基于STM32的智能家居灯光控制系统设计

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#stm32 #智能家居 #嵌入式硬件

引言
系统设计
1. 硬件设计
2. 软件设计
系统功能模块
1. 人体感应与光线检测模块
2. 灯光控制模块
3. 显示与反馈模块
系统实现
1. 硬件实现
2. 软件实现
系统调试与优化
结论与展望

1. 引言

随着智能家居技术的快速发展，基于物联网和自动化的家居灯光控制系统受到了广泛关注。智能灯光控制系统可以根据环境光强和人体活动自动调节灯光的亮度，不仅提升了用户体验，还实现了节能减排。本文设计了一款基于STM32的智能家居灯光控制系统，结合光敏传感器和红外人体感应模块，自动调整灯光开关及亮度，并通过LCD显示当前状态。

2. 系统设计

2.1 硬件设计

主控芯片：STM32F103单片机，用于数据采集、逻辑判断和灯光控制。
光敏传感器：检测环境光线强度，根据光线亮度调节灯光状态。
红外人体感应模块：检测是否有人在活动区域，决定是否打开灯光。
PWM调光模块：通过STM32的PWM信号实现灯光的亮度调节。
LCD显示模块：实时显示环境光强和灯光状态。
按键模块：允许用户手动调节灯光状态。
电源模块：为系统提供稳定的电源。

2.2 软件设计

传感器采集模块：定时采集光线强度和人体活动信号。
灯光控制模块：根据光敏传感器和人体感应模块的数据，判断是否需要打开灯光，并通过PWM调节灯光亮度。
显示与反馈模块：在LCD上实时显示当前环境光强、人体活动状态和灯光状态。

3. 系统功能模块

3.1 人体感应与光线检测模块

光敏传感器：测量环境光线强度，输出模拟电压信号。
红外人体感应模块：检测是否有人在活动区域，输出数字信号。

3.2 灯光控制模块

自动控制：根据光敏传感器和人体感应模块的信号，自动判断是否需要打开灯光。
手动控制：通过按键开关，用户可以手动强制打开或关闭灯光。
亮度调节：通过PWM信号调节灯光的亮度，确保在不同光线条件下提供合适的照明。

3.3 显示与反馈模块

实时显示：通过LCD屏显示当前光线强度、人体活动状态和灯光状态。
用户提示：当灯光开启或关闭时，LCD会提示当前状态。

4. 系统实现

4.1 硬件实现

光敏传感器连接：光敏传感器的模拟信号接入STM32的ADC通道。
人体感应模块连接：红外人体感应模块的数字信号接入STM32的GPIO输入引脚。
灯光控制：通过STM32的PWM输出控制灯光的亮度。
LCD显示：通过I2C或SPI接口连接LCD模块，显示当前环境数据。
按键输入：连接到GPIO引脚，捕获用户的手动控制指令。

4.2 软件实现

以下是系统的主要代码部分：

#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "lcd.h"

#define LIGHT_SENSOR_PIN   GPIO_PIN_0  // 光敏传感器ADC引脚
#define PIR_SENSOR_PIN     GPIO_PIN_1  // 红外感应模块引脚
#define LIGHT_CONTROL_PIN  GPIO_PIN_2  // 灯光控制PWM引脚
#define BUTTON_PIN         GPIO_PIN_3  // 手动控制按键引脚

ADC_HandleTypeDef hadc1;
TIM_HandleTypeDef htim3;

void SystemClock_Config(void);
void MX_GPIO_Init(void);
void MX_ADC1_Init(void);
void MX_TIM3_Init(void);
uint32_t Read_Light_Sensor(void);
uint8_t Read_PIR_Sensor(void);
void Set_Light_Brightness(uint8_t brightness);

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_ADC1_Init();
    MX_TIM3_Init();
    LCD_Init();

    HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);

    while (1) {
        uint32_t light_level = Read_Light_Sensor();
        uint8_t pir_status = Read_PIR_Sensor();
        uint8_t brightness = 0;

        if (pir_status && light_level < 2000) {
            brightness = 100;  // 最大亮度
        } else if (pir_status && light_level < 4000) {
            brightness = 50;  // 中等亮度
        } else {
            brightness = 0;  // 关闭灯光
        }

        Set_Light_Brightness(brightness);

        LCD_Clear();
        LCD_SetCursor(0, 0);
        LCD_Print("Light: %ld", light_level);
        LCD_SetCursor(1, 0);
        LCD_Print("PIR: %d Brightness: %d", pir_status, brightness);

        HAL_Delay(500);
    }
}

uint32_t Read_Light_Sensor(void) {
    HAL_ADC_Start(&hadc1);
    if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 1000) == HAL_OK) {
        return HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
    }
    return 0;
}

uint8_t Read_PIR_Sensor(void) {
    return HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, PIR_SENSOR_PIN);
}

void Set_Light_Brightness(uint8_t brightness) {
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, brightness);
}

void MX_ADC1_Init(void) {
    ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
    hadc1.Instance = ADC1;
    hadc1.Init.ScanConvMode = ADC_SCAN_DISABLE;
    hadc1.Init.ContinuousConvMode = DISABLE;
    hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
    hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;
    hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;
    hadc1.Init.NbrOfConversion = 1;
    HAL_ADC_Init(&hadc1);
    sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_0;
    sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1;
    sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_1CYCLE_5;
    HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);
}

void MX_TIM3_Init(void) {
    TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
    htim3.Instance = TIM3;
    htim3.Init.Prescaler = 0;
    htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim3.Init.Period = 100;
    htim3.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    HAL_TIM_PWM_Init(&htim3);
    sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
    sConfigOC.Pulse = 0;
    sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
    sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
}