基于STM32的辦公室照明節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葉偉光

廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東 廣州 510006

0 引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，發(fā)達(dá)城市的辦公大廈較多，辦公室更是數(shù)不勝數(shù)，但也由此引發(fā)了過(guò)度照明、浪費(fèi)電能的現(xiàn)象。不管辦公室是否有人，照明燈光常亮不熄，造成了極大的能源浪費(fèi)。因此，如何提高我國(guó)辦公室用電效率成為目前首要考慮的問(wèn)題，亟待解決[1]。當(dāng)前，我國(guó)已經(jīng)將照明節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于辦公室照明。但是我國(guó)辦公室燈光的控制現(xiàn)狀表明，整體智能化水平仍較低，辦公室的用電模式依然比較傳統(tǒng)，即主要采用人工管理模式，我國(guó)自動(dòng)化技術(shù)和智能化水平仍有待提高，同時(shí)辦公室燈光的管理也應(yīng)該朝著自動(dòng)化和智能化方向快速發(fā)展，以提升其便利性。為此，文章開發(fā)了一款實(shí)用性強(qiáng)、價(jià)值性高的基于STM32的辦公室照明節(jié)能系統(tǒng)。

1 智能照明國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代，美國(guó)照明行業(yè)開始興起并逐漸發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)、通信和自動(dòng)化技術(shù)在全球范圍內(nèi)的廣泛應(yīng)用，其技術(shù)不斷走向成熟，使全世界民眾的生活和工作發(fā)生了翻天覆地的變化，照明行業(yè)也發(fā)生了巨大變革。21世紀(jì)，現(xiàn)代化發(fā)展更加迅速，一大批新產(chǎn)品和新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，使照明技術(shù)逐漸向一體化、自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展[2]。隨著智能照明技術(shù)的蓬勃發(fā)展，不僅國(guó)外涌現(xiàn)了許多行業(yè)內(nèi)的著名企業(yè)，我國(guó)很多企業(yè)也發(fā)展迅速，生產(chǎn)了較多智能燈光照明產(chǎn)品，如上海奇勝綜合多種自動(dòng)化通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了較高水平的燈光控制。智能照明企業(yè)的發(fā)展豐富了我國(guó)燈光照明智能產(chǎn)品，改變了人們的生活。特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，提高了處理器的運(yùn)行速度和可靠性，從而使智能照明產(chǎn)品更加智能和可靠，更加適應(yīng)人們的需求。

2 辦公室照明節(jié)能系統(tǒng)控制方案

2.1 整體方案

基于STM32 F103系列的辦公室照明節(jié)能系統(tǒng)以辦公室內(nèi)光的強(qiáng)弱大小程度和辦公室內(nèi)是否有人存在作為開燈和關(guān)燈的主要衡量指標(biāo)。

（1）當(dāng)辦公室的光強(qiáng)度較大時(shí)，無(wú)論辦公室是否有人，系統(tǒng)控制辦公室的燈均處于關(guān)閉狀態(tài)；

（2）當(dāng)辦公室的光強(qiáng)度較小，有人存在且超過(guò)一定時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)控制辦公室的燈處于打開狀態(tài)，直至辦公室的人離開；在一定延時(shí)后，系統(tǒng)控制辦公室的燈處于關(guān)閉狀態(tài)，從而解決辦公室在各種不同情況下燈光照明不合理等問(wèn)題。

該系統(tǒng)主要由硬件和軟件2部分綜合設(shè)計(jì)而成。良好的硬件是系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提，也是保證系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)，而且為軟件的正常運(yùn)行提供了良好的平臺(tái)。良好的軟件則是在微控制器中，通過(guò)硬件采集得到信號(hào)，進(jìn)行分析并輸出，通過(guò)處理后實(shí)現(xiàn)用戶所需求的各項(xiàng)功能。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)需要考慮實(shí)際情況。結(jié)合實(shí)際情況，可知辦公室的實(shí)際環(huán)境復(fù)雜，對(duì)硬件指標(biāo)的影響因素較多。例如，光線感應(yīng)模塊電路因?yàn)榄h(huán)境溫度變化的影響將產(chǎn)生誤差，因此在整體基于STM32 F103系列的辦公室照明節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，在器件選型時(shí)應(yīng)注意抗干擾。同時(shí)，在選用各種電子器件時(shí)，需充分考慮環(huán)境的影響，判斷是否需要額外搭建抗干擾的電路，從而提升該系統(tǒng)的硬件抗干擾能力。

該系統(tǒng)采用熱釋紅外人體傳感器，當(dāng)運(yùn)動(dòng)的人體通過(guò)時(shí)，該傳感器采集相應(yīng)信息，轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，配合放大電路將信號(hào)放大，可以檢測(cè)在一定范圍內(nèi)是否存在人體，所采用的傳感器探測(cè)人體輻射，功耗小，價(jià)格便宜。采用光敏三極管構(gòu)成的電路檢測(cè)周圍環(huán)境光照的強(qiáng)度，隨著光照的強(qiáng)弱變化，判斷是否開燈或者關(guān)燈。光照強(qiáng)度越大，則電流越大。使用光敏三極管需注意采光點(diǎn)的選取，因?yàn)檗k公室并非每一處的亮度均相同，所以應(yīng)該進(jìn)行多點(diǎn)采集。

（1）熱釋紅外人體傳感器。熱釋紅外人體傳感器廣泛應(yīng)用于電子防盜領(lǐng)域，經(jīng)過(guò)近些年的研發(fā)和探索，防盜效果已經(jīng)顯著提升。另外，熱釋紅外人體傳感器在人體探測(cè)器領(lǐng)域的應(yīng)用也備受重視，其具有成本低、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，受到業(yè)界的認(rèn)可。

紅外感應(yīng)源一般使用熱釋電元件，因此需要了解熱釋電元件的工作原理，這是制作該系統(tǒng)的前提條件。需要注意的是，紅外線熱釋電人體傳感器必須安裝在室內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境中，而且為了降低誤報(bào)的概率，需嚴(yán)格把控其安置的位置、方式等。實(shí)際安裝時(shí)，首先，紅外線熱釋電傳感器應(yīng)與地面保持一定的距離，通常為2.0～2.2 m，以便更好地發(fā)揮其作用。其次，熱釋紅外人體傳感器的安裝應(yīng)該遠(yuǎn)離空調(diào)、冰箱、微波爐等容易產(chǎn)生溫度變化的設(shè)備，避免誤報(bào)。再次，紅外線熱釋電傳感器探測(cè)范圍內(nèi)避免有家具、盆栽、屏風(fēng)等隔離物體，以免影響效果。最后，紅外線熱釋電傳感器不能直接對(duì)準(zhǔn)窗口，以免窗口的熱氣流以及人員流動(dòng)對(duì)其正常運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生不良影響。

紅外線熱釋電傳感器的使用效果和人的運(yùn)動(dòng)方向也有非常直接的關(guān)系，其對(duì)于徑向運(yùn)動(dòng)的敏感程度較低，而對(duì)于橫向運(yùn)動(dòng)敏感程度較高。因此，在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮人員的運(yùn)動(dòng)方向，以提升傳感器的探測(cè)效果。

（2）光敏三極管。光敏三極管和普通三極管具有一致性，均可以放大電流，但是光敏三極管的集電極電流不僅由基極控制，還受光輻射的影響。對(duì)于光敏三極管而言，通?；鶚O不引出，但是某些特殊光敏三極管有基極引出，作用有實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償、實(shí)現(xiàn)附加控制。

光敏三極管又被稱為光電三極管和光電晶體管。在工程領(lǐng)域中使用光傳感器時(shí)，需要對(duì)光照進(jìn)行操作，因此光敏三極管應(yīng)用十分廣泛，比如對(duì)光照進(jìn)行采集和檢測(cè)、實(shí)現(xiàn)信號(hào)通信或者電氣隔離。因?yàn)楣饷羧龢O管的實(shí)際使用效果較好，所以將其應(yīng)用于自動(dòng)化設(shè)備可以提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)更多的產(chǎn)出。因此，光敏三極管逐漸成為社會(huì)發(fā)展中重要的電子元件之一。光敏三極管的工作原理是通過(guò)P-N結(jié)，原因是P-N結(jié)的特性和結(jié)構(gòu)使其在接收光照的同時(shí)，將光能轉(zhuǎn)換為電能。同時(shí)，將光敏三極管加上反向電壓，特別是管內(nèi)會(huì)形成反向電流，反向電流的大小和強(qiáng)弱隨著P-N結(jié)接受的光照強(qiáng)度的變化而變化，即照射P-N結(jié)的光照強(qiáng)度越大，管內(nèi)的反向電流越大。實(shí)際上，大多數(shù)光敏三極管工作在上述狀態(tài)。

光敏三極管不同于普通三極管之處在于光電流。P-N結(jié)在受到光的照射時(shí)，內(nèi)部的電子定向移動(dòng)，形成光電流，這是光敏三極管十分重要的特性。根據(jù)制成材料的不同，光敏三極管的光譜特性存在一定差異。一般來(lái)說(shuō)，三極管比二極管具有更強(qiáng)大的光電流放大能力，敏感性更高。光敏三極管與普通三極管在結(jié)構(gòu)上也有一定的區(qū)別，最顯著的區(qū)別是光敏三極管在結(jié)構(gòu)上需要有一個(gè)光敏感的P-N結(jié)，以此接收光輻射。在制作工藝上，光敏三極管與普通三極管一致，具有NPN或PNP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。光敏三極管在結(jié)構(gòu)上與半導(dǎo)體三極管大致相同，均具有2個(gè)電極，個(gè)別類型具有3個(gè)電極。為了提升光電轉(zhuǎn)換的效果，基區(qū)面積會(huì)適當(dāng)擴(kuò)大，另外會(huì)適當(dāng)縮小發(fā)射區(qū)面積，方便接收入射光。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

因?yàn)橛布蛙浖哂忻芮械慕Y(jié)合關(guān)系，是一個(gè)統(tǒng)一的整體，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要確保硬件結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)電路的正確性，以便結(jié)合相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)程序軟件。該系統(tǒng)軟件采用模塊化和結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)思路。首先編制好主要程序，然后在設(shè)計(jì)各個(gè)子程序時(shí)分別對(duì)每個(gè)小模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)、編程和調(diào)試。該系統(tǒng)軟件模塊主要包括系統(tǒng)監(jiān)控主程序模塊子程序、數(shù)據(jù)感應(yīng)模塊子程序、照明燈光子程序模塊等。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章所設(shè)計(jì)的基于STM32系列的辦公室照明節(jié)能系統(tǒng)具有軟硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、容易開發(fā)、安全可靠、操作方便、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)主要可應(yīng)用于辦公室照明，具有一定的實(shí)用價(jià)值[3]。但是，該系統(tǒng)自身還存在一定的不足，其智能性有待進(jìn)一步提升，從而為辦公室照明節(jié)能系統(tǒng)的普及打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。