基于STM32的节能型路灯设计

引言

本项目设计了一个基于STM32的节能型路灯系统，能够根据环境光强和人流量自动调节路灯的亮度，实现节能和智能控制。系统集成了光敏传感器和红外传感器，用于检测环境亮度和行人活动。当检测到行人时，路灯会自动变亮；当没有人时，路灯将降低亮度以节约能源。该系统适用于街道、公园、小区等公共场所。

环境准备

1. 硬件设备

STM32F103C8T6 开发板（或其他 STM32 系列）
光敏传感器（如光敏电阻，用于检测环境亮度）
红外传感器（如 PIR 传感器，用于检测人流量）
PWM 调光 LED 驱动电路（用于调节 LED 灯的亮度）
OLED 显示屏（用于显示系统状态）
蜂鸣器（用于故障报警）
USB-TTL 串口调试工具
电阻、杜邦线、面包板等基础电子元件

2. 软件工具

STM32CubeMX：用于初始化 STM32 外设。
Keil uVision 或 STM32CubeIDE：用于编写和下载代码。
ST-Link 驱动程序：用于下载程序到 STM32。

项目实现

1. 硬件连接

光敏传感器连接：将光敏传感器的模拟输出引脚连接到 STM32 的 ADC 输入引脚（如 PA0），用于检测环境亮度。
红外传感器连接：将 PIR 传感器的数字输出引脚连接到 STM32 的 GPIO（如 PA1），用于检测是否有人经过。
LED 调光电路：将 PWM 控制信号引脚连接到 STM32 的 TIM1 PWM 输出（如 PA8），用于调节 LED 亮度。
蜂鸣器连接：将蜂鸣器的控制引脚连接到 STM32 的 GPIO（如 PA2），用于系统报警提示。
OLED 显示屏连接：将 OLED 的 SDA 和 SCL 引脚连接到 STM32 的 I2C 接口（如 PB6 和 PB7），用于显示当前状态。

2. STM32CubeMX 配置

打开 STM32CubeMX，选择你的开发板型号。
配置系统时钟为 HSI，确保系统稳定运行。
配置 ADC，用于读取光敏传感器的数据。
配置 GPIO，引脚用于红外传感器检测和蜂鸣器控制。
配置 TIM1 生成 PWM 信号，用于控制 LED 亮度。
配置 I2C，用于与 OLED 显示屏通信。
生成代码，选择 Keil 或 STM32CubeIDE 作为工具链。

3. 编写主程序

在生成的项目基础上，编写环境光检测、人流检测、亮度调节、报警提示和状态显示的代码。以下是节能型路灯的基本代码示例：

#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "adc.h"
#include "tim.h"
#include "gpio.h"
#include "oled.h"// 定义控制参数
#define LIGHT_THRESHOLD 500        // 光敏传感器阈值
#define PWM_BRIGHT 80              // 人经过时的亮度（0-100）
#define PWM_DIM 20                 // 无人时的亮度（0-100）
#define PIR_TIMEOUT 10000          // PIR 传感器无活动时的超时时间（毫秒）// 函数声明
void System_Init(void);
void Adjust_Light_Brightness(void);
void Handle_Alarm(void);
void Display_Status(void);// 全局变量
uint16_t ambient_light = 0;    // 环境光强度
uint8_t pir_detected = 0;      // PIR 传感器检测标志
uint32_t last_pir_time = 0;    // 上次检测到人时的时间void System_Init(void)
{HAL_Init();SystemClock_Config();MX_GPIO_Init();MX_ADC1_Init();MX_TIM1_Init();MX_I2C1_Init();OLED_Init();OLED_ShowString(0, 0, "Energy Saving Lamp");HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);  // 启动 PWM
}// 调整灯光亮度
void Adjust_Light_Brightness(void)
{ambient_light = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);  // 读取光敏传感器值pir_detected = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_1);  // 检测 PIR 状态if (ambient_light < LIGHT_THRESHOLD){// 如果环境较暗if (pir_detected){__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, PWM_BRIGHT);  // 设置亮度为亮last_pir_time = HAL_GetTick();  // 更新最后一次检测到人的时间}else if (HAL_GetTick() - last_pir_time < PIR_TIMEOUT){__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, PWM_BRIGHT);  // 继续保持亮}else{__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, PWM_DIM);  // 设置亮度为暗}}else{// 如果环境较亮，关闭灯光__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, 0);}
}// 处理故障报警
void Handle_Alarm(void)
{if (ambient_light > 1000 || ambient_light < 10){HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_SET);  // 启动蜂鸣器}else{HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_RESET);  // 关闭蜂鸣器}
}// 显示状态
void Display_Status(void)
{OLED_Clear();OLED_ShowString(0, 0, "Light: ");OLED_ShowNumber(48, 0, ambient_light, 4);OLED_ShowString(0, 1, "PIR: ");OLED_ShowString(48, 1, pir_detected ? "Yes" : "No");
}int main(void)
{System_Init();while (1){Adjust_Light_Brightness();  // 调节灯光亮度Handle_Alarm();             // 处理故障报警Display_Status();           // 显示当前状态HAL_Delay(1000);            // 每秒更新一次}
}

4. 各模块代码

光敏传感器读取

通过 ADC 读取光敏传感器的模拟信号，检测环境光强度：

#include "adc.h"// 初始化 ADC
void ADC_Init(void)
{// 配置 ADC1MX_ADC1_Init();
}// 读取光敏传感器数据
uint16_t Read_Ambient_Light(void)
{HAL_ADC_Start(&hadc1);HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, HAL_MAX_DELAY);uint16_t light_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);HAL_ADC_Stop(&hadc1);return light_value;
}

PIR 传感器检测

通过 GPIO 检测 PIR 传感器的输出信号，判断是否有人经过：

#include "gpio.h"// 初始化 GPIO
void PIR_Init(void)
{// 配置 GPIOA 引脚为输入模式，用于读取 PIR 传感器状态
}// 读取 PIR 传感器状态
uint8_t PIR_Detect(void)
{return HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_1);
}

LED 调光控制

通过 PWM 调节 LED 的亮度，实现根据环境条件自动调节灯光亮度：

#include "tim.h"// 初始化 PWM
void PWM_Init(void)
{// 配置 TIM1，用于 PWM 控制
}// 设置 LED 亮度（0-100）
void Set_LED_Brightness(uint8_t brightness)
{__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, brightness);
}

OLED 显示

用于显示当前的环境光强、PIR 状态和灯光亮度等信息：

#include "oled.h"// 初始化 OLED 显示屏
void OLED_Init(void)
{// OLED 初始化代码
}// 显示字符串
void OLED_ShowString(uint8_t x, uint8_t y, const char *str)
{// 在 OLED 显示屏上显示字符串
}// 显示整数
void OLED_ShowNumber(uint8_t x, uint8_t y, uint32_t num, uint8_t len)
{// 显示整数值
}// 清屏
void OLED_Clear(void)
{// 清除 OLED 显示内容
}

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系统工作原理

环境检测与调光：系统通过光敏传感器实时检测环境亮度，并根据检测结果决定是否开启或调节路灯的亮度。在环境较暗时，系统会开启灯光；在有行人经过时，灯光会自动变亮；无人时，灯光会降低亮度。
PIR 检测与超时控制：通过 PIR 传感器检测行人。当有人经过时，系统会记录检测到的时间，并保持灯光在较高亮度；在设定的超时时间内没有检测到行人时，系统会降低亮度以节能。
故障报警：系统会监测光敏传感器的输出，当检测到传感器异常值（如过高或过低）时，会自动触发蜂鸣器报警，提示维护。

常见问题与解决方法

1. 环境光检测不准确

问题原因：光敏传感器位置不合适，或存在外界光干扰。
解决方法：调整光敏传感器的位置，并使用遮光罩减少干扰。

2. PIR 传感器反应迟钝

问题原因：PIR 传感器灵敏度设置不当或安装角度不合适。
解决方法：调节 PIR 传感器的灵敏度旋钮，并调整传感器的安装角度，使其覆盖主要通道。

3. PWM 调光不稳定

问题原因：PWM 信号设置不当或 LED 驱动电路问题。
解决方法：检查 PWM 频率设置，并确保 LED 驱动电路能够正常工作。

扩展功能

远程监控与控制：可以添加 Wi-Fi 或蓝牙模块，实现远程监控路灯状态，并手动调节灯光亮度。
太阳能供电系统：将系统与太阳能板结合，实现更加节能的自供电路灯系统。
智能故障诊断：增加多个传感器，如电流传感器，用于检测 LED 灯的工作状态，自动判断是否需要维护。

结论

通过本项目，我们设计了一个基于 STM32 的节能型路灯系统，能够根据环境亮度和人流量自动调节路灯亮度，实现节能和智能化控制。系统集成了环境检测、自动调光和故障报警功能，适用于公共场所的照明节能应用。未来可以通过增加远程控制和自供电功能，进一步提升系统的智能化和节能效率。