基于STM32和HC-SＲ501智能家居的智能照明系统设计

随着经济的发展和科技的进步，人们对照明器具的节能性和科学管理便捷性提出了更高的要求，使得照明控制在智能家居领域的地位越来越重要。使用智能照明控制系统更能体现节能与管理方面的优势，提高家庭的科学照明水平。普通家庭的照明模式是白天关灯、晚上开灯，而采用智能照明控制系统后，用户可以根据不同场合、不同时间的家庭人数进行智能照明，在需要时自动开启照明系统并调节其亮度;同时，系统还能充分利用自然光，在保证必要照明的同时，有效减少灯具的工作时间，节省不必要的能源开支，延长了灯具的使用寿命。

智能照明控制系统可减少灯具的使用时间，能有效节约能源。粗放型经济增长方式会导致资源匮乏，因此调整产业结构势在必行，在照明行业推广智能照明系统具有重要的意义。本文针对目前只根据室内光照度来调节LED灯亮度的方法存在的缺陷，在照明系统中加入人体红外感应模块和温度检测模块。温度检测模块可实时显示室内温度，人体红外模块可感应室内是否有人。当红外感应模块检测到室内无人时，系统强制断开电源，这样可以避免家庭主人忘记关闭智能照明系统时带来的能源浪费。

1、系统总体介绍

本系统主要由APDS－9008光照度检测传感器、DS18B20温度检测传感器、LCD显示屏、STM32L151、电源模块和人体红外组成。

1．1、MCU介绍

采用ST低功耗L系列单片机—STM32L151作为本系统的主控芯片，其特点如下：

1）工作条件：

工作电源范围：1．65～3．6V或1．8～3．6V

温度范围：－40～85℃

2）低功耗

睡眠模式，低功率运行（在32kHz时仅9μA），低功耗的睡眠（4．4μA）

超低漏每个I/O：50nA

从停止快速唤醒：8μs

1．2、APDS－9008光照度检测传感器模块介绍

APDS－9008提供广泛环境亮度条件下的精确光度检测。它有1个光感应器，其光谱响应接近CIE标准。图1是APDS－9008模块图。

图1  APDS－9008模块图

1．3、HC-SＲ501人体红外模块

HC-SＲ501是基于红外线技术的自动控制模块，采用LHI778探头设计，具有灵敏度高、可靠性强的特点和超低电压工作模式。技术参数如下：

工作电压：DC5～20V;静态功耗：65μA;电平输出：高3．3V，低0V;延时时间：可调（0．3～18s）;封锁时间：0．2s;触发方式：L不可重复，H可重复，默认值为H;感应范围：小于120°锥角，7m以内;工作温度：－15～+70℃;PCB外形尺寸：32mm×24mm，螺丝孔距28mm，螺丝孔径2mm，感应透镜尺寸：直径：23mm（默认）

图2 HC-SＲ501模块图

1．4、DS18B20温度传感器

温度检测一般选用热敏电阻作为其传感器，热敏电阻可测量40～90℃温度范围，但是相比其他方法稳定性不高，一般温度检测的准确度较低。对于1℃以下的温度检测信号适用性极低，必须经过专门的ADC转换成数字信号才能由MCU进行处理。

DS18B20数字信号输出温度检测传感器与传统的温度传感器不同的是：使用单总线与MCU通信，为直接数字输出，转换速度快，可扩展性强。图3为DS18B20模块内部结构图。

图3  DS18B20模块内部结构图

1．5、系统总体架构

系统整体结构包括前端用1个HC-SＲ501人体红外模块和APDS光照度检测模块和1个DS18B20温度传感器。人体红外模块可检测室内人数，当检测到室内有人时，系统才开始工作;当检测到室内无人时系统不工作，如果系统此时是工作状态，将强行关闭系统。APDS光照度检测模块主要根据光强度进行智能照明，AO输出到STM32L151PC0ADC口进行模数转换，转换后进行LED智能控制。温度传感器将实时检测室内温度。DS18B20使用PA1口进行单总线数据传输，温度结果也通过LCD和串口打印显示。整个系统采用聚合物锂电池供电，如图4所示。

图4  系统总体架构

2、系统硬件设计

2．1、APDS光照度传感器硬件设计

图5为APDS－9008光照度传感器电路设计，其中1脚为电源（1．6～5V），本系统供5V电源，同时加2个电容滤波，2，3，5脚为NC脚，不接;6脚为模拟信号输出脚，输出信号为0～1．9V，接STM32L151PC0口进行模数转换，得到数字信号，最终实现智能控制LED灯。

图5  APDS－9008光照度传感器电路

2．2、HC-SＲ501硬件设计

HC-SＲ501模块电路主要包括VCC、GND和DO口。VCC供5V电源，当检测到室内有人时，DO口输出为高电平，否则输出低电平。

图6  HC-SＲ501电路设计

2．3、温度检测硬件设计

MCU与温度传感器进行数据传输主要依靠MCU按单总线协议在1条总线上产生各种时序实现。图7为温度传感器与MCU具体电路图，VCC接5V直流电，GND接地，OUT为与MUC进行通信的接口，上面必须接1个上拉电阻，以保证通信的正常进行和空闲状态时为高电平。

2．4、LCD硬件设计

LCD采用四线SPI协议与MCU进行通信。SPI接口一般由4根数据线组成，包括CS片选信号线、SCLK时钟信号线、MISO主机输入从机输出数据线和MOSI主机输出从机输入数据线，CS为使能信号。只有当使能信号为低时，此设备才被选中。选中后，MOSI和MISO可以进行数据传输。

图7  DS18B20电路

读操作为：前8个时钟主机发送地址给从机，后8个时钟从机接收到地址后，返回数据给主机。当主机发送地址给从机时，会在地址的最高位加0，以表示读，其余的后7位为从机内部寄存器地址，从机接收到高位读标志和后面的7位寄存器地址后，会在后面8CLK返回寄存器的值给主机，完成一次读操作。

图8  读操作时序

写操作同样由16个时钟组成，前8个时钟主机发送8位将要写的地址给从机，后8个时钟为主机发送的8位数据。当写操作开始时，同样首位表示写标志位，SPI协议写操作规定首位为1。因此，在写操作时，8位数据由1位写标志位和7位地址组成。当从机收到由1位写标志位和7位地址组成的数据后，会等待第二次发送的数据，把第二次发送的数据写入刚刚的地址寄存器，完成一次写操作。

图9  写操作时序

LCD液晶显示屏主要用于温度的实时显示。图10为LCD详细电路图。

图10 LCD电路

2．5、电源管理

系统采用锂电池供电。首先，MiniUSB输出的5V电压直接提供给锂电池充电管理芯片，由其对锂电池进行充电管理。该芯片是一款完整的单节锂离子电池，采用恒定电流/恒定电压线性充电器，充电电流为1A。当输入电压停止时，芯片自动进入低电流状态，将电池漏电流降至2μA以下。锂电池充电电压为4．2V，容量为500mAh。

由于锂电池在放电过程中输出电压会下降，而系统工作在3．3V，因此需要加低压降稳压器以保证系统正常工作。稳压芯片输出电压稳定在3．3V，可以输出400mA的电流，压差最低可达到75mV，外围电路简单，可满足要求。为及时充电和保存数据，系统进行电池电量监测。

图11 电源管理电路

3、系统软件设计

3．1、智能照明软件设计

光照度检测采用ADC和DMA方式进行传送。ADC可以把模拟电压直接转换成数字信号，便于存储器存储和传送。软件设计流程如下：首先初始化ADC和DMA，让ADC工作于DMA方式;HC-SＲ501人体红外传感器进行室内环境检测，如果检测到室内有人，则进行数据传输，否则一直检测。当检测到室内有人时，ADC获得总线上的电压值，然后自动将其转换成12位的数字信号来智能控制室内LED灯。此时，DMA把ADC转换后的数字信号送到内存，这段期间不需要CPU干预，可节约CPU资源去获取温度。软件流程如图12所示。

图12 智能照明软件设计流程

3．2、温度检测软件设计

首先初始化DS18B20，让通信双方达成基本通信协议。由于总线上只挂了1个DS18B20温度传感器，因此直接跳过ＲOM，发出温度转换指令0x44h，之后，DS18B20准备好温度数据，在读温度前至少需等待750μs。750μs后，重新初始化，读取存储器中已经准备好的数据，然后经过计算获得温度，把温度数据送到串口和LCD上面显示。

由于温度相对变化不大，故采用定时器中断方式获取温度，程序设计每2s中断一次，即每2s执行一次温度检测流程。温度检测软件设计流程如图13所示。

图13  温 度检测软件设计流程

4、系统实现

4．1、系统计测试软件设计

为了测试系统，本方案设计了系统测试软件。温度信号采用定时中断方式获得，每2s获取1次，这样可以节约CPU资源，也可实时获得最新温度值。智能照明500ms中断1次获得当前光强度信息，以智能控制LED灯亮度。最后把温度信息送到LCD和串口进行显示，系统测试流程见图14。

图14  系统测试流程

4．2、系统实现结果

系统实物图见图15。

图15 系统实物图

如图15所示，系统由温度传感器、LCD屏、光强度传感器、人体红外传感器和LDE灯组成。

当红外传感器检测到有人且光强度低时，LED由暗变亮，串口数据显示当前亮度值，ADC为12位，因此亮度范围为0～4096，当前亮度为70～500cd/m2之间，测试数据正确。

当红外传感器检测到有人且光强度高时，LED由亮变暗，串口数据显示当前亮度，值测试数据正确。

当系统检测到无人时自动关闭系统，以避免人为原因造成的忘记关闭系统，从而达到节约能源的目的。

5、结束语

本文设计的智能照明、温度检测系统从测量准确性、功耗、家庭实用性等角度出发，所选用的芯片和模块均符合低功耗的原则，具有体积小、可靠性高、性价比高、结构简单等特点，可用于智能家居系统，具有较高的实用价值。