长安大学　李赛楠



基于STM32MCU的智能光控窗帘

长安大学李赛楠

新一轮科技革命和产业变革与我国加快转变经济发展方式形成历史性交汇，国际产业分工格局正在重塑。“中国创造”就是中国版的“工业4.0”，是制造强国战略的行动纲领，智能家居产品搭上了时代的快车飞速发展。本文介绍的智能窗帘产品不但实现了自动化，而且通过传感器的运用，实现产品的智能化。本系统以STM32单片机作为核心控制器，通过采集环境光强度，实现对窗帘的智能控制，同时，支持触摸屏人工控制以及遥控器远程红外控制，以满足不同的需求，并且相比较普通开关具有操作方便，触摸屏具有UI界面美观的优点。

智能控制；光强度传感器；远程无线遥控；TFT触摸屏

一、引言

本文选用STM32单片机作为主控芯片，完成对系统执行机构的控制和信息处理。单片机通过检测外界光强度，控制继电器模块，进而控制小型交流电机，从而实现对窗帘的控制。光照强度可通过串口传输至单片机，经单片机处理后实现其自动控制功能。系统主要由电源模块、STM32单片机主控模块、小型交流电机及驱动模块、光强度传感器模块、触摸屏及无线遥控模块组成。

二、硬件电路设计与分析

图1　总体设计流程图

1.光强度传感器CJMCU-TSL2561

采用TSL2561光照传感器实现光强度的实时监测，该传感器具有精度高、成本低、体积小等优点。芯片内部集成积分式AD转换器，并且采用数字信号输出，抗干扰能力高于同类芯片。

该传感器将光强转换成数字信号输出，通过I2C接口输入给单片机MCU。数字输出表示所测量的每一个通道的发光，同时作为微处理器的输入。在单片机中，光亮度通过相关公式得到。

2.三相电机模块

选择一台小型电机作为窗帘自动开闭的传动装置，由于市电为220V交流电，因此选用交流电机较为方便。交流电机实现机械能和交流电能的相互转换，由于交流电力系统的发展，也即目前电力系统的大力发展，交流电机的应用远远超过直流电机。另外，交流电机和直流电机相比，没有换向器，因此结构简单，制造方便。本系统采用220V市电供电，额定电流为0.3A，转速为120rpm，功率约为60W的小型电机。该小型电机用高强度材料密封而成，并带有锁紧装置。

3.电机驱动模块

单片机输出端接光电耦合器PC817，加上三极管进行电流放大，驱动继电器，由继电器控制电机即可。继电器的作用是小功率低电压控制大功率高电压。另外，继电器触点上可以加RC串联回路，抑制干扰同时使继电器使用的时间延长。

光电耦合器具有使上下级电路完全隔离的作用，相互之间不产生影响。输入端加电信号时，发光器发出光线，照射在受光器上，受光器接受光线后导通，产生光电流从输出端输出，实现了“电-光-电”的转换。而本系统选用的PC817光电耦合器同时起到反馈和隔离的作用，是一种常用的线性光耦。

继电器选用RXM2AB2BD型中间继电器，其线圈工作电压为24V直流电，最大额定电压为250V交流，采用紫铜线圈，机械寿命可达1000万次，触点采用镀金银合金触电，导电性能强，承载电流能力达，引脚采用镍镉合金，使接触性能更好。

4.虚拟按键检测模块

本模块采用触摸屏虚拟按键，通过虚拟按键的操作，与普通按键相同，可以产生脉冲信号，用来实现用户对窗帘的立即动作。单片机检测到这一按键脉冲之后，可以控制继电器的通断。

5.无线遥控模块NRF24L01

NRF24L01是一款工作在2.4～2.5GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片，无线收发器包括：频率发生器增强型SchockBurstTM模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器解调器，输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。

工作在发射模式下发射功率为-6dBm时，电流消耗为9.0mA，工作在接收模式时电流消耗为12.3mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。可以通过遥控器控制单片机IO口输入信号，从而实现远程控制窗帘的效果。

NRF24l01的原理图如图2所示：

图2　NRF24L01原理图

6.电源供电模块

交流电机以及单片机控制器都有其专门的供电插头，接上室内供电插座即可，而继电器需要直流24V供电，需要设计专门的供电电路，将220V市电转为24V直流电。

图3　直流24V供电电路图

选择电阻电容降压电路，利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制最大工作电流，选用24V的齐纳稳压管输出24V交流电，为继电器供电。

三、软件设计

1.光强度传感器控制程序

STM32控制器可以通过I2C总线协议对TSL2561芯片进行读写。写数据时，先发送地址，接着发送要写的数据。写操作过程如下：首先发送一组地址；然后写命令码，命令码是指定接下来写寄存器的地址00h～0fh和写寄存器的方式，以字节、字或块（几个字）为单位进行写操作；最后发送要写的数据，根据前面命令码规定写寄存器的方式，能够连续发送要写的数据，内部写寄存器会自动加1。TSL2561的软件设计流程下图所示。

2.中断控制程序

当光强度传感器模块传来的数据并判断正确时，中断程序对IO口进行初始化，接收来自传感器模块的新数据，比较判断后传到命令地址进而对电机进行驱动。

3.TFT触摸屏显示

TFT（ThinFilmTransistor）是指薄膜晶体管，每个液晶像素点都是由集成在像素点后面的薄膜晶体管来驱动，从而可以做到高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息。

显示面板中自带含有这些驱动芯片的驱动电路，STM32芯片通过驱动芯片来控制液晶屏TSC2046是专用在四线电阻屏的触摸屏控制器，

电阻触摸屏的基本原理为分压，它由一层或两层阻性材料组成，在检测坐标时，在阻性材料的一端接参考电压Vref，另一端接地，形成一个沿坐标方向的均匀电场。当触摸屏受到挤压时，阻性材料与下层电极接触，阻性材料被分为两部分，因而在触摸点的电压，反映了触摸点与阻性材料的Vref端的距离，而且为线性关系，而该触点的电压可由ADC测得。更改电场方向，以同样的方法，可测得另一方向的坐标。

四、总结

单片机通过读取光强度传感器传输的数据，得到外界环境光强度，控制继电器模块，进而控制小型交流电机，从而实现对窗帘的控制。光照强度可通过串口传输至单片机，经单片机处理后实现其自动控制功能。工作模式二下支持触屏立即动作功能，单片机通过扫描端口电平的方式得到触摸屏的脉冲信号，控制继电器动作。在工作模式三下，可采用红外遥控控制窗帘开闭。从系统优越的性能，我们可以深刻的感受到其中的智能化。

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