線性充電器，充電電流為1A。當輸入電壓停止時，芯片自動進入低電流狀態，將電池漏電流降至2μA以下。鋰電池充電電壓為4．2V，容量為500mAh。

由于鋰電池在放電過程中輸出電壓會下降，而系統工作在3．3V，因此需要加低壓降穩壓器以保證系統正常工作。穩壓芯片輸出電壓穩定在3．3V，可以輸出400mA的電流，壓差最低可達到75mV，外圍電路簡單，可滿足要求。為及時充電和保存數據，系統進行電池電量監測。

圖11 電源管理電路

3、系統軟件設計

3．1、智能照明軟件設計

光照度檢測采用ADC和DMA方式進行傳送。ADC可以把模擬電壓直接轉換成數字信號，便于存儲器存儲和傳送。軟件設計流程如下：首先初始化ADC和DMA，讓ADC工作于DMA方式;HC-SＲ501人體紅外傳感器進行室內環境檢測，如果檢測到室內有人，則進行數據傳輸，否則一直檢測。當檢測到室內有人時，ADC獲得總線上的電壓值，然后自動將其轉換成12位的數字信號來智能控制室內LED燈。此時，DMA把ADC轉換后的數字信號送到內存，這段期間不需要CPU干預，可節約CPU資源去獲取溫度。軟件流程如圖12所示。

圖12 智能照明軟件設計流程

3．2、溫度檢測軟件設計

首先初始化DS18B20，讓通信雙方達成基本通信協議。由于總線上只掛了1個DS18B20溫度傳感器，因此直接跳過ＲOM，發出溫度轉換指令0x44h，之后，DS18B20準備好溫度數據，在讀溫度前至少需等待750μs。750μs后，重新初始化，讀取存儲器中已經準備好的數據，然后經過計算獲得溫度，把溫度數據送到串口和LCD上面顯示。

由于溫度相對變化不大，故采用定時器中斷方式獲取溫度，程序設計每2s中斷一次，即每2s執行一次溫度檢測流程。溫度檢測軟件設計流程如圖13所示。