基于STM32 的智能型多功能臺燈系統設計

楊安黔， 陳湘萍

（貴州大學 電氣工程學院， 貴陽550025）

0 引 言

臺燈是人們學習生活的必需品，但是，現有燈具不僅功能單一，而且還嚴重浪費資源。 據保守統計，照明已占我國總發電量的13%，而僅有不到5%的耗電真正用來照明；其次，近視眼人數逐年增加，據不完全估計，中國近視人數已超四億人，近視發病率一路飆升的很大部分原因就是因為使用臺燈方法不得當。 人工作環境的亮度應與臺燈的亮度相協調，不能太亮或是太暗，否則視力肯定受影響［1-4］；同時人長期在臺燈下躬著身子學習工作，除了嚴重影響學習效率外，也會造成駝背和頸椎病；最后，雖然市場上出現的琳瑯滿目，但是大都價格昂貴且仍不能滿足人們對于燈具智能化的需求。

本設計的主題是采用STM32F103C8T6 單片機作為主控芯片，結合有關配件以及環境光感知模塊等外圍設備，隨著外部光強變化自動控制臺燈亮度及通斷，改善了傳統臺燈在功能方面單一性的缺陷。所以在本款臺燈的設計過程中，增加了較多的功能性作用，比如定制時間，護眼，坐姿體型等方面［5］。

1 總體方案設計

本設計以STM32F103C8T6 單片機為核心控制器，選擇SIM900A 為短信收發模塊，進行信息反饋和遠程操作［6］。 通過紅外線功能可以探測出，在臺燈附近是否有人走過，實現了有人時可以調節燈亮，人走的時候可以調節燈滅的作用。 通過超聲波測儀器，可以發現使用臺燈人坐姿是否正確。 而通過環境光感系統，可以發現臺燈周圍的光線強度從而實現調整光線的作用。 通過通訊模塊等方面的配合，可以實現手機遙控臺燈的功能，具體結構如圖1 所示。

2 硬件設計

2.1 微控制器

以STM32F103C8T6 為核心配件，用來控制其它配件和有關器材的信號接收以及發送，從而根據現有情況，來調節臺燈的使用。

圖1 系統結構框圖Fig. 1 System Block Diagram

STM32F103C8T6 單片機是32 位基于ARM 的CortexTM-M3 微控制器，且該核心芯片系統時鐘為72 MHz，為48 引腳LQFP 貼片封裝，具有64 KB Flash，不僅性價比高，功耗低且自帶的計數器可產生足夠的PWM 信號及用作觸控捕獲。 基于以上優勢，結合現有情況，從而確定本論文研究選其為系統核心芯片。 該芯片中的原理路線圖如2 所示。

圖2 單片機最小系統Fig. 2 MCU minimum system

2.2 定時學習系統模塊

系統以DS1302 作為定時學習系統的時鐘模塊。 其除了包含DALLAS 的充電時間芯片，還有其他一些輔助性功能。 如時鐘功能、日歷功能，而且也為芯片提供一定的脈沖［7］。 通過其串口可與微控制器通信。 在此設計中，DS1302 的2-3 引腳通過相關配件的契合為芯片提供一定時間的定時脈沖。 通過其控制系統，可以調節臺燈工作狀態，比如在高位電的時候可以使其停止工作，而在低電平期間，開始調節其工作狀態，實現模塊自動計數功能。 其中5-7 引腳與芯片相銜接。 而在運行過程中，主芯片也向DS1302 寫入時間，并從DS1302 讀取當時的時間，在第8 個引腳為芯片提供一定的電源方面的支撐，在外部停電情況下，臺燈芯片也可以進行工作。工作原理圖如圖3 所示。

圖3 DS1302 的原理圖Fig. 3 Schematic of the DS1302

2.3 紅外傳感檢測模塊

該系統采用HC-SR501 紅外線作為調節臺燈開關模塊。 紅外傳感模塊的傳感源部分由兩個串聯或并聯的熱電元件組成；由于傳感源中的熱電元件具有相反的極性，兩個熱電元件具有與環境背景輻射幾乎相同的效果，因此熱電效應相互作用自動抵消，使輸出信號為0。 因此，紅外模塊接收并發送檢測區域中人體輻射的10 μm 紅外波長為弱電壓信號，弱電信號通過人體紅外模塊的功能放大，然后輸出可以由單片機識別和處理的信號。 由MCU 接收和處理的電子信號將根據系統要求輸出外圍硬件電路。 最終實現“人在燈亮、人走燈滅”的功能。

2.4 超聲測距模塊設計

本模塊采用HC-SRO4 超聲波測距模塊。 超聲波測距模塊一般有3 個部分：發射，接收和信號處理。 工作時，超聲波發射器只需有信號，便自動發送方波，并開始檢測；超聲波模塊主要用于矯正坐姿［8］。 通過超聲波測距功能提醒用戶在工作和學習期間保持正確的坐姿，一旦用戶的坐姿不對，臺燈就會發出警報，讓用戶養成良好的坐姿習慣。

2.5 環境光感知模塊設計［9］

在本研究模塊中主要采用的是光敏二極管進行感知，其中存在較多的參數指標如表1 所示。

2.6 蜂鳴器報警模塊設計

在本模塊的設計中，主要采用的是TMB12A05的電池源蜂鳴器。 其具有耐高溫且環保的優良特點，其主要的線路如圖4 所示。

圖4 蜂鳴器報警輸出電路Fig. 4 Buzzer Alarm Output Circuit

2.7 GSM 通訊模塊設計［10-11］

本設計采用以互聯網為基礎的SIM900A 芯片為控制系統。 SIM900A 系統是一種工業用的模塊，它具有較多的優良特點，其中包括實現SMS 傳真以及低功耗等功能。 而且，SIM900A 在工作期間，支持雙 頻 工 作，也 支 持1. 8／3V SIM 卡。 工 作 期 間SIM900A 的電壓曲線范圍在3.3 ～4.8 期間，瞬間電流可以達到2A 作業。 SIM900A 具有全功能UART，支持1 200～115 200 bps 的通信速率（具有自動波特率檢測功能），并支持AT 命令集。 SIM900A 單元電路如圖5 所示。

圖5 SIM900A 單元電路Fig. 5 SIM900A unit circuit

2.8 LED 燈照明模塊設計

為了方便試驗的有效性，在研究期間使用指示燈替換LED 的效果，主要路線如圖6 所示。

3 軟件設計

3.1 設計思想

在設計過程中主張的是以先分后總的思想來進行模塊以及系統的設計。 在具體運行過程中分別測試不同的硬件模塊進行程序調節，主要的結構如圖7 所示。

圖6 LED 燈照明輸出電路Fig. 6 LED Light Output Circuit

圖7 軟件設計結構圖Fig. 7 The chart of software design

3.2 紅外傳感模塊

人來燈亮，人走燈滅功能由HC-SR501 型熱釋電人體紅外傳感器來完成信息收集，核心芯片控制完成。 其流程如圖8 所示。

3.3 超聲測距模塊

調整坐姿功能是通過HC-SRO4 超聲波測距模塊來完成信息采集，核心芯片控制完成。 其流程如圖9 所示。

3.4 GSM 通訊模塊［12］

GSM 模塊主要負責發送和接收短消息，并通過向單芯片的串行端口發送AT 命令來實現。 AT 命令集是GSM 模塊和嵌入式計算機之間的通信協議。指令的內容均為ASCII 碼，接受的短信采用TEX 模式，而不是PDU 模式，這樣的短信相對簡單，容易操作。 首先串口發送字符串“AT+CMGF ＝ 1＼r”給GSM 模塊，設置短信為TX 模式；然后發送“AT+CMGS ＝15761697691＼r”，設置收信方的手機號碼；將待發送短信的內容發給GSM 模塊；最后，發送十六進制0x1A（回車）確認傳輸，以便最終通過GSM模塊實現告警通知用戶的功能。 其流程如圖10 所示。

圖8 紅外傳感流程圖Fig. 8 Infrared sensing flow chart

圖9 超聲測距流程圖Fig. 9 Ultrasonic ranging flowchart

圖10 短信通訊流程圖Fig. 10 SMS communication flow chart

3.5 總系統軟件設計

在臺燈的燈源控制方面則采用定時器控制，觸發的信號利用單片機的接口進行控制。 在互聯網控制 方 面 采 用 SIM900A［13-14］， 軟 件 方 面 采 用STM32CubeMX［15］工具進行開發工作，利用Kei15 進行程序編寫。

4 系統測試

4.1 測試過程

該測試過程在環境良好的實驗室里進行。 在臺燈的通電過程中，每一個系統以及相關的模塊都會進行初始化工作，這一個步驟主要是為了防止在運行過程中出現故障。 在本設計過程中，為了防止出現這一情況的發生，在臺燈接通電源的時間內可以觸發故障按鈕。 如果這時候出現障礙，則會給臺燈主人發送信息提示。 主人回復短信，通過GSM 模塊傳遞給控制器，控制器讀取指令輸出的信息后發送相應的控制信號，實現對臺燈的開斷，從而達到了節能環保的功效。 上電后，當人靠近臺燈時，臺燈會自動開啟，并可根據周圍環境的亮度自動調節臺燈的亮度，可以在一定程度上保護臺燈主人的視力問題，有效的防止近視的產生；在學習過程中如果臺燈主人靠近書桌太近，臺燈會發送警報狀態，來提醒臺燈主人的坐姿，防止駝背狀態。 此外，還可以根據自己的學習情況設定學習時間，時間一到，報警器就會發出聲響，提醒人休息的同時也提高了學習效率；當人起身離開臺燈20 s 后，臺燈就自動斷電，達到節能效果。

4.2 系統測試效果

上電后程序開始自動化運行，首先，臺燈通過感應功能感應到臺燈主人的使用，從而達到自動亮燈的狀態，當感應不到人體的信息，延遲20 s 后，臺燈自動熄滅；其次，智能臺燈根據當前周圍環境自動調節最合適的光強度。 由于在臺燈中安裝了距離測試，在人體靠近臺燈的時候會產生警報；設定的學習時間一到，報警器也會發出聲響。 最后一步。 設置的故障按鈕，從而檢驗臺燈是否有斷電功能，主人接到短信提醒，當主人回復短信后，臺燈立即熄滅。

5 結束語

本設計是采用STM32F103C8T6 單片機為核心的一款智能臺燈。 該臺燈在原有傳統的臺燈基礎上增加了許多功能性作用，既增加了臺燈的安全性，又增加了臺燈的節能性。 經過各種實驗測試表明該款智能臺燈可以有效和準確的識別各種指令，完全生活日常需求，適合推廣。