邱浩男

摘 要：針對高校各個教室的節(jié)能燈在使用中普遍存在的由于關斷控制不節(jié)制及智能化較低造成的電力浪費問題，重點研究節(jié)能燈的智能化控制系統(tǒng)。文章采用STM32F103單片機完成節(jié)能燈的控制系統(tǒng)方案設計，使其控制系統(tǒng)具有節(jié)能燈的節(jié)能控制及物聯(lián)網功能，基于功能方案設計，完成整體的硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)設計，通過在某個高校的試驗，得出該控制系統(tǒng)可以較好地實現(xiàn)對節(jié)能燈的控制，最大化節(jié)約電量的結論。

關鍵詞：STM32F103單片機;節(jié)能燈;物聯(lián)網;控制系統(tǒng);設計

1? ? 節(jié)能燈控制系統(tǒng)方案

本設計采用STM32F103單片機完成節(jié)能燈控制系統(tǒng)的方案設計。STM32F103單片機是ST公司推出的一款16位微型單片機，近年來，在工業(yè)控制、物聯(lián)網行業(yè)得到了廣泛應用。

節(jié)能燈控制系統(tǒng)實現(xiàn)的功能如下：（1）智能開關功能。利用STM32F103靈活的定時器PWM輸出功能，實現(xiàn)節(jié)能燈PWM調節(jié)控制，使節(jié)能燈的控制更加穩(wěn)定，減小節(jié)能燈由于常規(guī)直接滿電壓啟動造成的沖擊電流，延長節(jié)能燈的使用壽命。（2）感應功能。當有人員靠近節(jié)能燈的光照距離范圍內時，控制系統(tǒng)可以完成及時檢測，并將檢測信號送入STM32F103單片機，參與節(jié)能燈的智能化控制邏輯。當節(jié)能燈周邊長時間無人時，進行自動熄滅或者降低亮度處理，進一步節(jié)約電量。（3）光照度檢測功能?？刂葡到y(tǒng)可以完成使用環(huán)境的光照度檢測，確保在白天或者光照度較好的時間內，進入熄滅或者節(jié)能工作狀態(tài)，節(jié)約電力，減少浪費。（4）定時開關功能?？刂葡到y(tǒng)可以完成開關定時功能，并支持夏令時、冬令時使用習慣的自動調節(jié)，整點定時開關鬧鈴，最大化地省去值班人員的工作量，節(jié)約人力及電力開銷。

2? ? 節(jié)能燈控制系統(tǒng)設計

2.1? 硬件系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)的硬件組成主要包括：STM32F103外圍系統(tǒng)、節(jié)能燈的功率PWM調節(jié)模塊、人體感應模塊、時鐘電路模塊、光照度檢測模塊、串口通信模塊。

（1）STM32F103單片機及其最小系統(tǒng)。主要由晶體模塊、復位電路、CPU組成;其中，晶體模塊選用8 MHz的外部晶體并帶載3 PF的獨立電容，為CPU控制系統(tǒng)的工作提供必要的時鐘基準。復位電路選用典型的RC上電復位電路，R選用103的表貼電阻，電容C選用表貼104電容。單片機CPU選用STM32F103C8T6。（2）節(jié)能燈的功率驅動模塊。由光隔器件、PWM信號放大器件、磁保持繼電器組成;光隔器件選用foderm 121快速光耦，實現(xiàn)CPU與強電控制回路之間的安全隔離作用，降低CPU控制回路的干擾信號，提高運行穩(wěn)定性;PWM信號放大器件選用專用驅動芯片33996器件，可以同時支持SPI通信的16路控制信號，達到同時控制多路節(jié)能燈的目的;磁保持繼電器主要用于實現(xiàn)節(jié)能燈主控強電回路的導通。（3）人體感應模塊。選用常規(guī)SR04人體感應模塊實現(xiàn)節(jié)能燈光照范圍內的人員檢測。（4）時鐘電路模塊。選用DS1302時鐘芯片，完成上電的自動校時，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的24 h定時和計時。（5）光照度檢測模塊。選用光照度檢測的光敏電阻組成分壓電路，并使用STM32F103C8T6單片機自帶的AD采樣功能，完成使用環(huán)境的光照度檢測。

2.2? 軟件設計

軟件設計包括：初始化、主循環(huán)、PWM子程序、IO中斷子程序、時間子程序、AD采樣處理子程序、串口中斷子程序。

初始化程序完成整體CPU及相關變量的初始化處理;主程序完成整體控制邏輯的處理;PWM子程序實現(xiàn)基于定時器的PWM調制脈沖信號的產生于輸出;外部中斷實現(xiàn)人體感應信號的檢測功能;時間子程序完成DS1302時鐘器件的數(shù)據(jù)讀取;AD采樣處理子程序完成光敏電阻電壓值的采樣及處理;串口中斷子程序實現(xiàn)后臺監(jiān)控平臺的物聯(lián)網通信報文解析。

3? ? 實驗驗證

完成裝置的設計及加工之后，在某高校節(jié)能燈改造節(jié)電工程應用中進行實際驗證，選用校園內，使用頻率較高的一樁教學樓進行試驗。為了更好地確保試驗數(shù)據(jù)的準確性及實際節(jié)能效果，對于實驗樓，試驗時間的選用確保兼顧冬令時及夏令時使用環(huán)境。實驗過程中，為確保試驗數(shù)據(jù)離散性帶來的影響降低到最低，實驗采用記錄5組試驗數(shù)據(jù)的處理方式。使用節(jié)能控制系統(tǒng)前用電量數(shù)據(jù)（kWh）如下：

一季度：5 010，5 518，5 300，5 455，5 678;二季度：4 990，4 934，5 120，5 350，5 505;三季度：4 343，4 444，4 300，4 475，4 768;四季度：3 980，3 944，3 110，3 340，3 588;

使用節(jié)能燈控制系統(tǒng)后用電量數(shù)據(jù)（kWh）如下：

一季度：4 444，4 508，4 320，4 420，4 230;二季度：3 780，3 678，3 567，3 898，3 778;三季度：3 017，3 003，3 012，3 080， 3 501;四季度：2 960，2 875，2 100，2 235，2 134;

通過上面的實驗數(shù)據(jù)對比可以得出，使用該節(jié)能控制系統(tǒng)之后，一季度節(jié)電18.7%;二季度節(jié)電27.8%;三季度節(jié)電30%;四季度節(jié)電31.5%;全年節(jié)電約27%。

4? ? 結語

本設計采用STM32F103單片機完成的節(jié)能燈控制系設計，開展硬件模塊電路設計及軟件模塊設計，最后實驗數(shù)據(jù)得出，該節(jié)能燈控制系統(tǒng)可以完成年度電量節(jié)約27%的用電量，對于校園節(jié)能改造具有較大的實際影響意義，同時也驗證了該控制系統(tǒng)設計的正確性。

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