基于单片机的天文时钟控制器的设计

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1、基于单片机的天文时钟控制器的设计　　摘要　　设计一种实用的天文时钟控制器，硬件主要由电源单元、单片?C单元、人机界面单元、实时时钟单元、光照度采集单元、继电器输出单元、以及通讯单元等组成。控制器以STM32F103为核心，通过设定的经纬度和当前的日期，计算出日出和日落时间，与模数转换器采集到的光照度相结合，来控制继电器的输出。控制器还可以接收GPRS控制指令，实现特殊控制。　　【关键词】天文时钟STM32F103光照度采集实时时钟日出日落　　随着社会的发展和节能降耗的要求，对道路交通照明的要求越来越高，需要根据日出日落时间和光照度、以及远

2、程临时指令来开关照明灯具的供电电源，以实现照明的灵活控制。为此，设计了一款天文时钟控制器，并在实践中得到了应用。　　1总体设计　　设计基于单片机的天文时钟控制器，系统框图如图1所示，电路由由电源单元、单片机单元、人机界面单元、实时时钟单元、光照度采集单元、继电器输出单元、以及通讯单元等组成。电源单元给其余单元提供电源，人机界面单元的按键与单片机的IO口相连，人机界面单元的LCD与单片机通过并行电平转换芯片相连，光照度采集单元与单片机的AD采集通道相连，实时时钟单元与单片机通过I2C总线相连，通讯单元与单片机的UART串口相连，继电器输出单

3、元与单片机的IO口相连。　　2硬件设计　　电源单元采用TOP253芯片为控制芯片，经反激式脉冲变压器把交流220V转化为系统芯片使用的电压，+5V，+3.3V，隔离的24V等。　　单片机单元以STM32F103为核心，属ARMCortex-M3系列，主频72MHz，带有双路12位ADC，带有I2C、USART等接口，内置SRAM和大容量FLASH等，集成度高。采用3.3V、8MHz有源晶振，引出SWD接口作为调试口。使用外部硬件看门狗MAX706S，在收外部干扰使程序跑飞时复位芯片，使软件重新运行。与芯片内部看门狗相比，MAX706S在系

4、统上电掉电情况下，系统电压尚未稳定时使芯片处于复位状态，避免误动作。　　人机界面单元包括按键和LCD两部分，按键部分与单片机的IO直接相连。因STM32F103工作电压为+3.3V，LCD接口电压则是+5V，需要2片电平转换芯片74LVC4245APW。见图2，实时时钟单元主芯片为RX8025SA，与STM32F103的I2C管脚相连。系统正常工作时，电源单元的+3.3V为RX8025SA提供电源，系统未上电时，由CR2032电池为时钟芯片提供电源，保持实时时钟数据继续计数。　　光照度采集单元部分通过模拟光耦HCPL-788J将光照度传感

5、器的4-20mA电流信号转换为电压信号，经低通滤波后送到STM32F103单片机的AD采样通道管脚上，同时起到隔离作用。　　通讯单元采用GPRS通讯，选用SIM900A模块，与STM32的串口相连。　　继电器输出单元与单片机单元的2个输出引脚相连，然后通过光耦TLP627接到2个24V继电器的线圈上，2个继电器分别为主控继电器和节能继电器，各提供1个常开干接点输出。　　3软件设计　　3.1人机界面部分　　LCD为128*64点阵液晶，分为4行显示，每行可显示16个字符或8个汉字。按键部分有4个按键，分别为“MODE”、“SHIFT”、“D

6、ATA”和“ENTER”。因显示一屏时间较长，当读按键程序放在主程序中时，有时按下键时会没有反应。因此，将读按键程序和按键去抖程序放在1mS定时器中断中。显示程序采用菜单结构，可通过按键翻页显示多种参数和实时状态。通过按键和LCD显示，可设置日期时间和本地经度纬度，开灯照度与关灯照度以及确认时间等参数。　　3.2日出日落时间计算　　STM32F103从实时时钟单元得到具体年月日数据，另外从人机接口单元得到本地的经度和纬度，据此计算出从格林威治时间2000年1月1日到计算日的精确天数，进而计算此刻的本地恒星时、太阳的黄道经度和太阳的倾角、以

7、及太阳的圆周半径等，最后得到太阳在黄道南边的时间，区分东西半球后进一步处理，从而得到需要的日出和日落时间。　　3.3光照度采集　　采用双ADC的DMA模式，一路ADC用于光照度采集，另一路接地用于校验数据的有效性。按照每20mS采样24点的要求开启ADC触发定时器，取24次AD采样的平均值进行数字滤波，以消除工频干扰。并通过预设系数转换为对应的流明数。开启转换完成的DMA中断。　　3.4通讯软件　　通讯软件要求的反应时间不高，可不使用发送和接收中断占用CPU时间，利用STM32F103芯片的DMA来处理。　　DMA中断不开启，在定时器中断

8、中进行串口数据处理。单片机通过AT指令集与GPRS模块进行通讯，监测收到的短信息。为防止误操作，开关灯指令分别需要不同的32位密码，并对报文进行CRC校验。　　3.5软件总体设计　　中断优先级