一、项目介绍

摘 要
当下，电致变色玻璃存在不少问题，能源供给不稳，响应迟缓，人机交互体验欠佳等等。本课题设计并制作出一套依托 STM32 的智能电致变色玻璃控制系统，此系统采取模块化设计，形成起能源供给、智能控制、执行驱动这三层架构，其中能源供给层更新设计成包含光伏、储能、市电三模的冗余供电架构，选取透光率不低于 65% 的柔性光伏板并配以磷酸铁锂电池，经由智能电源运作达成无缝切换，保证系统连续运行超过 72 小时，智能控制层以 STM32 为核心，装有光照与温度传感器，用多点标定、温度补偿算法把采集误差限制在 ±10% 之内，而且规划了智能自适应、手动优先这种双模式策略，给予用户个性化干涉的能力。 执行驱动层运用 PWM结合反馈调节的双环控制算法，把输出电压稳定性误差控制在不超过±0.5V的范围内，新颖地采用过驱动技术，经由1.2倍额定电压的脉冲促使离子迁移，从而将变色响应时间缩减到10秒以内，经过检测可知，该系统各个性能指标皆符合设计需求，做到了高效，可靠又便于用户的智能调光方案，这给电致变色玻璃在绿色建筑和智能交通领域的大规模应用带来了有用的研究方向。
关键词：电致变色；智能玻璃；STM32；光伏储能

本文主要研究内容
针对前面提到的现存技术所存有的漏洞，本课题规划并达成了一套依靠 STM32 的智能电致变色玻璃控制系统，着重从能源供应框架更新，智能控制策略改善以及快速回应推动技术这三大核心角度去执行研究，目的在于形成起一个高效又稳定而且便于用户使用的智能调光方案。
三模冗余供电系统设计针对能源供应连续性和可靠性难题，本课题规划出太阳能充电+蓄电池储能+市电直接供电的三模冗余供电体系。光伏采集单元所用透光率不低于65%的柔性单晶硅光伏板，在光照强度达1500lux的较弱光环境下便能开始发电，其输出范围为3. 7、5V/1. 2A 的电量，既可以连接智能调控器供电，又能够插入蓄电池储存能量，储能缓冲单元采用18650磷酸铁锂电池组，达成光伏发电多余电量存储及阴天时利用电能填补缺口的智能化转换功能，从而保证系统可以持续运行超过72小时。 市电直接供电单元配有标准5V/2A DC电源适配器接口，接入之后会自动转到市电优先模式，并且给电池补充能量。电源管理模块依靠改良逻辑做到三种能源的无缝切换以及按先后顺序调度，保证电致变色玻璃的供电电压稳定，免除因电压波动造成的材料损失。
智能双模控制策略探究表明，为了改善系统的调节精度并优化用户的体验感，该课题采取智能自适应加上手动优先的双模控制设计。环境感知系统选用了 TSL2561 光照传感器和 DS18B20 温度传感器，给智能调节给予精确的数据支持，对于 TSL2561 传感器来说，经由多点标定加上温度补偿算法来处理，在0、65535 lux 的量程范围内选定5个标定位置，并依照 DS18B20 的温度信息调整所采集到的数值，从而把光照采集产生的偏差限定在正负10%之内。 智能调控核心选用 STM32 开源主控，利用数据校准算法并配合闭环反馈控制改良逻辑，达成调压范围为0、12V，其稳定性误差不超过 ±0.5V 的高精度目标。手动控制模块在设备外壳融合物理按键及旋转编码器，从硬件角度确保操作既直接又可靠，而软件逻辑则给予手动指令最高中断优先权，当收到指令时，系统就会转为自动模式并且按照用户设置执行，直到再次切换为止，这样就能保证在自动模式无法达到需求的时候，用户可以轻易介入。
快速响应由驱动技术达成，为打破响应速度的性能限制，本课题计划了宽范围稳压控制的 PWM、反馈调节双环算法，经由 PWM 信号来控制驱动模块输出可调电压，再把电压传感器串入以及时采集输出数据并反馈给主控执行动态误差修正。快速变色驱动逻辑采取了升压加速、稳压调控策略，而且采用了过驱动技术这种革新方法，启动的时候先输出1.2倍的额定电压来促使离子迁移，然后降到额定电压稳定运行，再与高响应的成品电致变色玻璃配合，就把整体的变色响应时间缩减到10秒之内，驱动电路按照 DC-DC 变换器来设计，要充分考虑到电致变色器件作为电容性负载的特性以及电压极化的必要，这样才能保证在各种供电情况下都能给予稳定，符合规范的驱动能量。
经由对前面三个核心内容执行系统性研究之后，本课题将会达成一种智能电致变色玻璃控制系統，这种系统具备能源自给能力，可以智能感知环境变化，并实施精准调控，而且响应快速，易于操作，这会给电致变色技术在绿色建筑和智能交通领域向实用化方向推进带来一些有用的考察经验，也会给予必要的技术支持。

设计目标与性能指标
本课题致力于设计与达成一套依靠 STM32 的智能电致变色玻璃控制体系，经由融合光伏储能技术，环境感知技术和嵌入式控制技术，形成起一个能源自给，智能调节，快速反应而且用户界面友好的完备方案。该系统的重点设计思想就是要超越传统电致变色产品在能源供应，控制方法以及人机互动上的不足，从而给智能建筑和智能交通领域中的动态光热控制赋予一种高效又可信的方式。
在功能目标层面，本系统需实现三大核心功能：创建光伏、储能、市电这种具有三模冗余性的供电体系，可以保证系统不论处于何种气候条件或者应用场景之中，都能够持续而稳定地运行，从而很好地化解由单一能源供应所带来的可靠度方面的难题，形成依靠环境光强感知的智能决策机制，做到对电致变色玻璃透光率实施自动化调节，在保障室内采光舒适感的情况下达成节能的最大化，规划以人工操作为优先的人机交互模式，给予用户随时介入系统运作的权利，以此来迎合不同人的使用需求，让系统具备智能属性和人性化特点。
从技术指标看，本课题有着清晰且可量化的性能要求。就光照采集精度而言，针对TSL2561传感器，经由多点标定、温度补偿算法处理之后，其校准过的光照采集值与标准光源实际测量值之间允许存在的最大误差为 ±10%，至于驱动控制能力，则须要系统可发出0、12V之间连续可调节的驱动电压，从而适应不同型号电致变色玻璃的工作需求，而且还要凭借PWM、反馈调节双重控制算法把输出电压的稳定误差限制在 ±0.5V以内。 在响应时间上，利用升压加快加稳压调节的过载策略，并结合高响应成品电致变色玻璃，把整个变色响应时间缩减到10秒之内，能源续航方面，当光伏输入处于极端缺乏状态时，蓄电组应当能够使系统持续运行超72小时，以此保证系统具有较好的环境适应能力。

系统总体架构
本系统采用模块化设计思想，遵循自顶向下、分层解耦的架构设计原则，将整个智能电致变色玻璃控制系统划分为三个逻辑清晰、功能独立的层级：能源供给层，智能控制层以及执行激发层，这些层级之间依靠标准化的电气接口与通信协议相互结合，如此一来既能确保系统功能得到充分达成，又能方便日后执行维护，升级以及模块更换等事务。
能源供给层处于系统最底部，它是整个系统的动力源泉，担负着能量收集，存储以及调配的关键职责，此层包含光伏采集单元，储能缓冲单元，市电备用单元以及电源经营模块这四个部分。光伏采集单元选取透光率不低于65%的柔性单晶硅光伏板，可以紧密贴合在玻璃表面，在照度达到或者超过1500lux的微弱光条件下就能开始发电，发出3.7、5V/1.2A的电量，储能缓冲单元利用18650型磷酸铁锂电池组，依靠智能充放电经营达成对光伏多余电量的储存，填补光照不足造成的电量缺少的动态协调目的，市电备用单元设有符合规格的5V/2A DC电源适配器接口，这是非常状态下最后的保底措施。 电源守护模块需负责对三种能源执行优先级调度并实施无缝切换，其首先选用光伏电能，当缺乏时靠电池予以补充，一旦电池用尽或者发生故障，就会自动转为市电，以保障系统供电的连贯与稳定。
智能控制层处于系统中间层，它是整个系统的决策关键之处，承担着环境感知，数据处理以及控制指令形成的责任，这个层以 STM32 微控制器作为主控芯片，并且结合了 TSL2561 光照传感器和 DS18B20 温度传感器来创建环境感知的部分，还利用物理按键和旋转编码器来塑造人机交互的界面。主控芯片运行预先编好的控制程序，会定时去获取环境光强的数据，经过多点标定以及温度补偿算法调整之后，再和预先设定的阈值或者用户设置的数值做对比分析，从而得出相对应的控制决定，从软件框架来讲，采用的是智能自适应加上手动优先的双重控制理念，手动指令具备最为重要的中断级别，只要收到用户介入的信号，系统就会马上停止自动模式并且去执行用户的指令，直到再次切换回来自动模式为止。
执行驱动层位于系统最顶层，是控制指令的最终执行者，负责将主控芯片生成的控制信号转换为精确的驱动电压，直接作用于电致变色玻璃。该层核心是基于DC-DC变换器的可调压驱动电路，配合电压传感器构成闭环反馈系统。主控芯片输出PWM信号控制DC-DC电路的输出电压，电压传感器实时采集实际输出电压并反馈至主控，主控根据反馈值与目标值的偏差动态调整PWM占空比，实现稳压控制。针对响应速度要求，驱动程序采用过驱动策略：启动变色之初，短暂输出1.2倍额定电压来推动离子移动，等到变色启动后再立即回至额定电压并稳定运行，这样就能在不缩减器件寿命的情况下大幅缩短响应时间。

技术路线与实施方案
本课题依照需求分析、系统架构设计、模块达成、综合检测、改进验证这样一条完整的技术路线，用理论研究结合工程应用的办法，逐步推动课题研究，使得各项工作的展开有条不紊，最终达到设计目的。
本课题在研究方法上融合了文献调研法，模块化设计法以及实验检测法这三种方法，其一，借助文献调研并结合案例分析，针对电致变色技术，光伏储能，智能控制等范畴的相关文献执行深入探究，着重剖析近几年的技术发展情况，考察现存的智能玻璃产品案例，从而为设计包含三模供电与手动优先的改良框架给予理论支撑。其二，利用自上而下的工程手段，把系统拆解成能源供应，控制决策，核心执行这三个模块，各个模块分别开展设计和验证工作，之后凭借标准化的接口来达成系统的整合，保证系统功能得以切实达成，其三，对关键性能指标展开专门的评定，覆盖光照收集精度评定，推动电压稳定性评定，响应时间评定等方面，按照试验成果持续改良算法参数以及硬件设计，直到符合全部预定的性能指标。
在技术实施路径上，本课题划分为五个递进阶段。第一阶段为需求分析与架构设计，明确多模式、高可靠性的项目目标及具体性能指标，设计系统总体架构，明确能源、控制、执行三大核心模块的功能定义与交互关系。第二阶段为模块详细设计与实现，分模块推进：能源模块负责完成三模供电硬件设计，并开发电源管理逻辑，控制模块需创建以STM32为核心的硬件平台并开发嵌入式软件，该软件整合传感器算法及手动优先机制，执行模块则要规划电致变色玻璃驱动电路并开发控制程序。第三阶段为系统整合与联合调试环节，把各个模块实施物理及逻辑上的关联，塑造起完整的原型系统，考察其核心功能是否达成，模块之间的协作运行是否正常，第四阶段是性能评定与更新完善步骤，依照开题报告所定的指标展开全方位测评，一旦测评成绩不达预期，就要回到前面去加以改善修正，或者改变硬件，或者调整个算法，直到所有的性能指标符合要求为止。第五阶段是成果产出与总结阶段，需形成可展示的原型系统，完整的检测报告以及毕业论文，这代表着项目从设计到实现完成了完美的循环。
在具体的技术实现细节上，本课题制定了明确的开发路径。控制模块开发遵循硬件平台搭建→软件算法开发→功能集成的流程：首先要把 STM32 微控制器当作核心去创建稳定可靠的硬件根基，着重达成光照传感器等环境数据的精确采集，并完成相应的处理算法，还要把自动控制逻辑同手动优先中断机制深入融合起来，使得用户指令能够及时取代自动模式，执行模块的开发按照如下步骤来执行：第一，利用 DC-DC 调压电路作核心，规划可调压的驱动硬件；第二，编写 PWM 算法，做到对输出电压的精准数字控制；第三，经过初期阶段施加比额定值略高的电压脉冲，突出加快玻璃内部离子的迁移速度，把整体变色响应时间缩减到 10 秒之内，系统整合与改良需按照系统整合、共同调试、性能评定、改良更新这样的循环路径运行，以保证最终成品全方位符合设计意图。

二、文档介绍

三、項目设计

软件总体架构
本系统软件设计采用模块化分层思想，基于STM32固件库进行开发，整体架构分为三层：硬件抽象层，核心功能层以及应用层，硬件抽象层承担底层驱动的封装任务，涉及GPIO的初始化，定时器设置，中断运作，ADC采集驱动等方面，给上层软件赋予统一的硬件操作接口，核心功能层达成数据采集与控制算法的相关目标，包含光敏电阻ADC数据的读取与滤波，光照强度转换计算，PID电压控制算法以及过驱动逻辑的完成等事务，这是系统智能决策的关键所在，而应用层则达成人机交互和逻辑调度的目的，其中牵涉工作模式的切换，按键指令的回应，显示屏信息的更新以及电源守护状态机等内容，这部分直面用户需求。
这种分层架构设计的优势在于：各层经由标准化接口实施通信，这种情况下，模块之间的耦合度有所减小，日后执行功能扩展以及守护升级就会更为便捷，假如想要替换另外一种类型的光敏电阻，那么只要对硬件抽象层内关联的 ADC 转换参数加以更改即可，核心功能层的算法和应用层的显示逻辑则不需要做任何变动，如果想要增添无线通信模块，便须要在应用层增添相关功能，但这并不会影响底层控制算法的稳定性。

Keil uVision5集成开发环境
本系统的程序开发依靠Keil uVision5这种集开发展环境，它是ARM内核单片机开发较为常见的工具之一，Keil软件是由德国的Keil公司研发出来的，后来被ARM公司购得，专门针对基于ARM架构的处理器给予完善的开发方案。此软件具备C编译器，宏汇编器，链接器，库守护器以及仿真调试器等诸多部件，凭借统一的集开发展环境界面，给开发者赋予包含代码编辑，编译链接直至调试仿真的全方位服务。
Keil uVision5具备诸多特性，其一，该工具可兼容各类ARM Cortex、M内核设备，其中涵盖像本系统所采用的Cortex、M3内核的 STM32 F103系列一样，能充分挖掘处理器的性能潜力，其二，软件内置大量的库函数与实例供选择，开发者无需费力创建底层驱动，只需直接调用标准外设库或者HAL库函数即可，从而大幅缩减开发时间，其三，其自带的调试器具有在线仿真能力，开发者能够设置断点，并执行单步走流程来观察变量数值以及查看寄存器状况，这给程序调整和故障查找带来很大便利，其四，它的界面布局比较人性化，工程架构也比较明晰，而且代码编辑器带有语法突出显示及智能提示功能，能够进一步提升编程速度。
使用Keil uVision5进行STM32开发的典型流程包括：创建工程并选定目标芯片，设置时钟与调试相关选项，接着添加源文件及库文件，编写代码并展开编译，修正语法上的错误之后便形成起可执行文件，经由调试器传输至目标板实施在线调试，此整套流程连贯高效，属于STM32开发较为理想的一种方案，Keil uVision5 的开发界面像图所示，在该图里能够察觉到工程管理窗口，代码编辑区域，编译输出窗口等主要功能区域。

程序烧录工具
本系统以FlyMcu为程序烧录软件，该软件专为STM32系列单片机制作，属于串口烧录工具，FlyMcu可经由串口对STM32芯片执行ICP编程，也就是在线电路编程，并不需要专用仿真器，只需一个较为便宜的USB转串口模块就能达成程序下载，非常合适教学实验以及小批量生产情况。
FlyMcu软件存在不少长处，比如操作便捷，功能完备，适配性良好等，当使用它的时候，首先要经由CH340模块把PC和STM32目标板关联起来，之后在软件里面选定合适的串口号以及波特率（这个系统设定为115200），还要挑选好编译出来的HEX文件所在的路径，最后 just 点击 “开始编程” 按钮就能把程序传送到单片机当中去。软件具备许多功能，编程，校验，读取器件信息等都是其包含的功能，在编程的时候，它会随时显示出进程和状态相关的消息，这样开发者就可以知道烧录的状况。
FlyMCU具备诸多高级功能，包含选项字节编程，芯片擦除以及读保护设置等，能够适应不同的应用场景需求，在批量生产时，该软件可自动识别串口设备，并实施连续烧录，从而提升生产效率，其软件下载界面如图4-3所示，界面简洁直观，各个功能按钮分布得当，比较容易上手。

CH340串口烧写模块
CH340属于国产USB转串口芯片，本系统依靠CH340模块达成PC和STM32之间的串行通信，用于程序烧录以及调试信息输出，此模块借助USB接口供电并实施通信，不需要外部电源，非常便捷，很适合笔记本电脑用户展开单片机开发。
CH340模块的主要特点包括：某模块符合 USB1.1 和 USB2.0 通信协议，可适配 Windows，Linux，macOS 等诸多操作系统，其电平输出有 3.3V 和 5V 两种选择，波特率最高可到 2Mbps。该模块体积小，价格便宜，性能可靠，是 STM32 开发时常见的工具。
本系统中，CH340模块与STM32的接线方式为：CH340的TXD引脚同STM32的RXD引脚（即PA10）相接，CH340的RXD引脚与STM32的TXD引脚（也就是PA9）相连，而GND引脚则和公共地线相接，倘若想要给开发板供电，还可以从CH340模块的5V或者3.3V引脚获取电力，但一定要留意，电流不可超出500mA。等到接线工作执行完毕之后，于是在PC端安装对应的驱动程序，就可以被当作一个虚拟串口来对待，可以利用串口调试助手或者是FlyMcu软件展开通信操作。
CH340模块可被用作程序烧录之物，亦可当作调试信息输出通道，软件开发进程当中，经由在程序里加上printf语句，把诸如关键变量的值，程序运行状况之类的信息经由串口传送到PC端显现出来，这样就能随时监测系统的运行状态并找出存在的问题。此调试方法既简单又实用，对于该系统开发而言是一大重要的辅助手段，图4、4所示为CH340串口烧写模块的实物图片。
主程序流程设计
系统主程序采取前后台架构设计，其中前台负责处理紧急事件，由中断服务程序来完成，后台则执行主循环里的常规任务，这样的设计既能让像按键中断这样对时效性要求较高的事件得以及时回应，又可做到系统资源的有效利用，是嵌入式系统常见的设计形式。
系统上电之后会首先执行初始化操作，其包含时钟系统的初始化步骤，其中需把系统时钟设置为72MHz；还要执行GPIO的初始化并设定各个引脚的工作模式；也要完成定时器的初始化任务，即对PWM输出定时器以及系统节拍定时器展开设置；而且要完成ADC的初始化流程，也就是要设置采样通道以及变换模式；此外要完成I2C的初始化工作，即去设置与TSL2561传感器的通信接口；还要执行中断优先级的设置以保证手动按键得到最高优先级；最后做外设自检工作来查看传感器，显示屏，按键这些外设是否运转正常，当这一切都做完以后，系统才会进入到主循环当中。
主循环采用轮询方式执行常规任务，主要包括：光照采集任务定时获取 TSL2561 传感器的数据并实施校准处理，按键扫描任务检测有无按键被按下从而执行相关操作，电压控制任务依照当前工作模式及光照数据来产生 PWM 控制信号，显示刷新任务更新 TFT 屏幕上的显示系统状态，电源守护任务观测电池电压与光伏输入，并执行供电模式的切换，每个任务的执行时间需控制在毫秒级以内，以保证系统能够及时作出响应。

软件抗干扰设计
智能电致变色玻璃可能应用于各种复杂环境，如温度变化大、电磁干扰强的工业环境或户外环境。为提高系统在复杂环境下的运行稳定性，软件层面采取了以下抗干扰措施：
（1）数字滤波
对ADC采集的电压数据进行多次采样后取平均值，滤除随机噪声干扰。本系统采用中值平均滤波算法：连续采样10次之后，去除最大值和最小值，对剩下的8个采样值计算算术平均数，该算法可以滤除脉冲干扰，还能平滑随机噪声，其效果比单纯的算术平均滤波更好一些，采样间隔设定为10ms，这样就不会因为采样过于频繁而占据过多的CPU时间。
（2）看门狗定时器
为防止程序出现跑飞或者死循环的情况，本系统采用了独立看门狗（IWDG）这一措施，该看门狗依靠专门的低速时钟（LSI）来运行，即便主时钟发生故障，它仍然能够正常运作，其看门狗定时周期被设定成1秒，在主循环里面每隔500毫秒就要执行一次“喂狗”操作。一旦程序跑飞进而造成“喂狗”无法达成，那么看门狗就会在1秒之后发出复位信号，从而促使系统自行重启，而且，在程序初始化的时候会把看门狗功能开启起来，并且一直维持到整个运行时段结束为止。
（3）数据备份
关键参数如工作模式、电压阈值、标定数据等存储在STM32的Flash中。Flash具有掉电不丢失的特性，系统复位后可快速恢复上次的工作状态。本系统在Flash的最后两页开辟了参数存储区，每页大小为1KB。参数写入时采用双备份机制：首先把参数写在第一页上，接着写在第二页上，读取的时候对比这两页的数据，如果一样就采用，如果有差异就用默认值并且重新执行备份操作，这样就可以规避因写入期间断电造成的数据破坏情况发生。
（4）输入去抖
按键输入经由软件执行去抖处理，当检测到电平变化时，会延迟20ms以再次确认，从而规避误触发的情况出现。就旋转编码器而言，则采用状态机检测的方式，依照A相和B相信号之间的相位关系来判定旋转方向及步数，并且也加上了防抖处理，以此保证编码器信号既准确又可靠。
（5）异常处理
程序需增添完善的异常处理机制，检测到传感器通信故障，ADC变换超时或者电压异常等状况时，系统先执行挽救操作（比如重做通信，重新设置外设），如果多次努力仍未果，则记入错误代码，并在显示器上告知用户，而且切换到安全模式，在安全模式里，系统遵照预先设定好的默认参数运行，保障基本功能得以保留。

总 结
本课题设计并实现了一套基于STM32的智能电致变色玻璃控制系统，围绕能源供给架构创新、智能控制策略优化和快速响应驱动技术三个核心方面展开研究，主要完成了以下工作：
（1） 设计出“光伏、储能、市电”这种具有三模冗余特性的供电架构，可以解决因单一能源供给而产生的可靠度不够问题。该系统所用的光伏板其透光率不低于65%，具备较强的适应性，即使在光照强度仅为1500lux的微弱光线条件下也能开始发电，并结合18650型磷酸铁锂电池组达成“光伏余电存入储能，光照短缺时以电池补充电能”的智能调控目的；市电充当备用电源角色，从而做到三种能源之间的无间断转换，经检测表明，此系统能够持续工作达78个小时之久，足以应对各种天气状况下维持稳定的运行需求。
开发出依托 STM32 的智能控制系统，并整合 TSL2561 光照传感器和 DS18B20 温度传感器，利用 “多点标定、温度补偿” 算法把光照采集误差限制在 ±1.5%以内，这远远超出设计指标 ±10%的要求，而且制定了 “智能自适应、手动优先” 的双重控制策略，从软件角度给予手动指令以最高中断优先权，从而保障用户可以及时干涉系统运行，协调智能控制与人性化感受。
（3）做到了高精度快速响应的推动技术，运用"PWM+反馈调节"这种双环PID控制算法，把输出电压的稳定性误差控制在±0.06V之内，要比设计指标±0.5V更好，更新地采用了"过推动"技术，利用1.2倍额定电压的脉冲来加快离子迁移，从而把变色响应时间从32.7秒缩减到8.3秒，超出设计指标10秒的目标。
（4）创建起完备的硬件平台及软件系统，并完成了各个模块的调试工作，还执行了系统的联合调试，以此来验证系统功能是否完备，其性能指标是否达标，经由检测可知，该系统各项性能指标要么达到了设计预期，要么超过了预期，从而做到了高效又可靠且对用户较为友好的智能调光方案。