基于stm32-M3智能照明毕业设计论文

天津

毕业论文

基于Cortex-M3的智能照明系统的设计

姓 名： 学 院： 专 业： 班 级： 指导教师：

2015 年 6 月 1 日

天津工业大学毕业设计（论文）任务书

题目 学生姓名 课题类型 基于Cortex-M3的智能照明系统的设计 学院名称 生产实际 专业班级 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课题意义 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： 任务与进度要求 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。 [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). 主要参考文献 [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 备注 2016.3.1——2016.5.30 院长 教研室主任 指导教师

毕业设计（论文）开题报告表

2016 年 1 月 11 日 姓名 题目 学院 专业 电子信息工程 班级 指导教师 基于Cortex-M3的智能照明系统的设计 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：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：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：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： 起止日期 3.1-3.15 3.16-3.31 4.1-4.15 4.16-4.31 5.1-5.15 5.15-5.30 主要内容 预期结果 查阅相关资料，重点了解Cortex-M3内核，设备工作原理。 做好系统设计的各项准备 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。 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 完成课题的现有条件 审查意见 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。 指导教师： 年 月 日 学院意见 主管领导： 年 月 日

天津工业大学毕业论文进度检查记录

题目 学生姓名 学院名称 智能照明 电子与信息学院 专业班级 指导教师职称 指 导 记 录

指导教师姓名 日 期

天津工业大学本科毕业论文评阅表

（论文类） 题目 学生姓名 评审项目 学生班级 指标 能体现本专业培养目标，使学生得到较全面训练。选题 题目大小、难度适中，学生工作量饱满，经努力能完成。 题目与生产、科研等实际问题结合紧密。 能独立查阅文献以及从事其他形式的调研，能较好课题调研、地理解课题任务并提出实施方案；有分析整理各类信息，文献检索 从中获取新知识的能力。 结构严谨，理论、观点、概念表达准确、清晰。 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。 外文应用 能正确引用外文文献，翻译准确，文字流畅。 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。 论文水平 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。 论文有独到见解或有一定实用价值。 合计 意见及建议： 评阅人签名： 15 10 10 5 15 15 10 100 10 10 智能照明 指导教师姓名 满分 评分 年 月 日

天津工业大学毕业论文成绩考核表 学生姓名 学院名称 专业班级 题目 智能照明 1．毕业设计（论文）指导教师评语及成绩： 成绩： 指导教师签字： 年 月 日 2．毕业设计（论文）答辩委员会评语及成绩： 成绩： 答辩主席（或组长）签字： 年 月 日 3．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)

摘 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：照明；智能控制；STM32F103；热释电红外传感器；光敏传感器

ABSTRACT

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.

Keywords: Lighting; Intelligent control; Pyroelectric infrared sensor; Photosensitive sensor ; STM32F103

目 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

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

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第一章 绪 论

1.1 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。

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1.2 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

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。

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。

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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

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。

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第二章 总体设计

2.1 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

2.1.1 MCU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。

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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。 模块供电接口LED输出控制PB512M无源晶振CH340USB串口PE4 PE3 PE2NRST BOOT0 STM32F103外扩独立键盘图2-2 MCU控制器资源划分结构框图 2.1.2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。 光敏 信号调传感器理电路ADC CH1 STM32F103热释电信号调红外 理电路传感器ADC CH2 图2-3 信号采集模块资源划分结构框图

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表3-1 BOOT启动模式表 BOOT0 0 1 1 BOOT1 X 0 1 启动模式 用户闪存存储器 系统存储器 SRAM启动 说明 用户闪存存储器，也就是FLASH启动 系统存储器启动，用于串口下载 SARM启动，用于在SARM中调试代码 3.2.3 USB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

3.2.4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

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3.2.5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

3.3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ADC CH1 STM32ADC CH2 图3-7 外部信号采集模块设计整体框图

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3.3.1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。

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3.3.2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<100度锥角；全自动感应；灵敏度高；噪声系数小。如图3-10。

图3-10 人体感应模块电路

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3.4照明模块设计

LED3连接在 MCU 的 PB5 引脚。外部采集信号经过MCU处理判断过后，通过LED3进行PWM输出。以达成我们最终需要的照明状态。

图3-11 LED模块原理图

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4.4.1 ADC采集光敏传感器lsens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_Adc_Average。该函数的作用就是多次读取ADC的值，然后取平均值反馈回函数。

我们这里对于光敏信号的采集采用了连续读取10次ADC1通道1信号值，取平均值，然后将值赋给lsens。

具体程序如下： //获得ADC值 //ch:通道值 0~3 u16 Get_Adc(u8 ch) {

//设置指定ADC的规则组通道，一个序列，采样时间 }

//获取ADC平均值

u16 Get_Adc_Average(u8 ch,u8 times) { }

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ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ch, 1, DC_SampleTime_239Cycles5 ); //ADC1,ADC通道,采样时间为239.5周期 ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE); //使能指定的ADC1的软件转换启动功能

while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC )); //等待转换结束

return ADC_GetConversionValue(ADC1); //返回最近一次ADC1规则组的转换结果

u32 temp_val=0; u8 t;

for(t=0;t

return temp_val/times;

temp_val+=Get_Adc(ch); delay_ms(5);

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4.4.2 ADC采集热释电红外传感器infrared信号值

这里我们建立了Get_Infrared函数。为减少误操作发生率，该函数作用是多次读取ADC1通道2信号值，若达到设置值则为达标，规定次数之内达标次数超过90%则视为有人，反之则为无人。

我们这里对于热释电红外传感器信号采集，规定次数为60次，若有人则将infrared赋值为1，反之赋值为0。

因为多次读取ADC获取值并计算判断的耗时较长，然而又不能耽误KEY键值的获取判断，所以在Get_Infrared函数获取人体活动红外信号的过程中加入了KEY键值的判断。

具体主要程序如下： u8 Get_Infrared(u8 time) {

u8 t=0; u8 x=0; u8 y=0; vu8 key=0; u16 infrare; }

22

while((t

if(x>(time*9/10)) else

y=1; y=0;

t++;

infrare=Get_Adc_Average(ADC_Channel_2,10); if(infrare>=3000)

x+=1;

if(KEY1==0)

key=KEY1_PRES; if(KEY3==0)

key=KEY3_PRES; delay_ms(1);

return y;

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4.5 PWM控制LED照明亮度

本设计中，针对不同情景模式有不同的照明亮度，关闭、小夜灯、完全打开三种模式。所以需要PWM来控制小灯的亮度。

如何进行PWM 脉宽调制是一个令LED能任意调节亮度的关键。PWM中文名称叫脉冲宽度调制，英文全称叫“Pulse Width Modulation”，我们这里就叫做脉宽调制。利用微处理器的数字输出转化为类似模拟输出的非常好而有效的技术。控制占空比，简单来说，就是对脉冲宽度的控制。

STM32 的定时器除了 TIM6 和 TIM7。其他的定时器都可以用来产生 PWM 输出。那么这里面就有了高级定时器和通用定时器之分。高级定时器有 TIM1 和 TIM8 ，他俩可以同时产生7 路脉宽调制输出，而通用定时器能同时产生4 路的脉宽调制输出，我们这里就用的TIM3，加起来 STM32 最多可以同时产生 30 路 PWM 输出。这里我们仅利用 TIM3 的 CH2 产生一路 PWM 输出。通过多路PWM控制灯的亮度，我们还可以组成多种采光模式，可以拓展到智能家居上。

本设计要使用 TIM3，需要进行很多步骤：如图4-3所示。 （1） 开启 TIM3 的时钟。

（2） 配置 PB5 为复用输出。TIM3_CH2 默认是接在 PA7 上的，由此我们需要设置 TIM3_REMAP 为部分重映射以便 TIM3_CH2 重映射到 PB5 上。此时TIM3_CH2 通道将重映射到 PB5 上，在这个时候，PB5 属于复用功能输出。因为 STM32 重映射只能重映射到特定的端口。具体做法是，我们可以把第一个入口参数理解为设置重映射的类型，我们可以将其设置为GPIO_PartialRemap_TIM。

（3） 设置 ARR 和 PSC 两个寄存器的值来控制输出 PWM 的周期。当 PWM 周期达到一定速度（高于于 50Hz）的时候，我们的人眼才不会觉得闪烁。因此，PWM 周期在这里不应该设置的太小。

（4） 我们要设置 TIM3_CH2 为脉宽调制模式， DS0 为低电平亮，我们需要当 CCR2 的值小的时候，DS0 就暗，反之，DS0 就亮，由此要通过配置 TIM3_CCMR1 的位来控制TIM3_CH2 的模式，在库函数中，PWM 通道设置是通过函数 TIM_OC1Init()~TIM_OC4Init()来设置的，我们在这用的是通道 2，所以要用函数 TIM_OC2Init()。 （5） 使能 TIM3。

在此，脉宽调制开始输出了，只不过此时占空比和频率都是固定的，我们需要通过修改 TIM3_CCR2 则控制 CH2 的输出占空比。继而控制 DS0 的亮度。 本设计运用库函数void TIM_SetCompare2(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t Compare2)来修改 TIM3_CCR2 占空比。

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因此，本设计中所用到的三种模式分别对应的函数为：关闭LED模式TIM_SetCompare2(TIM3,0);小夜灯模式TIM_SetCompare2(TIM3,50);完全打开LED模式TIM_SetCompare2(TIM3,899); 开始开启 TIM3 时钟以及复用功能时钟，配置 PB5 为复用输出。 设置 TIM3_CH2 的 PWM 模式，使能 TIM3 的 CH2 输出设置 TIM3_CH2 重映射到 PB5 上。 使能 TIM3。 初始化 TIM3,设置 TIM3 的 ARR 和 PSC修改 TIM3_CCR2 来控制占空比以调节LED亮度结束图4-3 TIM3控制占空比流程图 24

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第五章 系统测试及结果

5.1外部信号采集模块的测试

嵌入式系统、单片机系统的测试方法多种多样，包括串口测试，JTAG在线测试，以及利用一些显示设备，例如TFT LCD，数码管，LED指示灯，蜂鸣器等。但最终目的在于调试系统的软件和硬件，使系统正常工作，达到预期效果。在该系统调试的过程中，主要利用LED指示灯，TFT LCD显示调试信息的方法。

光电传感器模块电源由开发板提供3.3V。信号采集线接入PA1。实物图如图5-1。

图5-1 光敏传感器模块实物图

热释电红外传感器模块电源也由开发板提供同样为3.3V，信号采集线接入PA2。实物图如图5-2。

图5-2 热释电红外传感器模块实物图

主控MCU将光电传感器模块和热释电红外传感器模块采集的信息进行处理，然后在TFTLCD上进行显示，虽然最后系统并不需要LCD显示，但是为了更直观的发现数据采集上的问题，安装了LCD模块，并进行了驱动程序的编写。利用TFT实时显示采集的信息值和转化后的电压值，调试程序。如图5-3和图5-4所示，可以明显看到，当光照较强时，光敏传感器采集的信息lsens在200~1900之间；当光照较弱时lsens在3000~3900之间；当光线过暗时lsens达到3900以上。有人在热释电红外传感器周围活动时，infrared值为1；若没人或一段时间感应不到人活动，则infrared值为0。达到了预期工作状态。

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图5-3 光线较暗时有人状况下信号采集实物图 图5-4 光线较亮时无人状况下信号采集实物图

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5.3系统整体测试

各个模块连接好，上电，写入程序。按下KEY1，LED点亮，现象如图5-5所示。按下KEY3时，LED熄灭。按下KEY2当光线过低时，并且有人在周围活动，LED显示相应亮度，由此可以看出系统进入了自动控制模式。接下来当KEY1或KEY3按下时LED会对应完全点亮或熄灭。如表5-1所示。以上得出结论，测试成功，该系统已经实现目标功能。

图5-5 系统整体运行实物图

表5-1外部环境及对应LED输出表

按键 KEY1 KEY2 KEY3 光线较强或 周围没有人活动 LED完全打开 LED关闭 LED关闭 光线较暗并且 周围有人活动 LED完全打开 LED小夜灯模式 LED关闭 光线非常暗并且 周围有人活动 LED完全打开 LED完全打开 LED关闭 27

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结束语

该系统以STM32单片机为主控芯片，利用光敏传感器模块和热释电红外传感器模块，并设计了对应程序进行外部信息采集。通过MCU控制器，判断和处理当前环境信息，控制占空比来进行相应PWM输出，以达到我们需要的照明环境。

主控核心板采用STM32F103，热释电红外传感器采用BISS0001进行信号处理。STM32单片机以ARM Cortex-M3为内核，性能优越，功耗合理，特别适合对处理性能要求较高的单片机系统。BISS0001和热释电红外传感器加上少量其他器件组成被动式的热释电红外开关。它能自动快速开启各类灯具和报警装置，适用于教室走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。

STM32单片机本身带有12位分辨率的ADC，采样速率最高可达1MHz。该系统设计时将采样速率定为1KHz，12位分辨率的ADC完全满足需求。为节约成本和缩短开发周期，减小系统体积，信号采样直接选用STM32单片机的片上ADC。

系统运行稳定、可靠、操作方便，整个系统完成了预期的所有功能。

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参考文献

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附 录

附录1：外文资料及中文翻译

外文资料：

ZigBee-based Smart Home System Design

Abstract:This paper aims to construct a Smart Home system based on ZigBee wireless communication technology. The article will introduce the Smart Home industry and analyze the advantages of ZigBee wireless communication technology used in the Smart Home system. It describes the structure composition of the Smart Home system based on ZigBee, and finally gives the system design concept and implementation approach. Keywords:ZigBee;Smart Home; Wireless Communication;System Design

I. INTRODUCTION

In recent years, along with the personal computer and Internet's rapid popularization, the electrical appliances industry's rapid development, the information technology gradually penetrates into people's daily lives, Smart Home design also gradually entering people's horizons. This paper introduced a ZigBee-based Smart Home system's design and implementation which has good flexibility, high portability, easily expanded and so on.

II. SMART HOME AND ITS DEVELOPMENT

Smart Home's goal is to achieve the intelligent control of household equipments through the network information communication technology, and enable them to work in accordance with people's orders regardless of the distance. A. The concept of Smart Home

Smart Home is highly-efficient, comfortable, safe and convenient living environment which uses a home as a platform and puts the buildings, automation and intelligentization in one [1]. Using advanced computer technology, network communication technology and control technology (3C), Smart Home will create a family integrated service and management integrated system which consists of home security protection system, network services system and home automation system, in order to achieve a home with comprehensive security protection, convenient communication network and comfortable living environment.

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/bleg.html