基于藍(lán)牙的多功能臺燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陶曾杰，袁可可，李世友，付定元

(湖南信息學(xué)院電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410151)

如今，人們對臺燈的要求不再是單一的照明，而是追求照明的個(gè)性化和智能化[1].而市面上大部分臺燈只具備簡單的開/關(guān)功能，智能式多功能臺燈較少，人離開時(shí)若忘記關(guān)燈，燈會(huì)一直開啟，造成電能的浪費(fèi).為了解決這個(gè)問題，筆者擬設(shè)計(jì)一套基于藍(lán)牙的多功能臺燈控制系統(tǒng).

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于藍(lán)牙的多功能臺燈控制系統(tǒng)是通過傳感器檢測周圍環(huán)境，再利用微控制器進(jìn)行分析處理，它不僅可以實(shí)現(xiàn)臺燈的自動(dòng)開/關(guān)、亮度調(diào)節(jié)功能，還可以根據(jù)使用者的坐姿和使用時(shí)間作出語音提醒.臺燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架如圖1所示.

圖1 臺燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架Fig.1 Block Diagram of Lamp Control System

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 信號檢測

2.1.1 紅外檢測 紅外檢測電路采用HC-SR501，檢測周圍是否有人.當(dāng)檢測范圍內(nèi)有人時(shí)，紅外模塊2腳輸出一個(gè)高電平，經(jīng)R14限流后導(dǎo)通三極管，此時(shí)三極管集電極接地，即PEOPLE端(與P2.2相連)為低電平，LED D5點(diǎn)亮，單片機(jī)根據(jù)PEOPLE為低電平判斷有人.R13為上拉電阻，當(dāng)檢測范圍內(nèi)無人時(shí)，2腳輸出低電平，三極管截止，PEOPLE通過上拉電阻變成高電平.紅外檢測電路如圖2所示.

圖2 紅外檢測電路Fig.2 Infrared Detection Circuit

2.1.2 光感檢測 采用光敏電阻根據(jù)外界光照強(qiáng)度進(jìn)行光感檢測.當(dāng)周圍環(huán)境光照強(qiáng)度發(fā)生改變時(shí)，光敏電阻兩端電壓也發(fā)生相應(yīng)變化[2].光敏電阻與1個(gè)100 kΩ的電阻形成分壓電路，傳輸至單片機(jī)，單片機(jī)將其值與給定值進(jìn)行比較分析，判斷光照強(qiáng)度，再通過PWM調(diào)節(jié)燈光的強(qiáng)弱.

2.1.3 超聲波測距 超聲波測距采用HC-SR04，用來檢測使用者與桌面之間的距離.測距時(shí)，主控芯片通過Trig引腳發(fā)送1個(gè)10 μs的脈沖，啟動(dòng)超聲波測距模塊，模塊內(nèi)部會(huì)自動(dòng)發(fā)射8個(gè)40 kHz的方波，并檢測是否有信號返回.當(dāng)檢測到返回信號時(shí)，Echo引腳會(huì)輸出1個(gè)高電平，該高電平持續(xù)的時(shí)間即為超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間[3].

2.2 信號輸出

2.2.1 語音播報(bào) 語音播報(bào)采用NY3P035語音芯片，用來進(jìn)行倒計(jì)時(shí)結(jié)束后的語音提醒，以及使用者使用時(shí)間過長、坐姿不正確等提醒.NY3P035內(nèi)置1組PWM輸出器，可直推喇叭，外圍電路相對簡單，僅需要耦合1個(gè)104電容即可.語音播報(bào)電路如圖3所示.

圖3 語音播報(bào)電路Fig.3 Voice Broadcast Circuit

2.2.2 LED驅(qū)動(dòng)電路 為了方便，LED驅(qū)動(dòng)采用USB接口輸出，用來連接負(fù)載.當(dāng)單片機(jī)LED端口輸出低電平時(shí)，經(jīng)過限流電阻，導(dǎo)通三極管，此時(shí)J6的+極和三極管的集電極相連，J6+極接入+5 V電源，LED開始工作.當(dāng)單片機(jī)LED端口輸出高電平時(shí)，三極管截止，J6不得電，負(fù)載停止工作.LED驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示.

圖4 LED驅(qū)動(dòng)電路Fig.4 LED Drive Circuit

2.2.3 顯示及報(bào)警 顯示采用OLED屏，主要顯示倒計(jì)時(shí)時(shí)間、使用者與臺燈之間的距離、外界光線強(qiáng)度/燈光亮度等.超聲波測量的距離小于預(yù)設(shè)值時(shí)通過蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，提醒使用者注意坐姿.

2.3 藍(lán)牙通信

藍(lán)牙通信采用HC-05藍(lán)牙模塊.燈作為從端設(shè)備，可以與手機(jī)主控制端建立雙向通信，臺燈OLED屏顯示的數(shù)據(jù)傳送到手機(jī)端并顯示，手機(jī)端對燈下達(dá)控制命令.

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)首先初始化，顯示屏顯示倒計(jì)時(shí)時(shí)間、外界光線強(qiáng)度/燈光亮度、使用者與臺燈之間的距離，然后根據(jù)自動(dòng)模式、手動(dòng)模式或藍(lán)牙控制進(jìn)行不同的操作.自動(dòng)模式下，紅外感應(yīng)傳感器檢測是否有人，有則開啟臺燈并開始倒計(jì)時(shí).倒計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)喇叭播報(bào)提醒休息，此時(shí)需要手動(dòng)復(fù)位，關(guān)閉臺燈并重置倒計(jì)時(shí)；若此時(shí)使用者已離開，則系統(tǒng)會(huì)有1個(gè)30 s的延時(shí)，延時(shí)結(jié)束后檢測到無人便自動(dòng)關(guān)燈.手動(dòng)模式下，使用者通過旋鈕開啟臺燈并調(diào)節(jié)亮度.藍(lán)牙控制下，使用者在手機(jī)端開啟臺燈并調(diào)節(jié)亮度.系統(tǒng)主程序流程如圖5所示.

圖5 系統(tǒng)主程序流程Fig.5 Main Flow Chart of System

3.2 藍(lán)牙通信設(shè)置

藍(lán)牙HC-05模塊用來接收數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳輸至單片機(jī)，再通過手機(jī)上的藍(lán)牙串口助手發(fā)送數(shù)據(jù).將藍(lán)牙模塊用TTL線與電腦連接，按模塊上的按鍵再上電，進(jìn)入AT模式(圖6).打開電腦串口調(diào)試器，設(shè)置好端口號、波特率，選擇十六進(jìn)制顯示，就可以對藍(lán)牙模塊進(jìn)行調(diào)試了[4].

圖6 AT模式下的測試Fig.6 Test in AT Mode

藍(lán)牙控制App為現(xiàn)成的藍(lán)牙串口助手，它有12個(gè)按鍵，選擇其中4個(gè)按鍵作為臺燈的控制按鍵，分別控制臺燈開/關(guān)、燈光調(diào)亮、燈光調(diào)暗和自動(dòng)/手動(dòng)模式切換.將串口助手和藍(lán)牙模塊進(jìn)行配對連接，模塊上的LED燈由快閃變?yōu)?次/s的閃爍，表示連接成功.

在藍(lán)牙調(diào)試中，利用串口工具將藍(lán)牙模塊與電腦相連，通過串口調(diào)試助手對藍(lán)牙信息進(jìn)行檢測和修改.在AT模式下可以查看藍(lán)牙地址和配對密碼.手機(jī)藍(lán)牙串口助手與藍(lán)牙模塊配對后就發(fā)送數(shù)據(jù)，調(diào)試助手接收并顯示收到的數(shù)據(jù)，藍(lán)牙配對測試如圖7所示.圖8示出了手機(jī)藍(lán)牙串口助手界面，藍(lán)牙控制選擇使用4個(gè)按鍵，顯示4段數(shù)據(jù).

圖7 藍(lán)牙配對測試Fig.7 Bluetooth-Paired Test

圖8 藍(lán)牙串口助手界面Fig.8 Bluetooth Serial Port Assistant Interface

4 結(jié)語

對硬軟件的整體調(diào)試和藍(lán)牙端的聯(lián)機(jī)測試后，上電開始實(shí)際使用.使用者通過按鍵切換自動(dòng)/手動(dòng)模式，并設(shè)置定時(shí)時(shí)間、超聲波閾值等.手動(dòng)模式下，使用者可以直接調(diào)節(jié)燈光亮度；自動(dòng)模式下，紅外感應(yīng)檢測到人就自動(dòng)開燈，再根據(jù)外界光線強(qiáng)度的變化調(diào)節(jié)燈光亮度，當(dāng)超聲波的測量距離小于預(yù)設(shè)值時(shí)會(huì)進(jìn)行報(bào)警提醒.當(dāng)手機(jī)藍(lán)牙終端與臺燈控制系統(tǒng)連接成功后，藍(lán)牙終端通過發(fā)送開/關(guān)燈信號和調(diào)節(jié)燈光亮/暗信號來控制臺燈.基于藍(lán)牙的多功能臺燈控制系統(tǒng)彌補(bǔ)了現(xiàn)有臺燈功能單一、浪費(fèi)電能的不足.考慮到該系統(tǒng)中手機(jī)控制端App界面利用的是藍(lán)牙串口助手界面，界面顯示不夠豐富，因此筆者之后將對手機(jī)控制端App采用安卓系統(tǒng)設(shè)計(jì)出人性化功能更強(qiáng)大的界面.