摘要：针对博物馆文物保护与沉浸式观赏的双重需求，设计一种基于 STM32F103C8T6 单片机的智能光照系统。该系统融合多传感器数据采集、PID 精准控制与历史场景光照模拟功能，通过实时监测环境温湿度、光照强度，自适应调节照明参数，在满足《博物馆建筑设计规范》要求的同时，营造贴合历史时期的观赏氛围。测试结果表明，系统光照控制精度 ≤±5% ，温湿度调节响应时间 <10s ，可有效保护文物并提升参观体验。

关键词：STM32 单片机；智能光照；文物保护；温湿度感知；PID 控制

一、引言

博物馆文物对光照强度、温湿度等环境参数极为敏感，不当环境易导致文物褪色、霉变或变形。传统光照系统依赖人工调节，难以平衡文物保护的严苛要求与观众的沉浸式体验需求。基于此，本文设计一种集成环境感知、智能控制与人机交互的智能光照系统，采用 STM32F103C8T6 作为核心控制器，结合多传感器数据融合与 PID 控制算法，实现光照强度、色温的自适应调节，同时模拟不同历史时期光照特征，为博物馆提供高效、精准的光照解决方案。

二、系统总体设计

（一）硬件系统架构

系统硬件由核心控制单元、环境感知模块、执行器模块及辅助模块构成。核心控制单元采用 STM32F103C8T6 单片机，其 Cortex-M3 内核主频达 72MHz，64KB Flash 与 20KB SRAM 满足数据处理与算法运行需求，37 个 GPIO 引脚支持多传感器并行接入。

环境感知模块采用多传感器融合方案：光照采集通过光敏电阻 + ADC采样实现，配合金属遮光罩与软件滤波提升抗干扰能力；温湿度监测采用DHT11 粗测与 DS18B20 精测组合，覆盖 20%-90% RH 湿度范围与 - 55°C_～125^∘C 温度范围，满足不同场景监测需求。

执行器模块包括 RGB 灯驱动与风扇控制：RGB 灯珠通过三极管8050 驱动，采用 PWM 调光技术实现 0-255 级亮度调节，支持历史场景色温模拟；风扇驱动电路通过阈值触发启停，保障展柜温湿度稳定。电源模块采用 Micro-USB 输入，经 AMS1117-3.3V 与 LM7805 稳压芯片输出3.3V 和 5V 电压，为系统提供稳定供电。

（二）软件系统设计

软件采用分层架构设计，分为硬件驱动层、数据处理层、控制逻辑层与应用层。硬件驱动层实现 ADC、TIM、I2C 等外设初始化，保障传感器时序控制与数据传输；数据处理层通过滤波、校准算法提升采集数据精度，光照强度经 ADC 值换算公式 E=(VADC× 3.3/4096)× （R 固定 光敏）/R 固定计算得出。

控制逻辑层核心为 PID 算法，通过比例（ Kp=0.6 ）、积分（ ）、微分（Td=2s）调节，实现光照强度快速稳定控制，调节时间 ≤5s 。系统预设唐代、宋代及手动三种模式，唐代模式采用 80lux 暖黄色光照（ R=255,G=160,B=0 ） ， 宋 代 模 式 为 60lux 冷 白 色 光 照（ R=200,G=200,B=200 ），满足不同历史场景模拟需求。

应用层支持按键操作与 OLED 显示，可实现模式切换、参数设置及环境数据实时展示。系统参数存储于 STM32 内置 Flash，掉电不丢失，提升使用便捷性。

三、系统测试与优化

（一）模块级测试

传感器校准采用标准光源与高精度仪表对比，光照传感器拟合多项式

E=aV³+bV²+cV+d （ R²>0.99 ），温湿度传感器通过软件补偿修正偏差。执行器测试验证 PWM 调光线性度，风扇启动响应时间 <1s ，噪音 ≤30dB ，满足博物馆静音要求。

（二）系统联动测试

模式切换测试中，灯光颜色与亮度切换误差 ≤5% ；温湿度联动测试显示，当湿度 >60% RH 时风扇自动启动，5 分钟内湿度下降 25% RH；PID控制测试中，光照强度超调量 ≤10% ，控制精度满足文物保护要求。

（三）优化方案

针对传感器精度不足问题，计划将光敏电阻升级为 BH1750（精度 ± 2% ），DHT11 替换为 SHT30（湿度精度 ± 1.5% RH）；引入人体红外传感器与休眠模式，无参观者时采样频率降至 1 次 / 分钟，降低系统功耗；增加 UVM-30A 紫外线传感器，超标时自动关闭 LED 并报警，强化文物保护。

四、结论

本系统通过 STM32 单片机与多传感器融合设计，实现了文物保护与沉浸式观赏的平衡，具有控制精准、扩展性强、成本可控等优势。实测表明，系统各项指标符合《博物馆建筑设计规范》要求，可广泛应用于博物馆、美术馆等场景。未来将进一步优化控制算法，增加远程监控功能，提升系统智能化水平与实用性。

参考文献

[1] GB 50352-2019，博物馆建筑设计规范 [S].

[2] STM32F103C8T6 数据手册 [Z]. STMicroelectronics, 2011.