基于STM32的智能互聯(lián)臺(tái)燈設(shè)計(jì)

張啟龍 陳湘萍

摘 要：為了改善傳統(tǒng)臺(tái)燈功能單一，與當(dāng)前家電的智能化、人性化和低碳設(shè)計(jì)相悖的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于STM32實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的多功能智能臺(tái)燈。本設(shè)計(jì)采用意法半導(dǎo)體的Cotex-M3核心微控制器STM32作為主控制器，通過(guò)硬件電路的構(gòu)建以及相應(yīng)軟件程序的編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)智能臺(tái)燈的自動(dòng)亮滅、智能調(diào)光、糾正坐姿、打電話等功能，使得臺(tái)燈更護(hù)眼，更節(jié)能，更加智能化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的智能臺(tái)燈具有良好的實(shí)時(shí)性，穩(wěn)定性強(qiáng)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞： 智能臺(tái)燈;STM32;智能調(diào)光;糾正坐姿;打電話

文章編號(hào)： 2095-2163（2019）03-0151-06 中圖分類(lèi)號(hào)： TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

0 引 言

隨著全球變暖和能源危機(jī)的加劇，綠色節(jié)能的觀念已經(jīng)深入人心，追求節(jié)能產(chǎn)品也成為一種潮流[1]。因此，智能臺(tái)燈的概念就這樣應(yīng)運(yùn)而生。

但是，現(xiàn)有燈具不但功能單一，而且還嚴(yán)重浪費(fèi)資源，因而難以滿(mǎn)足人們的智能化生活需求;同時(shí)，近視眼人數(shù)逐年增加，究其原因就在于使用臺(tái)燈方法不得當(dāng)，不論太亮、或是太暗，視力都會(huì)受到一定影響[2-4]。若在臺(tái)燈下長(zhǎng)期駝背躬身學(xué)習(xí)或者工作，也可能會(huì)造成腰椎和頸椎疾病;目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的各型燈具，大都價(jià)格昂貴，而且未能解決以上弊端?；诖?，本設(shè)計(jì)選擇STM32F103C8T6單片機(jī)作為主控芯片，利用紅外傳感模塊、距離檢測(cè)模塊（Distance detection module）、環(huán)境光感知模塊[5]、電話通訊模塊、LED照明模塊等外圍設(shè)備隨著外部光線的變化自動(dòng)改變或熄滅光強(qiáng)度。而且，為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)臺(tái)燈功能單一的缺點(diǎn)，本款臺(tái)燈增加了智能護(hù)眼、坐姿提醒[6]和電話呼叫等功能。對(duì)此，本文擬展開(kāi)如下研究論述。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[7-8]

本文以STM32F103C8T6單片機(jī)主控模塊為核心，以紅外傳感檢測(cè)模塊、距離檢測(cè)模塊、環(huán)境光感知模塊（Ambient light perception module）等外圍設(shè)備構(gòu)成的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)的整體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)電路如圖2所示。在圖2中，紅外傳感模塊用于檢測(cè)臺(tái)燈周?chē)欠裼腥?，?shí)現(xiàn)人來(lái)燈亮、人離開(kāi)燈熄滅功能;距離檢測(cè)模塊與報(bào)警模塊協(xié)同，實(shí)現(xiàn)糾正坐姿功能;環(huán)境光感知模塊用于檢測(cè)外部光強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)光功能;故障按鈕模塊與通訊模塊協(xié)同，實(shí)現(xiàn)撥打電話功能。

1.2 STM32F103C8T6單片機(jī)主控模塊設(shè)計(jì)

控制模塊選擇單片機(jī)作為主控制模塊。本文中選用了STM32F103C8T6單片機(jī)[9-12]。這是32位基于ARM的CortexTM-M3微控制器，其功能多樣，不僅可以對(duì)傳感器采集到的信息進(jìn)行接收、甚至處理，還可以控制固化設(shè)備的功率。經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，同時(shí)結(jié)合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，因而將其選為該系統(tǒng)的核心芯片。STM32F103C8T6單片機(jī)主控最小系統(tǒng)原理電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

1.3 紅外傳感模塊設(shè)計(jì)[13-14]

本模塊采用SD02型熱釋電人體紅外傳感器作為自動(dòng)控制臺(tái)燈亮滅模塊，因?yàn)槠渚哂懈哽`敏度，高可靠性特點(diǎn)。組成框圖如圖4所示。

1.4 距離檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

本模塊采用超聲波測(cè)距，且具有指向性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。其原理框圖如圖5所示。

1.5 環(huán)境光感知模塊設(shè)計(jì)[15]

本模塊采用光敏二極管感知。參考相關(guān)信息，探討得到光敏電阻、光電二極管、光電晶體管的主要參數(shù)，詳見(jiàn)表1。

1.6 蜂鳴器報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

本模塊采用了型號(hào)為T(mén)MB12A05電磁式5 V一體耐高溫有源蜂鳴器，且具有耐高溫、環(huán)保等特點(diǎn)。該模塊的輸入電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

1.7 電話通訊模塊設(shè)計(jì)[16-18]

本模塊主要由GSM網(wǎng)絡(luò)的SIM900A芯片進(jìn)行控制。SIM900A是一款工業(yè)級(jí)雙頻GSM / GPRS模塊，可實(shí)現(xiàn)SMS（SMS）、傳真信息傳輸，甚至低功耗的語(yǔ)音。SIM900A工作頻段雙頻GSM/GPRS90/1 800 MHz，配有1.8/3 V SIM卡，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，支持TCP/UDP通信，支持FTP/HTTP服務(wù)。SIM900A的工作電壓范圍為3.3～4.8 V，瞬時(shí)電流高達(dá)2 A。因此，供電能力不應(yīng)低于2 A，并且應(yīng)在VBAT引腳附近使用不小于100 μF的鉭電容。SIM900A具有全功能UART，支持1 200～115 200 bps的通信速率（具有自動(dòng)波特率檢測(cè)功能），并支持AT命令集。本次研究模塊的設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

1.8 LED燈照明模塊設(shè)計(jì)

為了試驗(yàn)的方便，本模塊采用3顆小的指示燈代替LED燈。本次設(shè)計(jì)模塊的輸入電路如圖9所示。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件設(shè)計(jì)的思想

模塊化設(shè)計(jì)思想，即先分后總的思想，具體操作辦法是分別調(diào)試每個(gè)硬件模塊，繼而協(xié)調(diào)每個(gè)模塊的程序的方法。軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖9所示。

2.2 系統(tǒng)程序流程設(shè)計(jì)

臺(tái)燈亮滅的控制時(shí)間是利用定時(shí)器來(lái)調(diào)控，觸發(fā)信號(hào)則由單片機(jī)的IO口來(lái)發(fā)送控制。對(duì)于聯(lián)網(wǎng)的控制采用SIM900A。軟件采用STM32CubeMX[19-21]進(jìn)行初始化，keil5進(jìn)行軟件的開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)總設(shè)計(jì)流程如圖10所示。

2.3 STM32F103C8T6工作狀態(tài)判斷程序代碼設(shè)計(jì)

STM32F103C8T6工作狀態(tài)判斷程序代碼主函數(shù)設(shè)計(jì)可表述如下。

int main（void）

{

u16 ADC_Value;

char str1[]="ATE1＼＼r＼＼n";

char str2[]="AT+COLP=1＼＼r＼＼n";

char str3[]="ATD15761697691;＼＼r＼＼n";

u16 adcnum;

int bobao_delay;

int num=0;

int OFF_FLAG=0;

u16 count = 0;

u8 close_flag=0;

u8 open=0，close=0;

u8 key = 0;

u8 hongwai;

SystemInit（）;

delay_init（）;//延時(shí)函數(shù)初始化

Initial_UART1（115200）;

ADC1_Init（）;

Key_Init（）;//按鍵初始化

TIM1_Init（）; //light初始化

while（1）

{

if（GPIO_ReadInputDataBit（GPIOA，GPIO_Pin_0）==1） //人體紅外，開(kāi)關(guān)燈

{

ADC_RegularChannelConfig（ADC1，ADC_Channel_8，1，ADC_SampleTime_239Cycles5 ）

ADC_SoftwareStartConvCmd（ADC1， ENABLE）;//使能指定的ADC1的軟件轉(zhuǎn)換啟動(dòng)功能

while（！ADC_GetFlagStatus（ADC1， ADC_FLAG_EOC ））;//等待轉(zhuǎn)換結(jié)束

ADC_Value=ADC_GetConversionValue（ADC1）;//返回最近一次ADC1規(guī)則組的轉(zhuǎn)換結(jié)果

delay_ms（200）; // 延時(shí)

TIM_SetCompare1（TIM1，ADC_Value）;

}

if（GPIO_ReadInputDataBit（GPIOA，GPIO_Pin_0）==0）//燈滅

{

BEEP_OFF;

TIM_SetCompare1（TIM1，0）;

if（GPIO_ReadInputDataBit（GPIOA，GPIO_Pin_12）==0）

{

UART1_Put_String（str1）;

delay_ms（300）;

UART1_Put_String（str2）;

delay_ms（300）;

UART1_Put_String（str3）;

delay_ms（500）;

delay_ms（500）;

delay_ms（500）;

delay_ms（500）;

delay_ms（500）;

delay_ms（500）;

delay_ms（500）;

delay_ms（500）;

delay_ms（500）;

TIM_SetCompare1（TIM1，1000）;

delay_ms（500）;

delay_ms（500）;

delay_ms（500）;

delay_ms（500）;

delay_ms（500）;

TIM_SetCompare1（TIM1，0）;

}

}

}

}

3 系統(tǒng)工作過(guò)程及工作效果

3.1 系統(tǒng)工作過(guò)程

臺(tái)燈通電后，每個(gè)模塊都會(huì)初始化。為了防止臺(tái)燈自動(dòng)化控制功能出現(xiàn)故障，本設(shè)計(jì)為此量身定制了一個(gè)故障按鈕模塊。在臺(tái)燈接通電源之后，隨即按下故障按鈕，假若臺(tái)燈出現(xiàn)故障，則點(diǎn)亮的臺(tái)燈就不能啟用自動(dòng)斷電功能，這時(shí)臺(tái)燈主人將會(huì)接到由臺(tái)燈處自動(dòng)撥打的電話提示，主人就可以給臺(tái)燈斷電，從而達(dá)到了節(jié)能環(huán)保的功效。對(duì)如上工作過(guò)程可描述為：首先，通電后，按下故障按鈕，當(dāng)人靠近臺(tái)燈時(shí)，臺(tái)燈就會(huì)點(diǎn)亮，而且還能根據(jù)周?chē)h(huán)境的亮度來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)臺(tái)燈燈光的亮度，這就可以保護(hù)人的眼睛，防止近視;其次，人坐在臺(tái)燈前學(xué)習(xí)，假若離臺(tái)燈太近，內(nèi)置蜂鳴器就會(huì)報(bào)警，提醒人糾正坐姿，防止近視和防止人駝背;最后，當(dāng)人起身離開(kāi)臺(tái)燈20 s后，臺(tái)燈就自動(dòng)斷電，從而達(dá)到了節(jié)能設(shè)計(jì)目的。

3.2 系統(tǒng)工作效果

在通電狀態(tài)下，電源指示燈處于低電平狀態(tài);程序開(kāi)始運(yùn)行。首先，當(dāng)臺(tái)燈感應(yīng)到人的到來(lái)時(shí)，臺(tái)燈自動(dòng)點(diǎn)亮。當(dāng)人離開(kāi)時(shí)，臺(tái)燈不會(huì)感知人體信號(hào)，經(jīng)過(guò)20 s的延遲，臺(tái)燈自動(dòng)熄滅，達(dá)到節(jié)能的目的;其次，智能臺(tái)燈可以根據(jù)當(dāng)前周?chē)h(huán)境， 自動(dòng)調(diào)節(jié)出最適合的光照強(qiáng)度， 達(dá)到了保護(hù)視力的目的;此外在臺(tái)燈旁邊安裝超聲測(cè)距傳感器， 當(dāng)人體離臺(tái)燈的距離過(guò)近時(shí)， 智能臺(tái)燈觸發(fā)語(yǔ)音提醒模塊， 提醒學(xué)生調(diào)整距離， 矯正坐姿， 防止近視和頸椎病的發(fā)生;最后，按下故障按鈕，假若臺(tái)燈出現(xiàn)故障，則亮著的臺(tái)燈就不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷電功能，這時(shí)臺(tái)燈主人就會(huì)接到臺(tái)燈打來(lái)的電話提示，主人就可以給臺(tái)燈斷電，從而達(dá)到了節(jié)能環(huán)保的功效。上述工作命令的實(shí)際效果圖即如圖11所示。

圖11（a）為人來(lái)燈亮、人走燈滅效果圖，圖11（b）為環(huán)境光感知的燈光亮暗效果圖，左圖中光敏電阻裸露，右圖中光敏電阻被嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)地蓋住;圖11（c）為臺(tái)燈自動(dòng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，人走燈不滅，打電話提醒斷電的效果圖。

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)以STM32F103C8T6單片機(jī)為核心制作了一款智能臺(tái)燈。該臺(tái)燈不僅具有自動(dòng)照明功能，還具有人走20 s后自動(dòng)斷電功能;同時(shí)也可以根據(jù)房間光線，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)光功能;當(dāng)人坐在臺(tái)燈前學(xué)習(xí)，假若離臺(tái)燈太近，蜂鳴器報(bào)警模塊就會(huì)報(bào)警，提醒人糾正坐姿，防止近視和人駝背;此外，還可以自動(dòng)撥打主人電話，提醒所有者關(guān)閉電源功能，從而節(jié)能。經(jīng)過(guò)室內(nèi)環(huán)境條件下設(shè)計(jì)的物體實(shí)驗(yàn)測(cè)試，初步測(cè)試結(jié)果表明，智能臺(tái)燈能夠有效實(shí)現(xiàn)指令的準(zhǔn)確識(shí)別，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目的和要求。設(shè)計(jì)成本適中，可直接應(yīng)用于智能家居和推廣。

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