一種基于STM32的智能學習型臺燈設計

楊顯斌

摘 要：基于STM32微處理器設計一種智能學習型臺燈，通過檢測環境光線強度實現PWM自動調光，檢測學習者附身距離、預設學習時間及語音提醒等，達到護眼目的。文章介紹了智能學習型臺燈的系統設計方案，給出了主要功能模塊的軟硬件設計方法。

關鍵詞：智能學習型臺燈；STM32；自動調光；距離檢測；語音提醒

臺燈是人們學習時常用的工具之一。很多人長時間伏案學習，由于坐姿不正確、燈光使用不當及作息時間不規律等，極易造成視覺疲勞，以致影響視力[1]。目前市面上常用的臺燈大多是手動調光，功能較簡單，少有護眼功能。如果設計一款臺燈，能根據環境光強自動調節臺燈亮度，通過檢測附身距離語音提醒學習者糾正坐姿，并提供學習時間播報、時鐘日歷及溫濕度顯示等功能，將能為學習者養成良好的學習與用眼習慣提供支持。本文設計的基于STM32的智能學習型臺燈即具有上述功能。

1 系統設計方案

智能學習型臺燈的系統組成如圖1所示。

STM32微處理器是整個系統的核心。光強傳感器采集環境光線強度經I2C傳輸給STM32微處理器，通過PWM輸出到恒流源自動調節LED燈的亮度，升壓電路為恒流源及LED燈珠提供所需的直流電源。利用超聲波距離傳感器檢測學習者的附身距離，通過STM32微處理器控制語音芯片來驅動喇叭發聲。按鍵用來預設學習時間及調整時鐘日歷，學習時間、時鐘日歷和環境溫濕度數據在LCD屏上顯示。

2 硬件設計

2.1 主控芯片

基于Cortex-M3內核的STM32f103vet6芯片具有運算速度快、精度高、功耗低、極高的性價比等特點[2]，可滿足系統的功能要求，適合作本設計的主控芯片。

2.2 光強檢測與燈光控制電路

采用BH1750FVI光強傳感器和PWM數字調光技術，電路如圖2所示。

BH1750FVI具有廣泛的輸入光范圍（1-65535LUX），接近視覺靈敏度的光譜靈敏度特性[3]，通過I2C與主控芯片連接。

主控芯片根據BH1750FVI采集的光強數據控制PWM的輸出頻率，經恒流源PT4115調節LED亮度。PT4115是一款連續電感電流導通模式的降壓恒流源，最大可輸出1.2 A的恒定電流[4]，通過DIM引腳進行LED開關可實現很寬范圍的PWM調光。采用XL6009 DC-DC升壓模塊可獲得4 A＼5～35 V的穩定直流電壓供恒流源和LED燈珠使用。

LED燈采用日光白和暖白兩種燈珠，通過觸摸按鍵進行選擇，可消除單一光源引起的視覺疲勞。

2.3 距離檢測及語音控制電路

采用HC-SR04+超聲波傳感器檢測學習者與LED光源的距離，當檢測距離小于設定的最小值時，WT588D語音芯片驅動揚聲器提醒學習者調整坐姿。

HC-SR04+包括超聲波發射器、接收器和控制電路。將HC-SR04+的脈沖觸發引腳（TRIG）和回波引腳（ECHO）分別與STM32f103vet6的GPIO引腳相連，當主控芯片給TRIG一個不小于10 μs的高電平信號，模塊自動發出8個40 kHz方波[5]，同時ECHO自動置高電平，直到接收到返回超聲波止，則：測試距離=（回波高電平時間×聲速）/2。

WT588D是一款功能強大的可重復擦寫的語音單片機芯片，支持最多500段用于編輯的語音，采用PWM輸出可直接推動0.5 W/8 Ω的揚聲器[6]，用于附身距離提醒、學習時間播報等。

2.4 時間設置與顯示

分別利用主控芯片的通用定時器（TIM）和獨立的實時時鐘（Real-Time Clock，RTC）實現學習時間倒計時和時鐘日歷等功能，通過按鍵對學習時間、時鐘日歷進行設置。

本設計還采用DHT11數字溫濕度傳感器采集環境溫濕度。

學習時間、時鐘日歷和溫濕度信息顯示在LCD12864液晶顯示器上，為學習者提供時間和環境舒適度等相關信息。

3 軟件設計

智能學習型臺燈軟件系統采用模塊化設計方法，基于STM32庫函數編程實現[7]。軟件系統主要包括主程序，光強檢測、PWM調光、距離檢測、語音提醒和溫濕度檢測等模塊。

主程序模塊通過系統初始化及調用外設模塊子程序來完成系統的主要邏輯操作，在while（1）中掃描按鍵并對學習時間和時鐘日歷等進行調設，主程序流程如圖3所示。

通過調用BH1750光強檢測、I2C傳輸和PWM輸出等子程序實現自動調光功能；調用HC-SR04超聲波測距子程序和WT558D語音子程序等實現學習者附身距離提醒功能；調用溫濕度檢測子程序來采集環境溫濕度數據。利用定時中斷實現每1 s更新光強和溫濕度數據，每3 s檢測附身距離。

此外，系統還設有學習時間倒計時、時鐘日歷和LCD液晶顯示等程序模塊。

4 結語

我們采用基于STM32f103vet主控芯片設計一種智能學習型臺燈，通過試做樣品在室內測試，在不同光亮環境下能自動調整LED燈亮度，燈光柔和；當學習者與超聲波傳感器的距離小于設定值或預設學習時間到時能語音提醒，時鐘日歷、環境溫濕度顯示等功能正常。本設計的智能學習型臺燈成本低、性能優越、實用性強，具有良好的應用前景。

[參考文獻]

[1]梁計鋒，劉瑞妮，尤國強.智能護眼臺燈電路的設計[J].電子設計工程，2015（20）：155-157.

[2]STMicroelectronics.STM32F103VET6 Datasheet[EB/OL].（2018-06-06）[2019-02-16].http：//www.st.com.

[3]陳小青.室內溫度濕度照度測量的實現[J].科技經濟導刊，2016（6）：115.

[4]麻朋威.基于PT4115的LED照明燈系統設計[J].科技視界，2015（16）：69-70.

[5]蘇琳.基于HC-SR04的超聲波測距器的設計[J].科技信息，2012（9）：124-125.

[6]謝輝程，郭莉.基于stm32的無線環境監控系統設計[J].軟件，2014（12）：5-7.

[7]鄭杰.ARM嵌入式系統開發與應用完全手冊[M].北京：中國鐵道出版社，2013.