采用STC15W404AS單片機的手機藍牙臺燈裝置設計

袁 煒，孫會琴，張乃昌，張 磊

（1.淮南師范學院 機械與電氣工程學院，安徽 淮南 232038；2.河北科技大學 電氣工程學院，河北 石家莊 050018；3.杭州鴻泉物聯網技術股份有限公司，浙江 杭州 310052）

隨著科技的進步，人們對智能家居的需求不斷擴大，作為家家常用的臺燈也在智能家居的范疇之內[1]。目前市面上的臺燈類型多樣，能夠滿足人們的基本需求，但為進一步提高臺燈的服務水平和質量，可以在其功能，操作方法等方面加以探究，使其更加智能化、人性化。

1 系統整體方案設計

借助完善的手機藍牙技術[2]，以單片機為核心控制芯片，在傳統臺燈功能的基礎上，增添亮度調節，溫濕度檢測，語音提示等功能。裝置主要包括STC15W404AS單片機、溫濕度傳感器、EEPROM、OLED顯示屏、QJ008語音模塊、HC-06藍牙模塊、LED燈等。系統硬件框架如圖1所示。

圖1 系統硬件框架圖Fig.1 System hardware framework diagram

1.1 STC15W404AS單片機

STC15W404AS作為主控芯片，具有超高速CPU內核，最高頻率可達到35 MHz。采用內部晶振驅動，內含高速異步串行接口（UART），管腳功能豐富，也可外接74HC595拓展通用I/O口。主控芯片采用SOP20封裝，如圖2所示。

圖2 主控芯片封裝圖Fig.2 Master chip package diagram

1.2 溫濕度傳感器

DHT11溫濕度傳感器內部包含NTC測溫度和電阻式測濕度兩個部分，性能穩定，讀數精確[3]。采用DATA管腳與單片機進行數據交互，為提高遠距離傳輸數據的穩定性，可在DATA管腳上拉4.7 KΩ。通過DATA管腳傳輸數據大小為40 bit，數據的高位在前面先輸出，編寫代碼時應注意，DHT11傳輸的數據格式依次是濕度數值，溫度數值，最后8 bit的數據就是校驗值。注意，校驗值與前面傳輸的數據之和相等時，讀取的數據才正確。圖3為DHT11的引腳圖。

圖3 DHT11引腳圖Fig.3 DHT11 pin diagram

1.3 QJ008語音播報模塊

QJ008語音播報模塊主要是用于智能語音提醒，提示用戶注意休息，切勿用眼過度。QJ008語音芯片可通過串口直接控制，支持U盤內音頻播放，音頻音質好，使用方便，可靠穩定[4]。選擇W25Q64作為Flash存儲芯片，采用SPI接口，其內存為8 MB，電壓范圍是2.7～3.6 V，10萬擦寫次數，Flash內部數據至少能保存20年。采用LM4890作為功放電路主芯片，無須外接耦合電容，接喇叭即可輸出播放[5]。圖4是QJ008語音播報系統框圖。

圖4 QJ008語音播報系統框圖Fig.4 QJ008 voice broadcast system block diagram

圖5為QJ008語音播報模塊原理圖。DATA1為數據位，CMD1為片選，CLK1為時鐘。首先將數據線與USB串口相連后再連接電腦，格式化W25Q64，將待播音頻放到指定的目錄下。其次利用單片機內部定時器Time0設置每次發送數據的間隔，每隔一段時間STC15W404AS會通過串口MT_SR發送指令到QJ008，通過數據判斷后控制相應的SPI接口線，讀取W25Q64芯片存儲的音頻文件，最后通過LM4890功放電路輸出音頻[6]。聲音的大小通過調節LM4890上電阻的值來控制。

圖5 QJ008模塊原理圖Fig.5 QJ008 module schematic

1.4 HC-06無線藍牙串口模塊

HC-06無線藍牙模塊采用串行異步通信，操作簡單。根據模塊上的LED藍燈判斷手機藍牙是否連接成功，若藍燈常亮則藍牙模塊與手機連接成功；若藍燈閃爍，則連接失敗。手機藍牙串口APP與HC-06無線藍牙模塊相連，定義藍牙協議格式為：起始數據（0x0F），開燈數據（0x10）或關燈數據（0x20），燈的亮度數據（0x00-0x20），校驗位。通過手機藍牙發送協議之和，單片機在串口中進行解析，實現燈的開關控制及燈光亮度色溫的調整[7]。

1.5 AT24C128C EEPROM串行存儲器

AT24C128C芯片采用的是IIC總線，IIC總線能在芯片間進行串行數據交互[8]。IIC與任何CPU的信息交互采用同一種方式，具有編程的一致性。AT24C128CEEPROM串行存儲器也支持IIC總線，其功能引腳圖如圖6所示。

圖6 AT24C128C功能引腳圖Fig.6 AT24c128c function pin diagram

1.6 OLED顯示屏

選用四線制的IIC接口OLED屏，OLED屏類似于點陣屏，不同于LCD，無須外接背光源，穩定性、顯示效果較LCD好[9]。OLED屏用于顯示DHT11模塊檢測出的溫濕度，實時獲取當前環境的溫濕度，其具有GND、VCC、SCL、SDA4個接口。

2 系統軟件設計

系統軟件在Keil5編譯環境下使用C語言實現的。C語言是一種廣泛使用的計算機語言，其具有易編譯、快運算、函數庫豐富，良好的可讀、可移植性等優點，有利于實現對硬件的調節控制。系統軟件設計首先在STC15W404AS單片機上電后，判斷藍牙信號是否正確匹配，正確匹配后進入手機APP界面[10]。其次通過藍牙通信，LED照明系統接收由手機APP發送的相關指令，然后解析成相應開、關燈指令，亮度調節指令、溫濕度顯示、設置定時語音播報等。圖7為手機APP藍牙通信流程圖，圖8為系統軟件設計整體流程圖。

圖7 手機APP藍牙通信流程圖Fig.7 Mobile APPbluetooth communication flow chart

圖8 系統軟件設計整體流程圖Fig.8 Flow chart of system software design

3 系統調試與問題解決

3.1 硬件調試

硬件調試包括3個步驟：（1）目測焊好的電路板連接情況，將其與原理圖、PCB對比，檢查外部元器件、電路是否有漏焊、斷路等情況。（2）利用萬用表進行逐一測量，判斷是否存在短路、短路的情況。（3）確保電路無誤后，通過串口給PCB板供電，燒寫簡單的點亮燈代碼測試一下，LED燈正常點亮后即可進行代碼燒寫、軟件調試。

3.2 軟件調試

用keil5編譯主程序，編譯無誤后通過STC自動燒錄器燒寫程序，選擇STC15W404AS單片機以及COM4串口，打開OBJ目錄下的LED.hex文件，點擊下載/編程，ISP軟件開始識別單片機型號STC15W404AS，出現燒寫成功即可。STC15W404AS內部有晶振，燒寫時可修改頻率。

3.3 問題解決

測試過程遇到的問題及解決方法：（1）燒寫程序時總出現下載失敗，發現最低波特率過高造成下載失敗，將最低波特率值由默認的2 400修改為1 200，即可下載成功。（2）程序燒寫成功后，OLED顯示屏溫濕度數值為空白。檢查了程序之后發現dth11.c有個變量未進行初始化，初始化修改代碼重新燒寫，功能正常。

4 裝置功能實現與總結

基于STC15W404AS單片機的手機藍牙臺燈實物如圖9所示，通過USB給裝置供電后，可利用手機藍牙串口APP發送十六進制數據0F100322實現開燈，發送0F20002F實現關燈，也可通過撥碼開關控制臺燈的開關；OLED顯示屏實時顯示當前環境的溫濕度，如圖10所示；利用手機藍牙界面操控燈亮度的調節，如圖11所示；QJ008會進行用時記錄及語音播報，提醒用眼時長。

圖9 智能藍牙臺燈實物圖Fig.9 The physical picture of the pntelligent bluetooth besk lamp

圖10 溫濕度顯示圖Fig.10 Temperature and humidity display

圖11 亮度調節對比圖Fig.11 Brightness adjustment contrast diagram

基于STC15W404AS單片機的手機藍牙臺燈裝置設計，完成了手機藍牙對LED臺燈智能控制，實現了遠程和就地控制臺燈的開關、亮度狀態，一定程度上避免了用戶過度用眼造成視覺疲勞的情況，提供了依據溫濕度顯示選擇穿著衣服的便利，這些優勢使得臺燈的智能化、人性化程度都得以提升，具有不錯的實際應用價值。