基于STM32的办公室照明节能系统设计

2021-03-26叶伟光

光源与照明 2021年1期

叶伟光

广州大学机械与电气工程学院，广东广州 510006

0 引言

随着现代社会的发展，发达城市的办公大厦较多，办公室更是数不胜数，但也由此引发了过度照明、浪费电能的现象。不管办公室是否有人，照明灯光常亮不熄，造成了极大的能源浪费。因此，如何提高我国办公室用电效率成为目前首要考虑的问题，亟待解决[1]。当前，我国已经将照明节能技术应用于办公室照明。但是我国办公室灯光的控制现状表明，整体智能化水平仍较低，办公室的用电模式依然比较传统，即主要采用人工管理模式，我国自动化技术和智能化水平仍有待提高，同时办公室灯光的管理也应该朝着自动化和智能化方向快速发展，以提升其便利性。为此，文章开发了一款实用性强、价值性高的基于STM32的办公室照明节能系统。

1 智能照明国内外发展现状

20世纪80年代，美国照明行业开始兴起并逐渐发展。随着计算机、通信和自动化技术在全球范围内的广泛应用，其技术不断走向成熟，使全世界民众的生活和工作发生了翻天覆地的变化，照明行业也发生了巨大变革。21世纪，现代化发展更加迅速，一大批新产品和新技术不断涌现，使照明技术逐渐向一体化、自动化、智能化的方向发展[2]。随着智能照明技术的蓬勃发展，不仅国外涌现了许多行业内的著名企业，我国很多企业也发展迅速，生产了较多智能灯光照明产品，如上海奇胜综合多种自动化通信技术，实现了较高水平的灯光控制。智能照明企业的发展丰富了我国灯光照明智能产品，改变了人们的生活。特别是随着计算机技术的蓬勃发展，提高了处理器的运行速度和可靠性，从而使智能照明产品更加智能和可靠，更加适应人们的需求。

2 办公室照明节能系统控制方案

2.1 整体方案

基于STM32 F103系列的办公室照明节能系统以办公室内光的强弱大小程度和办公室内是否有人存在作为开灯和关灯的主要衡量指标。

（1）当办公室的光强度较大时，无论办公室是否有人，系统控制办公室的灯均处于关闭状态；

（2）当办公室的光强度较小，有人存在且超过一定时间时，系统控制办公室的灯处于打开状态，直至办公室的人离开；在一定延时后，系统控制办公室的灯处于关闭状态，从而解决办公室在各种不同情况下灯光照明不合理等问题。

该系统主要由硬件和软件2部分综合设计而成。良好的硬件是系统正常运行的前提，也是保证系统可靠性的基础，而且为软件的正常运行提供了良好的平台。良好的软件则是在微控制器中，通过硬件采集得到信号，进行分析并输出，通过处理后实现用户所需求的各项功能。

2.2 硬件设计

硬件设计需要考虑实际情况。结合实际情况，可知办公室的实际环境复杂，对硬件指标的影响因素较多。例如，光线感应模块电路因为环境温度变化的影响将产生误差，因此在整体基于STM32 F103系列的办公室照明节能系统设计的过程中，在器件选型时应注意抗干扰。同时，在选用各种电子器件时，需充分考虑环境的影响，判断是否需要额外搭建抗干扰的电路，从而提升该系统的硬件抗干扰能力。

该系统采用热释红外人体传感器，当运动的人体通过时，该传感器采集相应信息，转化为电压信号，配合放大电路将信号放大，可以检测在一定范围内是否存在人体，所采用的传感器探测人体辐射，功耗小，价格便宜。采用光敏三极管构成的电路检测周围环境光照的强度，随着光照的强弱变化，判断是否开灯或者关灯。光照强度越大，则电流越大。使用光敏三极管需注意采光点的选取，因为办公室并非每一处的亮度均相同，所以应该进行多点采集。

（1）热释红外人体传感器。热释红外人体传感器广泛应用于电子防盗领域，经过近些年的研发和探索，防盗效果已经显著提升。另外，热释红外人体传感器在人体探测器领域的应用也备受重视，其具有成本低、运行稳定等优势，受到业界的认可。

红外感应源一般使用热释电元件，因此需要了解热释电元件的工作原理，这是制作该系统的前提条件。需要注意的是，红外线热释电人体传感器必须安装在室内相对稳定的环境中，而且为了降低误报的概率，需严格把控其安置的位置、方式等。实际安装时，首先，红外线热释电传感器应与地面保持一定的距离，通常为2.0～2.2 m，以便更好地发挥其作用。其次，热释红外人体传感器的安装应该远离空调、冰箱、微波炉等容易产生温度变化的设备，避免误报。再次，红外线热释电传感器探测范围内避免有家具、盆栽、屏风等隔离物体，以免影响效果。最后，红外线热释电传感器不能直接对准窗口，以免窗口的热气流以及人员流动对其正常运转产生不良影响。

红外线热释电传感器的使用效果和人的运动方向也有非常直接的关系，其对于径向运动的敏感程度较低，而对于横向运动敏感程度较高。因此，在现场安装时，应当考虑人员的运动方向，以提升传感器的探测效果。

（2）光敏三极管。光敏三极管和普通三极管具有一致性，均可以放大电流，但是光敏三极管的集电极电流不仅由基极控制，还受光辐射的影响。对于光敏三极管而言，通常基极不引出，但是某些特殊光敏三极管有基极引出，作用有实现温度补偿、实现附加控制。

光敏三极管又被称为光电三极管和光电晶体管。在工程领域中使用光传感器时，需要对光照进行操作，因此光敏三极管应用十分广泛，比如对光照进行采集和检测、实现信号通信或者电气隔离。因为光敏三极管的实际使用效果较好，所以将其应用于自动化设备可以提高生产效率，实现更多的产出。因此，光敏三极管逐渐成为社会发展中重要的电子元件之一。光敏三极管的工作原理是通过P-N结，原因是P-N结的特性和结构使其在接收光照的同时，将光能转换为电能。同时，将光敏三极管加上反向电压，特别是管内会形成反向电流，反向电流的大小和强弱随着P-N结接受的光照强度的变化而变化，即照射P-N结的光照强度越大，管内的反向电流越大。实际上，大多数光敏三极管工作在上述状态。

光敏三极管不同于普通三极管之处在于光电流。P-N结在受到光的照射时，内部的电子定向移动，形成光电流，这是光敏三极管十分重要的特性。根据制成材料的不同，光敏三极管的光谱特性存在一定差异。一般来说，三极管比二极管具有更强大的光电流放大能力，敏感性更高。光敏三极管与普通三极管在结构上也有一定的区别，最显著的区别是光敏三极管在结构上需要有一个光敏感的P-N结，以此接收光辐射。在制作工艺上，光敏三极管与普通三极管一致，具有NPN或PNP的内部结构。光敏三极管在结构上与半导体三极管大致相同，均具有2个电极，个别类型具有3个电极。为了提升光电转换的效果，基区面积会适当扩大，另外会适当缩小发射区面积，方便接收入射光。

2.3 软件设计

因为硬件和软件具有密切的结合关系，是一个统一的整体，所以在设计过程中需要确保硬件结构和细节电路的正确性，以便结合相对应的系统程序软件。该系统软件采用模块化和结构化的设计思路。首先编制好主要程序，然后在设计各个子程序时分别对每个小模块进行设计、编程和调试。该系统软件模块主要包括系统监控主程序模块子程序、数据感应模块子程序、照明灯光子程序模块等。