基于stm32-M3智能照明毕业设计论文

天津天津 毕业论文毕业论文 基于基于 Cortex M3Cortex M3 的智能照明系统的设计的智能照明系统的设计 姓姓 名 名 学学 院 院 专专 业 业 精品文档 ii欢迎下载ii欢迎下载ii欢迎下载ii欢迎下载ii欢迎下载ii欢迎下载ii欢迎下载 班班 级 级 指指 导导 教教 师 师 20152015 年年 6 6 月月 1 1 日日 天津工业大学毕业设计 论文 任务书天津工业大学毕业设计 论文 任务书 题目题目基于 Cortex M3 的智能照明系统的设计 学生姓名学生姓名学院名称学院名称专业班级专业班级 课题类型课题类型生产实际 课题意义课题意义 节能减排 绿色环保是当今社会发展的一个重要主题 本课题设计的智能照 明系统可自动感知周围是否有人 以及周围照明情况 进而智能地控制照明灯是 否开启 以及灯的亮度调节 在节能减排方面具有重要的实际意义 任务与进任务与进 度要求度要求 任务要求 任务要求 利用 Cortex M3 红外感应器 光电传感器设计并制作一个智能照明系 统 该系统通过红外感应器感知周围是否有人 通过光电传感器感知 周围的照明情况 并通过 ARM 对各传感信息进行综合处理 智能控制 照明灯是否开启 以及灯的亮度调节 达到节能的目的 进度要求 进度要求 3 1 3 15 查阅相关资料 重点了解 Cortex M3 内核 外接设备工作原理及编程 3 16 3 31 设计照明系统电路原理图 各模块电路设计 4 1 4 15 购买元件 焊接实物电路 完成各个模块单独调试 4 16 4 31 电路整体统调 发现系统中问题 完善电路达到课题要求 完成毕业 设计论文初稿 5 1 5 15 毕业设计论文修改 5 15 5 30 论文定稿 准备答辩 主要参考主要参考 文献文献 1 池海 张雨生 浅谈智能照明控制系统的科学管理 J 致富时代 下半月 2011 4 2 王金光 智能照明控制策略的研究与仿真 D 上海 同济大学 2008 3 康树林 汪斌 声光控延时开关性能分析 J 科技资讯 2009 31 4 刘向 马小军 臧增辉 热释电和光敏传感器在智能照明中的应用 J 低 压电器 2009 8 5 现代照明灯具市场调查 J 中国科技信息 2004 10 6 郭起春 对园林景观夜景照明工程中绿色照明的再认识 J 中华民居 2014 27 7 廖捷 飞利浦照明开发中国二级市场的营销策略研究 D 广西 广西大学 2007 起止日期起止日期2016 3 1 2016 5 30 备注备注 精品文档 iv欢迎下载iv欢迎下载iv欢迎下载iv欢迎下载iv欢迎下载iv欢迎下载iv欢迎下载 院长院长 教研室主任教研室主任 指导教师指导教师 精品文档 v欢迎下载v欢迎下载v欢迎下载v欢迎下载v欢迎下载v欢迎下载v欢迎下载 毕业设计 论文 开题报告表毕业设计 论文 开题报告表 20162016 年年 1 1 月月 1111 日日 姓名姓名学院学院专业专业电子信息工程班级班级 题目题目基于 Cortex M3 的智能照明系统的设计指导教师指导教师 一 与本课题有关的国内外研究情况 课题研究的主要内容 目的和意义 一 与本课题有关的国内外研究情况 课题研究的主要内容 目的和意义 国内外研究情况 国内外研究情况 智能照明系统是利用先进电磁调压与电子感应技术 对供电进行实时监控和跟 踪 自动平滑地调节电路的电压与电流幅度 改善照明电路中不平衡负荷造成的额外功耗 提高功率 因素 降低灯具与线路的工作温度 达到优化供电目的的照明控制系统 智能科技已被提升到关乎国 家科学技术发展和运用的战略级层面 在国际照明展上 智能照明系统成为展会的一大亮点 众多知 名厂家开始涉足其中 抢占智能领域 主要研究内容 主要研究内容 灯光调节 智能调光 延时控制 控制自如 全开全关 场景设置 通过一系列 智能设计以达到智能家居要求 目的和意义 目的和意义 智能照明控制系统在确保灯具能够正常工作的条件下 给灯具输出一个最佳的照明 功率 既可减少照明眩光 照明分布更加均匀 又可大幅度节省电能 智能照明控制系统节电率可达 20 40 智能照明控制系统可在照明及混合电路中使用 适应性强 能在各种恶劣的电网环境和复杂 的负载情况下连续稳定地工作 同时还将有效延长灯具寿命和减少维护成本 二 进度及预期结果 二 进度及预期结果 起止日期起止日期主要内容主要内容预期结果预期结果 3 1 3 15 3 16 3 31 4 1 4 15 4 16 4 31 5 1 5 15 5 15 5 30 查阅相关资料 重点了解 Cortex M3 内核 设备工作原 理 利用 AD 工具及仿真软件设计电路原理图 购买元件 焊接实物电路 完成各模块电路调试 解决实际电路中存在的问题 完成论文初稿 修改毕业设计论文 论文定稿 准备答辩 做好系统设计的各项准备 完成电路原理图设计 完成实物电路制作 完善电路 完成论文修改 完成课题 做好答辩准备 完成课题的完成课题的 现有条件现有条件 Cortex M3 开发板及相关配套资料 PC 示波器 万用表 电烙铁等仪器和工具 可满足本课题的实验要求 审查意见审查意见 指导教师 指导教师 年年 月月 日日 学院意见学院意见 主管领导 主管领导 年年 月月 日日 精品文档 vi欢迎下载vi欢迎下载vi欢迎下载vi欢迎下载vi欢迎下载vi欢迎下载vi欢迎下载 天津工业大学毕业论文进度检查记录 题目题目智能照明 学生姓名学生姓名学院名称学院名称电子与信息学院专业班级专业班级 指导教师姓名指导教师姓名指导教师职称指导教师职称 日日 期期指指 导导 记记 录录 天津工业大学本科毕业论文评阅表 论文类 题目题目智能照明 学生姓名学生姓名学生班级学生班级指导教师姓名指导教师姓名 评审项目评审项目指标满分评分 能体现本专业培养目标 使学生得到较全面训练 题目大小 难度适中 学生工作量饱满 经努力能完成 10 选题选题 题目与生产 科研等实际问题结合紧密 10 课题调研 课题调研 文献检索文献检索 能独立查阅文献以及从事其他形式的调研 能较好 地理解课题任务并提出实施方案 有分析整理各类信息 从中获取新知识的能力 15 结构严谨 理论 观点 概念表达准确 清晰 10 论文撰写论文撰写文字通顺 用语正确 基本无错别字和病句 图表 清楚 书写格式符合规范 10 外文应用外文应用 能正确引用外文文献 翻译准确 文字流畅 5 论文论点正确 论点与论据协调一致 论据充分支 持论点 论证过程有说服力 15 有必要的数据 资料支持 数据 资料翔实可靠 得出的结论有可验性 15 论文水平论文水平 论文有独到见解或有一定实用价值 10 合计合计100 意见及建议 评阅人签名 评阅人签名 年年 月月 日日 精品文档 viii欢迎下载viii欢迎下载viii欢迎下载viii欢迎下载viii欢迎下载viii欢迎下载viii欢迎下载 天津工业大学毕业论文成绩考核表 学生姓名学生姓名学院名称学院名称专业班级专业班级 题目题目智能照明 1 1 毕业设计 论文 指导教师评语及成绩 毕业设计 论文 指导教师评语及成绩 指导教师签字 指导教师签字 年年 月月 日日 2 2 毕业设计 论文 答辩委员会评语及成绩 毕业设计 论文 答辩委员会评语及成绩 答辩主席 或组长 签字 答辩主席 或组长 签字 年年 月月 日日 3 3 毕业设计 论文 总成绩 毕业设计 论文 总成绩 a 指导教师 给定成绩 b 评阅教师 给定成绩 c 毕业答辩成绩 总成绩 a 0 5 b 0 2 c 0 3 成绩 成绩 成绩 成绩 精品文档 x欢迎下载x欢迎下载x欢迎下载x欢迎下载x欢迎下载x欢迎下载x欢迎下载 摘摘 要要 本设计采用光电传感器模块来确定当前环境的亮暗程度 采用热释电红外传感器 模块来确定是否有人在该处活动 通过 STM32 来进行判断和控制 若达到照明条件则 令灯具产生适合的照明强度 当然若是长时间没有人的时候 例如寒暑假的教室 我 们也可以采用物理开关来关闭总电路 由此 我们达到了智能和节能的目的 该照明 系统由于触发的时候不需要产生声音 从而避免了声控噪音的侵扰 此外它是由感应 人体热量来确定照明条件 所以比起声控更能达到节能的效果 本设计完成了该系统中各节点的电路设计 完成了各控制部分的软件设计 进行 了各节点的调试和系统测试 测试结果表明该系统能够实现红外信号和光敏信号的采 集 通过主程序判断应达到的照明效果 并进行照明输出 该系统工作稳定 可应用 于教室和走廊等多种场景 在对照明智能控制和节能方面具有较好的应用前景 本设 计的智能照明系统更适合于走廊和教室等公共场所中使用 关键词关键词 照明 智能控制 STM32F103 热释电红外传感器 光敏传感器 ABSTRACTABSTRACT This design adopts the photoelectric sensor module to determine the brightness degree of the current environment pyroelectric infrared sensor module is used to determine whether anyone in the department activities through the STM32 to determine and control if lighting conditions make appropriate intensity of illumination lamps and lanterns of course if long time no one such as classroom winter and summer vacation we can also use physical switch to shut off the main circuit Thus we achieve the goal of the intelligence and energy saving The lighting system due to trigger don t need to produce a sound avoiding the acoustic noise and it is the lighting conditions were determined by sensing the body heat so more than voice control can achieve the result of energy saving This design completed the system of each node in the circuit design Completed the software design of the control part For each node of the debugging and system test Test results show that the system can realize the infrared signal and optical signal collection through the main program to judge whether meet the requirement of lighting effects and lighting output Stable work this system can be applied in the classroom the corridor and a variety of scenarios in terms of lighting intelligent control energy conservation and has good application prospect The design of intelligent lighting system is more suitable for the corridors and classrooms and other public places KeywordsKeywords Lighting Intelligent control Pyroelectric infrared sensor Photosensitive sensor STM32F103 目目 录录 摘 要 vii ABSTRACT viii 第一章 绪 论 1 1 1 课题的背景 1 1 2 课题的研究现状 2 1 3 课题的目的及意义 2 1 4 主要完成的工作 3 第二章 总体设计 4 2 1 系统组成及网络结构 4 2 1 1 MCU 控制器 4 2 1 2 信号采集模块 5 2 2 系统工作原理 6 2 2 1 MCU 控制部分工作原理 6 2 2 2 信号采集部分工作原理 6 2 2 3 ADC 工作原理 6 2 2 4 PWM 照明输出部分工作原理 6 第三章 硬件电路设计 8 3 1 硬件总体设计 8 3 2 主控硬件设计 8 3 2 1 STM32 单片机最小系统 9 3 2 2 启动模式设置接口 10 3 2 3 USB 串口电路 11 3 2 4 电源输入输出接口 11 3 2 5 功能按键模块 12 3 3 外部信息采集模块设计 12 3 3 1 光敏传感器模块 13 3 3 2 热释电红外传感器模块 14 3 4 照明模块设计 15 第四章 软件设计 16 4 1 软件总体设计 16 4 2 软件介绍 19 精品文档 xiii欢迎下载xiii欢迎下载xiii欢迎下载xiii欢迎下载xiii欢迎下载xiii欢迎下载xiii欢迎下载 4 2 1 MDK5 19 4 2 2 FLYMCU 19 4 3 按键判断 19 4 4 ADC 信号采集 20 4 4 1 ADC 采集光敏传感器 lsens 的信号值 21 4 4 2 ADC 采集热释电红外传感器 infrared 信号值 22 4 5 PWM 控制 LED 照明亮度 23 第五章 系统测试及结果 25 5 1 外部信号采集模块的测试 25 5 3 系统整体测试 27 结束语 28 参考文献 29 附 录 30 附录 1 外文资料及中文翻译 30 附录 2 总体电路原理图 41 附路 3 热释电红外传感器电路原理图 42 附录 4 主程序 42 附录 5 ADC 信号采集程序 44 附录 6 PWM 输出程序 45 附录 7 系统工作状态实物图 47 谢 辞 48 精品文档 1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 课题的背景课题的背景 提起传统照明系统 大多数是综合布线 使用翘板开关来控制电路 对灯具寿命 损耗大 而且容易造成长明灯 造成了极大的能源浪费 但是近些年随着经济和科技 的发展 半导体技术和嵌入式技术如雨后春笋般发展迅速 人们对照明灯具节能和科 学管理提出了更高的要求 使得照明控制在智能化领域的地位越来越重要 1 而今节 能与环保已经成为现在产品开发最先考虑的问题和销售介绍中的亮点 越来越多的人 对于智能照明的关注和传统的建筑照明受到时代的强烈冲击 都使得产品开发商和地 产商愈发的重视智能照明 与传统的照明控制系统相比 现代智能照明控制系统具有 系统化 智能化 网络化 信息化等特点 2 据有关资料统计 目前世界上总发电量 的 25 用于照明 这也使得人们对照明智能化和绿色化的生活方式的需求越加迫切 但是由于我国在新能源研发上起步较晚 技术上也处于比较落后的局面 国内普 通翘板开关还是占领着大部分市场 由于不方便控制及部分人的生活习惯问题 产生 了巨大的能源浪费 身边的浪费现象随处可见 空无一人的教室开着十多盏灯 灯火 通明的楼道 无人使用的卫生间彻夜不关灯 全国每年因此浪费的电量达到数十亿度 久亮不息的灯具寿命也大大缩短 灯具和开关的损坏都会反映到最后的资金浪费问题 上 这些是经济社会所不能忍受的 随着电子技术的发展 尤其是数字技术的发展 用数字电路技术实现灯的自动发亮 节能节电 延长灯的寿命变得越来越成熟 而且 也贴近我们的实际生活 3 以现如今数字电子的技术水平 来实现灯具的更合理的控制达到延长灯具寿命和 节能已经没有太大的难度 我们需要做的是让技术真正融入我们的实际生活之中 红 外传感器和光敏传感器在智能照明控制中的应用提升了照明控制的智能化水平 4 降 低了物理开关的损坏率 智能照明已经成为了我们日常生活的一部分 越来越多的楼 道 教室等场所随处可见智能化的设备 大家也都尝到了智能化生活的甜头 因此普 及率越来越高 更优质的生活方式指日可期 精品文档 2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载 1 2 课题的研究现状课题的研究现状 由于近年比年来我国的器材东西行业迅速急迅崛起 中国已经成为电光源产品的 主要输出国之一 5 改革开放之后 照明器材开始对外开放贸易 国内产品走向国际 国际产品同样进入中国 国际化的竞争愈演愈烈 在这样的大环境下 加快产能优化 加快绿色节能光源的进程 研发不同用途的 照明器材 已经是必然趋势 这也意味着 摆在我国照明器材行业面前所未有的时机 和挑战 由此带来的巨大的利益也是开发商和生产商所最为关注的 随着经济全球化 发达国家产业调整 中国的劳动力成本较低 普通照明生产纷纷移步中国 由此一来 更加促进了中国成为照明器材的生产大国 展望未来的国内发展趋势 我国的光源市 场还是拥有巨大的发展潜力 基础设施建设方面 航运 道路交通等讯速发展 城市 亮化工程方面 绿地 广场 道路 建筑物泛光照明 这些都是照明器材行业发展的 养分 就国内市场需求而言 人们生活水平逐步提高 对生存环境质量的要求也越来越 高 对照明电器产品提出更高的要求 6 新的建筑照明标准实施 新标准基本与国际 接轨 对不同场合的照明提高了要求 同时要求生产企业适应新标准的要求 为各类 照明场所提供相应的产品 7 从国际上看 我国的生产技术水平依旧较低 我国照明 缺乏独创产品 模仿品居多 加工落后 重外观轻性能 结构单一 尤其在智能化照 明方面落后 现阶段照明灯具一般仍旧只有开关两种状态 亮度不可控 无法根据灯 光亮度不同来进行照明场景组合 随着经济和社会的发展 能源紧缺和环境污染问题 进一步显现 8 每年的照明电能消耗占到电能总消耗的 12 15 我们必须以节能和 环保为基本准则来加快照明行业的升级和发展 我国是照明产品的生产大国 我们的 目标是成为照明产品的生产强国 为了这一目标我们仍将不懈地努力 9 1 3 课题的目的及意义课题的目的及意义 智能照明在国内一直受到忽视 绝大多数建筑物仍然沿用传统的照明控制方式 一些智能大厦采用楼宇自控系统来监控照明 但只能实现简单的区域照明和定时开关 功能 10 与传统照明相比智能照明的方式优势极大 升级换代是必然趋势 1 改善工作环境 提高工作效率 2 节能效果可观 在智能控制之下 我们可以拥有对于可调光更优秀的实施方案 而 不只传统的开关状态 当环境光照强度较强时 灯光强度自动变暗 环境光照强度较 弱时 灯光自动变亮 使环境照明亮度适中 甚至可以结合家庭网关进行多场景无线 操控 让我们的生活环境更宜居 精品文档 3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载 3 提高管理水平 减少维护费用 智能照明控制系统将手动开关转换成智能开关 无 人时可自动关闭灯具 减少了照明系统运行维护费用 本课题从实际出发 针对能源浪费问题给出了解决方案 对于传统照明方式的升 级具有重要意义 1 4 主要完成的工作主要完成的工作 本课题基于智能照明的概念 设计出一套照明智能控制系统 分别设计光敏传感 器模块 热释电红外传感器模块 MCU 控制模块 通过光明传感器和红外传感器采集信 息 以 CortexM3 内核的微控制器 STM32 为核心控制占空比输出不同照明亮度 主要完成了以下工作 1 进行需求分析 制定系统设计的总体方案 研究照明控制方案 2 完成 MCU 控制板及外围电路 光电传感器模块 热释电红外传感器模块的电路设计 进行原理图的绘制 完成相关电路的调试和测试 3 基于 STM32 单片机完成了主程序 光敏信号采集部分 红外信号采集部分 PWM 输 出部分的软件设计和调试 4 整体程序的综合调试 精品文档 4欢迎下载4欢迎下载4欢迎下载4欢迎下载4欢迎下载4欢迎下载4欢迎下载 第二章第二章 总体设计总体设计 2 12 1 系统组成及网络结构系统组成及网络结构 本设计的目的在于设计出一个基于 STM32 的智能照明控制系统 该系统可以在 MCU 的控制下 通过光敏模块得到当前环境下的光照强度 通过热释电红外传感器判断当 前环境下是否有人在活动 然后进行判断处理 得出当前时间应该发出的照明强度 整个智能照明控制系统的构成示意图如图 2 1 所示 图 2 1 智能照明控制系统的构成示意图 2 1 12 1 1 MCUMCU 控制器控制器 系统的设计 首先需要考虑的是处理器的选用 目前市面上有各种各样 不同性 能 不同价位 适合各种应用场景的单片机 单片机的选型 无非考虑单片机的内核 类型 数据总线的位数 内部存储空间和外部存储空间的大小 片上资源是否满足所 设计系统的应用需求 单片机 IO 口的多少以及单片机的主频和功耗 综合考虑单片机 的性价比和功耗 MCU 选择了目前应用特别广泛的 STM32 单片机 精品文档 5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载 STM32 单片机性能优越 其主频高达到 72MHz 消费类电子在注重功能的同时也越 来越注重用户的体验 MCU 控制器资源划分如图 2 2 所示 STM32F103 PE4 PE3 PE2 12M无源晶振 NRST BOOT0 USB串口 CH340 外扩独立键盘 模块供电接口LED输出控制 PB5 图 2 2 MCU 控制器资源划分结构框图 2 1 22 1 2 信号采集模块信号采集模块 信号采集模块由光电传感器模块和热释电红外传感器模块两部分 为了开发方便 缩短开发周期 光电传感器模块由我自行焊接 而热释电红外传感器模块采用深圳捷 深科技有限公司的产品 HC SR501 模块运行稳定可靠灵敏度高 综合考虑该系统对 ADC 的采样速率和分辨率的要求 以及对单片机片上资源的充分利用 信号的采样都采 用 STM32 单片机的片上 12 位分辨率的 ADC 信号采集模块对单片机的资源划分如图 2 3 所示 STM32F103 光敏 传感器 信号调 理电路 热释电 红外 传感器 信号调 理电路 ADC CH1 ADC CH2 图 2 3 信号采集模块资源划分结构框图 精品文档 6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载 2 22 2 系统工作原理系统工作原理 该设计在整体上分为 MCU 控制部分 信号采集部分 PWM 照明输出部分 信号采集 部分又分为环境照明信号采集部分和人体活动红外信号采集部分 MCU 控制部分在整个 系统中主要起到控制系统工作时序和实现采样数据的本地处理 人机交互等功能 2 2 12 2 1 MCUMCU 控制部分工作原理控制部分工作原理 ARM 体系结构是个非常优秀的处理器体系结构 特别适合功能专一 性能要求较高 的嵌入式系统 STM32 以 ARM CortexM3 为内核 主频最高工作在 72MHz 上电之后 进行按键的判断 获取信号采集模块的信息 当条件满足时分配合适的占空比进行 PWM 输出 2 2 22 2 2 信号采集部分工作原理信号采集部分工作原理 信号采集部分用来与 MCU 控制部分对接 分别采集环境照明信号和人体活动红外 信号 两个信号采集点除了采集信号的对象不同 信号调理电路不同 对样点数据的 处理方法不同之外 在其它功能上非常相似 为减少误操作需要进行时间段内多次采 样取平均值 环境照明信号和人体活动红外信号在经过各自的信号调理电路之后被送 入与之对应的 ADC 进行采样 然后在主控 MCU 的控制下通过 TIM 输出合适的占空比 2 2 32 2 3 ADCADC 工作原理工作原理 ADC 是将模拟信号转化成数字信号的转换器 将模拟量转换为数字量 现代电子技 术以各种处理器为核心 也就是说 现代电子技术核心是数字电子技术 但是人们所 处的世界是个模拟的 从电子系统外部感知到的信号大部分都是模拟信号 将模拟信 号变换成数字的信号 这就是 ADC 在所有电子系统中的作用 对于本设计信号采集模 块来讲 首先不需要太高的分辨率 其次调理电路输出的信号比较纯净 幅值也满足 一般 ADC 对输入信号的要求 从而不需要位数过高的 ADC 来提高对信号采样的精度 所以在该系统信号采集部分上选择了 STM32 单片机片上的 12 位分辨率的 ADC 对光电信 号和红外信号进行采样 信号经过调理电路之后直连到单片机的 ADC 输入引脚 除了 具有节省成本的优点之外 ADC 采样的控制和数据的读取都非常方便而且稳定 可靠 2 2 42 2 4 PWMPWM 照明输出部分工作原理照明输出部分工作原理 脉宽调制 PWM 基本原理 控制方式就是对逆变电路开关器件的连通和中断进行 控制 使输出端得到一系列幅值相等的脉冲 用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波 形 也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲 使各脉冲的等值电压为正弦波形 精品文档 7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载 所获得的输出平滑且低次谐波少 按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制 即可改变 逆变电路输出电压的大小 也可改变输出频率 11 从主控 MCU 获取占空比 占空比控制着 LED 闪烁的频率 频率低时反映到人眼就 是 LED 亮度低 反之 亮度高 从而达到我们的照明需求 精品文档 8欢迎下载8欢迎下载8欢迎下载8欢迎下载8欢迎下载8欢迎下载8欢迎下载 第三章第三章 硬件电路设计硬件电路设计 3 13 1 硬件总体设计硬件总体设计 硬件设计的总体框架如图 3 1 所示 整个系统以 STM32 单片机为主控芯片 周边 模块包括 电源 晶振 复位 USB 串口 按键模块 光敏传感器模块 热释电红外传 感器模块 LED 照明模块 其中 热释电红外传感器模块采用 BISS0001 对红外信号进 行处理 外围有相应的信号调理电路 将传感器采集到的红外信号经过处理后送入 STM32 单片机的片上 ADC 进行采样 STM32F103ZET6 晶振 复位 光敏传感器模块 热释电红外传感器模块 电源 LED照明模块 按键模块 USB串口电路 图 3 1 硬件设计总体框架框图 3 23 2 主控硬件设计主控硬件设计 在该系统中 主控硬件部分 对整个系统的工作时序进行协调和控制 ADC 信号采 集 扫描按键 处理当前状态 分配合适的占空比来控制 PWM 输出 精品文档 9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载 3 2 13 2 1 STM32STM32 单片机最小系统单片机最小系统 选用 STM32F103ZET6 作为 MCU 最小系统如图 3 2 所示 该芯片为意法半导体 ST 公司出品 STM32F1 系列属于中低端的 ARM 微控制器 以 Cortex M3 为内核的 32 位 RISC 处理器 功耗低 处理能力强 144 引脚 LQFP 封装 该芯片拥有的资源包括 64KB SRAM 512KB FLASH 2 个基本定时器 4 个通用 定时器 2 个高级定时器 2 个 DMA 控制器 共 12 个通道 3 个 SPI 2 个 IIC 5 个串口 1 个 USB 1 个 CAN 3 个 12 位 ADC 1 个 12 位 DAC 1 个 SDIO 接口 1 个 FSMC 接口以及 112 个通用 IO 口 开发时 出于开发方便的目的选用的是 STM32F1 家族常用型号里面 最高配置的 芯片 STM32F103ZET6 在本设计中我们仅用到了电源接口 ADC timer 等很少一部分 功能和 GPIO 接口 所以在实际的生产应用中 我们使用 STM32F103C8T6 就足以应对生 产需求了 从而降低了生产成本 图 3 2 STM32 单片机最小系统原理图 与 ARM 其它较高端处理器比较 STM32 单片机的最小系统相对比较简单 该系统外 接一个 8MHz 无源晶体震荡器到单片机的震荡输入引脚 OSC IN 和 OSC OUT 经过单片机 精品文档 10欢迎下载10欢迎下载10欢迎下载10欢迎下载10欢迎下载10欢迎下载10欢迎下载 内部锁相环倍频到 72MHz 后提供给单片机内核 只要在单片机的复位引脚 NRST 保持一 定时间低电平 单片机将可靠复位 整个系统对复位电路要求较低 所以外接一个 RC 电路和一个按键分别充当单片机的上电复位电路和手动复位电路 在单片机刚上电的 时刻 由于电容尚且没有容纳电荷 3 3V 电源经电阻 R14 对电容 C20 充电 可以近似 的看成是 3 3V 电源与地之间形成回路 NRST 引脚上的电平被正在充电的电容拉低 当 电容充电充满时 3 3V 电源与地之间的回路断开 NRST 引脚上的电平被 3 3V 电源经 电阻 R14 拉高 单片机跳出复位状态开始正常工作 在系统调试时 如果需要复位单 片机系统 只需按下按键 将 NRST 引脚上的电平强制拉低 单片机便可以可靠复位 需要注意的是单片机的 BOOT0 BOOT1 引脚只有在都拉低的状态下单片机才能正常启动 否则不能 但是在烧写程序时 BOOT0 引脚又必须拉高以选择相应的启动模式来烧写程 序 所以在系统中将 BOOT0 和 BOOT1 引脚均由一个 10K 的电阻拉低到地 烧写程序时 在预留的 BOOT0 端口上外接 3 3V 电源电压就可以完成程序的烧写了 3 2 23 2 2 启动模式设置接口启动模式设置接口 STM32 的启动方式用 BOOT0 和 BOOT1 来设置 其接口如图 3 3 所示 其启动模式 如表 3 1 所示 图 3 3 启动模式设置接口原理图 串口下载代码配置 BOOT0 为 1 BOOT1 为 0 STM32 复位键按下后直接跑代码配置 BOOT0 为 0 BOOT1 任意设置 于是有开 发人员专门设计了一键下载电路 通过串口的 DTR 和 RTS 信号配置 BOOT0 和 RST 信号 不再需要用户来手动切换他们的状态 可以直接使用串口下载软件自动控制 下载代码更加方便 表 3 1 BOOT 启动模式表 精品文档 11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载 BOOT0BOOT1 启动模式说明 0X 用户闪存存储器用户闪存存储器 也就是 FLASH 启动 10 系统存储器系统存储器启动 用于串口下载 11 SRAM 启动SARM 启动 用于在 SARM 中调试代码 3 2 33 2 3 USBUSB 串口电路串口电路 USB 转串口采用 CH340G 是江苏沁恒公司的产品 Q2 和 Q3 组合构成一键下载电路 flymcu 软件需设置为 DTR 的低电平复位 RTS 高电平进 BootLoader RESET 控 制复位 BOOT0 是负责启动的 B0 信号 USB 232 是一个 USB 接口 以便 CH340G 和电脑通信 同时可以当作开发板电源 线 USB 232 是系统版的主要供电口 电路原理图如图 3 4 所示 图 3 4 USB 串口电路原理图 3 2 43 2 4 电源输入输出接口电源输入输出接口 为了开发外部模块方便 有两个电源接口 VOUT1 和 VOUT2 分别为 3 3V 和 5V 输出 如图 3 5 所示 功率最大为 1000mA 对于我们的开发来说已经完全够用 图 3 5 电源输入输出接口电路原理图 精品文档 12欢迎下载12欢迎下载12欢迎下载12欢迎下载12欢迎下载12欢迎下载12欢迎下载 3 2 53 2 5 功能按键模块功能按键模块 STM32 单片机的其中一个特点是所有的 IO 口都可以作为中断源 该系统中 主控 部分设置了三个用户按键分别用来控制三个工作模式 按键与单片机的接口电路如图 3 6 所示 KEY1 KEY2 KEY3 为普通按键输入 分别连接在 PE4 PE3 PE2 上 低电 平有效 这里使用 STM32 的内部上拉电阻来为按键提供上拉 当有某一按键按下时 IO 口被下拉到地即低电平 此时 IO 口上产生一个下降沿 单片机监测到按键 跳转到 相应的处理程序中进行相应的处理 图 3 6 按键与单片机的接口电路原理图 3 33 3 外部信息采集模块设计外部信息采集模块设计 外部信息采集模块整体设计框图如图 3 7 所示 该模块在接收到主控终端的指令 后 STM32 单片机的片上 ADC 对经过信号处理电路之后的信号进行采样 然后经过 MCU 的分析来控制输出 光敏信号 采集电路 红外信号 采集电路 STM32 ADC CH1 ADC CH2 图 3 7 外部信号采集模块设计整体框图 精品文档 13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载 3 3 13 3 1 光敏传感器模块光敏传感器模块 LS1 就是光敏电阻 当感应到的光越强 电流越大 光越弱 电流越小 可以把 它看作一个电阻 光越强阻值越小 光越弱阻值越大 通过读出 LSENS 的电压 就能 确定周围环境光照强弱 LSENS 连接在 MCU 的 ADC1 IN1 ADC1 通道 1 上面 即 PA1 引脚 图 3 8 光敏传感器模块原理图 光敏传感器中有很多种 其中就有光敏电阻 很简单 它可以感应光的强弱 通 过调理电路将其转化为电信号 传送至处理器 使处理器确定当前环境以便控制 LED 灯具的开关 所以本系统就采用了这样的方式来进行光电控制 光敏电阻的伏安特性如图 3 9 功能特点是 光谱范围是可见光 不包括红外线 紫外线 响应时间快 体积小 性能稳定 价格较低 图 3 9 光敏电阻伏安特性曲线 该模块电路较为简单 为手动焊接 选用光敏电阻 5K 电阻 47K 1K 各 1 个 该 传感器模块稳定可靠并且灵敏度高 采用 3 3V 直流电源供电 直接送入 ADC 采样 精品文档 14欢迎下载14欢迎下载14欢迎下载14欢迎下载14欢迎下载14欢迎下载14欢迎下载 3 3 23 3 2 热释电红外传感器模块热释电红外传感器模块 世间万物都会辐射出红外线 但是它们辐射出红外线的波长不一样 动物辐射出 的红外线中心波长为 9000 10000nm 我们器材的波长灵敏度在 200 20000nm 范围内稳 定 因为加电极化的电压有极性的 所以极化后的探测元也有正 负极的 传感器将 两个极性相反 特性一致的探测元串接在一起 即可消除外界的干扰 对于辐射至传 感器的红外辐射 热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至 两个探测元上 从而使传感器输出电压信号 制造 PIR 的高热电材料是一种广谱材料 它的探测波长范围为 200 20000nm 为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏度 该 传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片 这种滤波片除了只允许某些波长范围的红外 辐射通过 热释电红外传感器模块中有两个元件很关键 热释电红外传感器 PIR 和菲涅尔 透镜 它们分别将波长为 8000 12000nm 之间的红外信号变化转变为电信号对自然界中 的白光信号起抑制作用和将热释电红外传感器的红外信号折射 反射 在 PIR 上 并 且将警戒区内分为若干区域 这样就能使用热释电红外传感器模块来感应外界环境中 是否有人活动 从而判断是否应该打开灯具 方便人们进行各种活动 本系统设计要求是感应范围不小于 5 米 系统设计选用 HC SR501 人体感应模块 功能特点是 工作电压 DC4 5 20V 工作温度范围广 15 70 感应角度为2000 Y Lsens 3900Y LED完全开启 然后延时50ms N LED开启小夜灯 模式然后延时 50ms 获取热释电红外 传感器返回值 Y Y 图 4 1 系统主程序流程图 主程序具体如下 int main void LED2 OFF 关闭 LED2 TIM3 PWM Init 899 0 不分频 PWM 频率 72000000 900 80Khz TIM SetCompare2 TIM3 0 设置 TIM3 初始值为 0 while 1 判断按键选择模式 精品文档 18欢迎下载18欢迎下载18欢迎下载18欢迎下载18欢迎下载18欢迎下载18欢迎下载 if KEY1 0 key KEY1 PRES if KEY2 0 key KEY2 PRES if KEY3 0 key KEY3 PRES if key KEY1 PRES 开启模式 1 LED 常亮模式 TIM SetCompare2 TIM3 899 LED 完全开启模式 else if key KEY2 PRES 开启模式 2 进入自动控制模式 TIM SetCompare2 TIM3 0 关闭 LED while key KEY1 PRES 获取 ADC1 通道 1 光敏电阻 ADC 值 infrared Get Infrared 60 获取热释电红外传感器返回值 if KEY1 0 key KEY1 PRES 判断是否有 KEY1 按下 if KEY3 0 key KEY3 PRES 判断是否有 KEY1 按下 while lsens 2000 delay ms 50 else 光线昏暗且有人 LED 开启小夜灯模式 led3pwmval 50 TIM SetCompare2 TIM3 led3pwmval delay ms 50 infrared Get Infrared 10 TIM SetCompare2 TIM3 0 无人时恢复 LED 关闭状态 else if key KEY3 PRES TIM SetCompare2 TIM3 0 精品文档 19欢迎下载19欢迎下载19欢迎下载19欢迎下载19欢迎下载19欢迎下载19欢迎下载 4 24 2 软件介绍软件介绍 4 2 14 2 1 MDK5MDK5 MDK 源自德国的 KEIL 公司 是 RealView MDK 的简称 目前最新版本为 MDK5 14 这个软件非常好 该版本使用 uVision5 IDE 集成开发环境非常适合本课题 设计 以前的版本的开发项目也可以拿来在这做 只是有些东西要手动自己加了 MDK5 由两个部分组成 MDK Core 和 Software Packs Keil 公司开发的 ARM 开发工具 MDK 这个软件也适合其他关于 ARM 的软件开发 是用来开发基于 ARM 核的系列微控制器的嵌入式应用程序 它适合各式各样的开发者 使用 只要是开发嵌入式软件的都可以 MDK 包含了很多的组件 支持所有基于 ARM 的 设备 真的是非常适合各类开发者使用 能帮助工程师更好的完成项目 4 2 24 2 2 FLYMCUFLYMCU 采用 flymcu 进行一键下载 一键下载电路的具体实现过程 1 flymcu 控制 DTR 输出低电平 DTR N 输出高 RTS 置高 RTS N 输出低 如此 Q2 Q3 都导通了 BOOT0 被拉高 实现设置 BOOT0 为 1 MCU 的复位脚被拉低 实 现复位 2 延时 100ms 后 flymcu 控制 DTR 为高电平 DTR N 输出低电平 RTS 维持高电平 RTS N 继续为低电平 就在这个时候时 STM32F1 的复位引脚 Q2 不再导通 变为高 电平 STM32F1 结束复位 BOOT0 还是维持为 1 这样就进入了 ISP 模式 接下来 flymcu 开始连接 MCU 下载代码了 4 34 3 按键判断按键判断 KEY Init 是用来初始化按键输入的 IO 口的 首先使能 GPIOE 时钟 然后设置 PE4 PE3 PE2 分别对应 KEY1 KEY2 KEY3 端口模式为输入上拉模式 最后初始化 对应端口 本电路的按键按不能连续一直按着 就算按着也不会多次触发 但是对于 本实验来说再合适不过了 因为我们在本设计中并不需要长按 所以并不受影响 当 检测到 KEY1 按下时 将 KEY1 PRES 赋给 key 当检测到 KEY2 按下时 将 KEY2 PRES 赋 给 key 当检测到 KEY3 按下时 将 KEY3 PRES 赋给 key 再配合 if 条件语句 从而达 到 KEY1 控制开启模式 1 LED 常亮 KEY2 控制开启模式 2 进入自动控制模式 KEY3 控 制开启模式 3 进入关闭 LED 模式 精品文档 20欢迎下载20欢迎下载20欢迎下载20欢迎下载20欢迎下载20欢迎下载20欢迎下载 4 44 4 ADCADC 信号采集信号采集 STM32F103 系列最少都拥有 2 个 ADC 我们选择的 STM32F103ZET 包含有 3 个 ADC STM32 的 ADC 的转换速率最大也就到了为 1Mhz 换算成转换时间便是 1us 了 最好不要让 ADC 的时钟超过 14M 如果超过的话会导致准确度大大下降 这里我们采 用 ADC1 流程图如图 4 2 所示 当 KEY2 按下时 我们就需要利用 ADC1 通道 1 和通道 2 分别采集光敏传感器和热 释电红外传感器的信号了 ADC 信号采集涉及到两个函数 Adc Init Get Adc Adc Init 用来初始化 ADC 信号 采集 IO 口 开始 开启 PA 口时钟和 ADC1 时钟 设置 PA1 为模拟输入 复位 ADC1 同时 设置 ADC1 分频因子 初始化 ADC1 参数 设置 ADC1 的工作模式以及 规则序列的相关信息 使能 ADC 并校准 读取 ADC 值 结束 图 4 2 ADC 采样流程图 1 使能 PORTA 的时钟和 ADC1 时钟 2 设置 PA1 为模拟输入开启 复位 ADC1 3 将 ADC1 的全部寄存器重设为缺省值之后通过 RCC CFGR 设置 ADC1 的分频因 子 分频因子要确保 ADC1 的时钟 ADCCLK 不要超过 14Mhz 这里设置分频因子 为 6 时钟为 72M 6 12MHz 4 进行 ADC1 的模式配置了 设置单次转换模式 软件触发方式 数据对齐方式 为右对齐 设置规则序列中通道数为 1 5 使能 AD 转换器 执行复位校准和 AD 校准 6 利用 Get Adc 设置规则序列 1 里面的通道 采样顺序 通道采样周期设置 239 5 7 启动 ADC 转换 精品文档 21欢迎下载21欢迎下载21欢迎下载21欢迎下载21欢迎下载21欢迎下载21欢迎下载 8 转换结束之后 读取 ADC1 转换结果值 4 4 14 4 1 ADCADC 采集光敏传感器采集光敏传感器 lsenslsens 的信号值的信号值 为保障读取的信息的准确 这里我们又建立了一个函数 Get