天津工业大学本科毕业论文
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
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。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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