智能背光手表設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

程升強(qiáng) 王紅心 湯莉莉 吳沅賽 何晨威 陳泓坤 徐偉 雷濤 王軍

摘 要：本設(shè)計(jì)是在傳統(tǒng)手表上加入了單片機(jī)技術(shù)從而實(shí)現(xiàn)智能背光的一款手表。通過(guò)超聲波傳感器發(fā)送超聲波，并且讀取回波使超聲波模塊的芯片產(chǎn)生高電平，根據(jù)時(shí)間計(jì)算人臉距手表的距離，再通過(guò)光敏傳感器收集外界光線信息，來(lái)判定是否超過(guò)預(yù)定閾值，然后將收集的信息傳遞給STM32F407芯片，芯片在輸出相應(yīng)的PWM點(diǎn)亮手表上的LED燈，從而實(shí)現(xiàn)智能背光，同時(shí)可以根據(jù)外界光線亮度來(lái)調(diào)節(jié)LED燈的亮度。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)技術(shù) 超聲波 光敏電阻 PWM 輸入捕獲

中圖分類號(hào)：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）12（b）-0133-02

隨著科技日益發(fā)展的腳步，手表進(jìn)一步融入了我們的生活，生活中隨處可見(jiàn)手表的存在，手表能為我們提供準(zhǔn)確的時(shí)間，方便了我們的日常生活和日常作息安排。但傳統(tǒng)的手表在某些光線昏暗的情況下，卻顯得不那么方便我們獲取時(shí)間。為此，我們團(tuán)隊(duì)結(jié)合所學(xué)單片機(jī)知識(shí)設(shè)計(jì)出了這款可實(shí)現(xiàn)智能背光的手表，讓我們?cè)诠饩€昏暗的條件下，一抬手腕其上面的手表就可以自動(dòng)背光，無(wú)需向市面上其他的產(chǎn)品一樣還需開(kāi)啟其他的按鍵才有背光，更加方便我們?cè)谶@種情況下獲取時(shí)間。

智能背光是指利用單片機(jī)處理技術(shù)，在傳統(tǒng)手表上外接一個(gè)單片機(jī)最小系統(tǒng)板和其他與本設(shè)計(jì)所需的傳感器模塊，并通過(guò)軟件控制來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)啟LED背光的功能。其原理是利用手表上的超聲波傳感器發(fā)送超聲波，并且讀取回波使超聲波模塊的芯片產(chǎn)生高電平時(shí)間來(lái)計(jì)算人臉距手表的距離，再通過(guò)光敏傳感器收集外界光線信息，在距人臉一定的距離并且外界光線較昏暗的時(shí)候自動(dòng)開(kāi)啟LED背光，并且可以通過(guò)感應(yīng)外界光線的強(qiáng)度來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)LED燈的亮度，從而實(shí)現(xiàn)智能化。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

在主控芯片選擇上，我們采用處理信息能力更強(qiáng)大的基于Cortex—M4內(nèi)核的STM32F407芯片作為主控芯片[1-3]，超聲波傳感器發(fā)送超聲波，然后通過(guò)定時(shí)器輸入捕獲通道捕獲超聲波模塊上傳回的超聲波信息，進(jìn)而測(cè)量人臉與手表的距離，并通過(guò)系統(tǒng)光敏電阻傳感器模塊檢測(cè)外界光線亮度條件是否達(dá)到了預(yù)設(shè)的閾值，然后將模塊收集到的信息傳遞給主控芯片，芯片再根據(jù)收集到的信息，進(jìn)行相應(yīng)處理后，通過(guò)最小系統(tǒng)板上相應(yīng)的引腳對(duì)手表上的LED燈輸出相應(yīng)的PWM波[4]來(lái)控制燈的亮暗度，當(dāng)外界光線變化時(shí)，手表上的LED燈也能改變相應(yīng)的亮度。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件部分由單片機(jī)最小系統(tǒng)板、電源、穩(wěn)壓電路、超聲波模塊、光敏傳感器和手表上的LED燈等組成，本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件電路框架圖如圖1所示。

其中，電源通過(guò)穩(wěn)壓電路向STM32最小系統(tǒng)板和系統(tǒng)內(nèi)各模塊提供持續(xù)穩(wěn)定的電壓。通過(guò)定時(shí)器的輸入捕獲通道捕獲收集來(lái)自超聲波模塊傳回的信息和光敏傳感器的外界光線條件信息，芯片經(jīng)過(guò)處理后，計(jì)算出人臉距手表表面的距離，再由定時(shí)器的PWM輸出通道向相應(yīng)的引腳輸出對(duì)應(yīng)的PWM波給手表上的LED燈，進(jìn)而控制手表上LED燈的開(kāi)關(guān)和亮暗。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)軟件部分是在Keil5軟件上編寫完成的。具體實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。

超聲波傳感器發(fā)送超聲波后，系統(tǒng)內(nèi)STM32F407芯片通過(guò)定時(shí)器的輸入捕獲通道捕獲來(lái)自超聲波模塊信號(hào)，來(lái)檢測(cè)手表距離人臉的距離，并通過(guò)光敏傳感器檢測(cè)外界光源是否超過(guò)設(shè)值，主控芯片在通過(guò)相應(yīng)的定時(shí)器的PWM輸出通道向相應(yīng)的引腳輸出對(duì)應(yīng)的PWM波來(lái)點(diǎn)亮手表上的LED燈。

2 系統(tǒng)難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

本設(shè)計(jì)方案的難點(diǎn)：

（1）超聲波模塊采集信息的條件要求較高（要求有一個(gè)光滑且較為完整的平面），且信號(hào)采集容易受外界影響不穩(wěn)定。

（2）通過(guò)收集外界光線亮度調(diào)節(jié)PWM輸出值，根據(jù)相應(yīng)的外界亮度來(lái)調(diào)節(jié)手表上的LED燈有不同的亮度，程序調(diào)試過(guò)程較繁瑣。

（3）運(yùn)用到了多個(gè)定時(shí)器同時(shí)工作，且需讓它們工作正常，不互相干擾。

本設(shè)計(jì)方案的關(guān)鍵技術(shù)有：

（1）電源穩(wěn)壓技術(shù)，單片機(jī)最小系統(tǒng)板和系統(tǒng)內(nèi)其他模塊工作在最適宜的工作條件需要一個(gè)穩(wěn)定可靠的電壓。

（2）同時(shí)運(yùn)用到了一個(gè)定時(shí)器的多個(gè)通道（輸入捕獲，PWM輸出），且不互相干擾。

（3）運(yùn)用了STM32F407芯片強(qiáng)大的信息處理能力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)模塊的精確控制。

3 系統(tǒng)結(jié)果與測(cè)試分析

（1）超聲波模塊在大于2cm且小于100cm時(shí)可以穩(wěn)定工作，測(cè)量精度較準(zhǔn)。

（2）STM32F407芯片定時(shí)器的PWM輸出和輸入捕獲功能正常，能較準(zhǔn)確地收集超聲波模塊傳回的超聲波信息，能輸出較完整的PWM波送給LED燈。

（3）電源穩(wěn)壓芯片電路工作正常，能提供給STM32最小系統(tǒng)板和系統(tǒng)內(nèi)各模塊持續(xù)且穩(wěn)定的電壓。

（4）背光顯示正常，且能實(shí)現(xiàn)背光智能化。

4 結(jié)語(yǔ)

本智能背光手表通過(guò)在傳統(tǒng)手表上加入了單片機(jī)技術(shù)，可以解決在某些光線昏暗的情況下傳統(tǒng)手表無(wú)法獲取時(shí)間的情況，且可以實(shí)現(xiàn)智能化，在外界光線亮度較弱的條件下，只需抬手就可以自動(dòng)背光，便于我們獲取時(shí)間，更加方便人們的生活。

參考文獻(xiàn)

[1] 蒙博宇.STM32自學(xué)筆記[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

[2] 劉火良，楊森.單片機(jī)與嵌入式：STM32庫(kù)開(kāi)發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[3] 張洋，劉軍，嚴(yán)漢宇，等.精通STM32F4：庫(kù)函數(shù)版[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2015.

[4] 陳國(guó)呈.PWM逆變技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007.