CN107390576A - 一种基于光照强度监测系统的方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于ARM Cortex‑M3光照强度监测系统的方法，系统软件的工作流程为：(1)首先由光强传感器检测外部光照强度，将光信号转换成电信号，经单片机处理后经液晶显示屏显示当前的光照强度；(2)判断当前光照强度是否超过设定的警戒值，若超过警戒值，警报器会发出警报，若没超过，则语音播报当前光照强度；其中，系统软件包括单片机模块、光照强度采集模块、液晶显示模块、语音播报模块和超限报警模块，微控制器为STM32F103ZET6，微控制器模块对光照强度进行计算；控制液晶显示器显示和输入输出；控制语音播报模块进行定时播报；当光照强度值超过警戒值时，驱动报警模块发出警报，光照强度采集电路的芯片采用TSL2561，液晶显示模块采用2.4寸高画质的TFT真彩LCD，语音播报模块的主控芯片为WT5001芯片，语音播报模块的功能是实时播报环境中的光照强度。
Description
技术领域
本发明属于光强监测技术领域，具体涉及一种温室大棚、家禽场等外部光强的实时监测。
背景技术
温室种植中，光照强度会发生变化。为了提高产量，需要对光照强度进行实时监测，判断何时需要遮光，何时进行补光。教室照明灯或城市照明路灯如果可以根据光照强度的变化实时调节亮暗，就可以达到节约能源的目的。传统的利用人工手持式光照度计测量光照强度的方法，浪费人力物力、效率低且测量数据准确度不高，相关文献有：王峰萍，王佳. 农业大棚智能检测环境系统[J]. 现代电子技术，2012,35（14）:152-154；传统的采用人工监测和控制的光照强度监控系统，施工成本高、不易扩展、维护升级困难，相关文献有：苍峰翠竹. STM32F系列ARM内核32位高性能微控制器参考手册V10_1[EB/OL]；单片机技术和传感技术的发展使得上述问题的解决成为了可能。本文基于单片机ARM Cortex-M3和光强度传感器TSL2561设计实现了一套光照强度监测系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于ARM Cortex-M3光照强度监测系统的方法，其特征在于，系统软件的工作流程为：(1)首先由光强传感器检测外部光照强度，将光信号转换成电信号，经单片机处理后经液晶显示屏显示当前的光照强度；(2)判断当前光照强度是否超过设定的警戒值，若超过警戒值，警报器会发出警报，若没超过，则语音播报当前光照强度；其中，系统软件包括单片机模块、光照强度采集模块、液晶显示模块、语音播报模块和超限报警模块，微控制器为STM32F103ZET6，微控制器模块对光照强度进行计算；控制液晶显示器显示和输入输出；控制语音播报模块进行定时播报；当光照强度值超过警戒值时，驱动报警模块发出警报，光照强度采集电路的芯片采用TSL2561，液晶显示模块采用2.4寸高画质的TFT真彩LCD，语音播报模块的主控芯片为WT5001芯片，语音播报模块的功能是实时播报环境中的光照强度。
液晶显示模块用于显示当前光照强度曲线图，用于设定调节光照强度警戒值。
超限报警模块采用电磁继电器作为警报器的开关，模块电路由控制系统和被控制系统两部分组成，当环境中的光照强度超过设定的警戒值时，单片机的PC3口被赋予低电平，从而使三极管PNP导通，继电器通电吸合，整个报警模块电路接通，警报器发出警报。
系统软件包括光照强度采集模块、MCU信息处理和控制模块、液晶显示模块、语音播报模块和超限报警模块，警戒值的设定是通过液晶显示器上的虚拟按键来实现的；系统软件的工作流程为：首先由光强传感器检测外部光照强度，将光信号转换成电信号，经单片机处理后经液晶显示屏显示当前的光照强度，然后判断当前光照强度是否超过设定的警戒值，若超过警戒值，警报器会发出警报，若没超过，则语音播报当前光照强度。
本发明以微控制器STM32F103ZET6作为控制核心, 通过TSL2561光强传感器采集光强，以Keil5作为编译软件、C语音作为开发语言，设计实现了一套光照强度监测系统。系统由光照强度采集、单片机处理、液晶显示、语音播报和超限报警模块组成。光照强度传感器实时采集光强，液晶显示器实时显示光强值，并通过语言播报模块进行定时播报，当采集到的光强值超过设定的警戒值时，报警模块发出警报。
本发明的有益效果是，系统测量准确度较高，具有良好的灵敏度和稳定性，可以实现24小时不间断的监测，符合温室大棚、家禽场等的光照强度监测的应用要求。
附图说明
图1是实施例中的系统模块框图。
图2是实施例中的微控制器部分原理电路。
图3是实施例中的TSL2561和微控制器的硬件连接图。
图4是实施例中的液晶显示器模块电路。
图5是实施例中的WT5001语音模块接口。
图6是实施例中的超限报警模块电路设计。
图7是实施例中的软件算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但本发明 并不限于这些实施方式。
本发明提供一种基于ARM Cortex-M3光照强度监测系统的方法，系统模块框图如图1所示，系统主要由单片机模块、光照强度采集模块、液晶显示模块、语音播报模块和超限报警模块组成。单片机模块是整个系统的处理和控制核心，其功能是对光照强度进行运算，控制液晶显示器显示信息，控制语音播报模块进行定时播报，控制继电器模块进行超限报警。光照强度采集模块由光敏电阻采集当前光照强度，并把采集到的光照信息传送到处理器。液晶显示模块显示当前光照强度曲线图，用于设定调节光照强度警戒值。语音播报模块的功能是进行定时语音播报。超限报警模块是当光照强度超过警戒值时驱动警报器发出警报。
整个系统的工作原理：首先由光照强度传感器检测外部光照强度，将光信号转换成电信号，经单片机处理后由液晶显示器显示当前的光照强度，然后判断当前光照强度是否超过设定的警戒值，若超过警戒值，警报器会发出警报，若没超过，则语音播报当前光照强度。此外，还可以进行警戒值的设定，当液晶显示器上的虚拟按键被按下时，警戒值改变。
本发明的微控制器部分原理电路如图2所示，采用STM32F103ZET6作为微控制器；STM32F103ZET6是基于ARM Cortex-M3内核的32 位微控制器，为LQFP-144封装，拥有512KB闪存存储器、64K片内RAM、3个12位的ADC、4个通用16位定时器、2个基本定时器和2个高级控制定时器，还包含2个I2C接口、3路SPI接口、2路I2S接口、5路USART、1个SDIO接口、1个USB接口、1个CAN接口和112个通用I/O端口，拥有可兼容SRAM、NOR和NAND Flash 接口的16位总线-FSMC[3]。工作频率为72MHz，工作电压为2.0V至3.6V。支持JTAG和SWD调试，与廉价的J-LINK配合，能够实现高速低成本的开发调试方案。
系统的外部时钟源来自两处。一个由PC14、PC15端口接32.768 kHz 的晶振构成的RC振荡器提供低速外部时钟（LSE），主要为RTC提供时钟源；另一个由OSC_IN 、 OSC_OUT 端口接 8MHZ的晶振构成的RC 振荡器提供高速外部时钟(HSE)，主要为I/O口提供时钟源。
MCU的VBAT端口采用纽扣电池和外部电源混合供电的方式。在外部电源接通的时候，纽扣电池不供电；当外部电源不供电时，则由电池为VBAT供电。这样就能保证VBAT端口始终有电，从而保证RTC 时钟的寄存器内容不会丢失，保证了时钟的继续行走。。
微控制器模块的主要功能是对光照强度进行计算；控制液晶显示器显示和输入输出；控制语音播报模块进行定时播报；当光照强度值超过警戒值时，驱动报警模块发出警报。
图3 为TSL2561和微控制器的硬件连接图，TSL2561是TAOS公司推出的一款光强度数字转换芯片，它将光强转换成数字信号输出，光强度采集范围为1～70000 Lx，具有高速、量程宽、可编程、可灵活配置的特点。芯片内部集成了两个光敏二极管，通道0敏感可见光和红外线，而通道1仅对红外线敏感。流过光敏二极管的电流经过积分式A/D转换器积分后，转换为数字量保存在两路通道各自的寄存器中。芯片数字输出符合标准的I2C总线协议，其硬件电路连接如图3。该芯片可广泛应用于监控各类显示屏，使其能够在多变的光照条件下，既提供最好的亮度显示又尽可能降低电源功耗。此外，芯片还可以用于温室光照强度监控、智能路灯照明等众多场合。
本发明的液晶显示器模块电路如图4所示，本模块采用2.4寸高画质的TFT真彩LCD，具有接口丰富多样、编程方便、易于扩展等良好性能。内置专用驱动和控制IC（SPFD5408），并且驱动IC自己集成显示缓存，无需外部显示缓存。模块实际上就是将TFT-LCD显示器连接在PCB电路板上，并在PCB电路板上加入背光限流电阻，将显示器不便于与开发板连接的软PCB连接接口引出，并以DIP的双排插针（板上保留有FPC20/1.0间距的FPC座）引出模块以便于用户连接。该模块接口如表1。
表1 模块接口引脚说明
液晶显示模块用于显示当前光照强度曲线图；用于设定调节光照强度警戒值。
本发明的WT5001语音模块接口如图5所示，语音播报模块选用了WT5001芯片作为主控芯片。WT5001-48L 是一款 OTP 高音质的 MP3 语音芯片，拥有 8-bit CISC，支持 WAV和 MP3 解码；带有丰富的外设接口；一个 SPI，可直接驱动 16欧姆耳机；带实时时钟及万年历时钟模块功能；标准的RS232串口控制；低功耗，休眠时待机电流约80uA；控制播放响应快速，优于同类产品；适用于需要更换语音或者音乐文件时间较长、音质要求较高的场合。自带SPI-FLASH存储介质，自带一瓦功放；可在线下载音乐文件或者通过 TF 卡或 U 盘更换音乐文件。语音播报模块的功能是实时播报环境中的光照强度。
本发明的超限报警模块电路如图6所示，超限报警模块采用电磁继电器作为警报器的开关[8]。该模块电路由控制系统（即输入回路）和被控制系统（输出回路）两部分组成。继电器在其中担当的是“自动开关”的功能，通过它实现了用低电压、弱电流去控制高电压、强电流，其在电路中起着自动调节、安全保护电路转换等功能。当环境中的光照强度超过设定的警戒值时，单片机的PC3口被赋予低电平，从而使三极管PNP导通，继电器通电吸合，整个报警模块电路接通，警报器发出警报。
本发明的软件算法流程图如图7所示，系统基于Keil uVision5 工具开发，通过C语言进行编程。整个系统软件包括光照强度采集模块、MCU信息处理和控制模块、液晶显示模块、语音播报模块和超限报警模块，警戒值的设定是通过液晶显示器上的虚拟按键来实现的。系统软件的工作流程为：首先由光强传感器检测外部光照强度，将光信号转换成电信号，经单片机处理后经液晶显示屏显示当前的光照强度，然后判断当前光照强度是否超过设定的警戒值，若超过警戒值，警报器会发出警报，若没超过，则语音播报当前光照强度。
为检测系统的稳定性、可靠性，在晴天室内环境下对系统进行了测试。测试时间为中午12点，测试时的警戒值设置为1000lux,测试范围为室内不同位置的光照强度，表2为测试室内中央位置光照强度时系统各模块电压值及该位置的实时光强值。
表2 系统测试记录
| 名称 | 数值 | 名称 | 数值 |
| 电源电压 | 12.10V | MCU VSSA | 0.41 V |
| 报警器电压 | 7.16V | TFT VCC | 2.8 V |
| 扬声器电压 | 9.6mV | MCU VDD | 2.9 V |
| MCU参考电压+ | 2.8 V | MCU VDDA | 2.9 V |
| MCU参考电压- | -0.4V | 实时光强值 | 210lux |
测试结果为：室内中央位置的实时光强值为210lux，角落的为25lux，当将测试点移动到北窗附近时，报警器发出警报，实时光强值为2008lux。为验证系统的准确性，我们在同一时刻使用专用的光照强度测量仪进行了测试，测试结果为中央位置的实时光照强度值为205lux，角落的为21lux，北窗附近的实时光强值为2002lux。经测试，系统具有良好的稳定性、可靠性和准确度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局 限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护 范围之内。
Claims (3)
1.一种基于ARM Cortex-M3光照强度监测系统的方法，其特征在于，系统软件的工作流程为：(1)首先由光强传感器检测外部光照强度，将光信号转换成电信号，经单片机处理后经液晶显示屏显示当前的光照强度；(2)判断当前光照强度是否超过设定的警戒值，若超过警戒值，警报器会发出警报，若没超过，则语音播报当前光照强度；其中，系统软件包括单片机模块、光照强度采集模块、液晶显示模块、语音播报模块和超限报警模块，微控制器为STM32F103ZET6，微控制器模块对光照强度进行计算；控制液晶显示器显示和输入输出；控制语音播报模块进行定时播报；当光照强度值超过警戒值时，驱动报警模块发出警报，光照强度采集电路的芯片采用TSL2561，液晶显示模块采用2.4寸高画质的TFT真彩LCD，语音播报模块的主控芯片为WT5001芯片，语音播报模块的功能是实时播报环境中的光照强度。
2.根据权利要求1所述的基于ARM Cortex-M3光照强度监测系统的方法，其特征在于，液晶显示模块用于显示当前光照强度曲线图，用于设定调节光照强度警戒值。
3.根据权利要求1所述的基于ARM Cortex-M3光照强度监测系统的方法，其特征在于，超限报警模块采用电磁继电器作为警报器的开关，模块电路由控制系统和被控制系统两部分组成，当环境中的光照强度超过设定的警戒值时，单片机的PC3口被赋予低电平，从而使三极管PNP导通，继电器通电吸合，整个报警模块电路接通，警报器发出警报。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20171124 |