多功能小夜灯的设计

王富强，王丽娟，杨 越，李 宇，黄会娜，孔 丽

(佳木斯大学信息电子技术学院，黑龙江 佳木斯 154007)

传统床头小夜灯的灯光颜色单一，基本只分为冷色和暖色两种色调，电源直接供电，灯体结构设计复杂等等。因此，为了解决除上述问题外，本设计需要对传统的小夜灯进行改进。为解决灯色单调单一，采用STM32F103单片机对高亮全彩LED灯进行控制以符合用户心情所用灯色的任意选择，采用USB和太阳能充电两种充充电方式。

1 系统构架

系统框图如图1所示。WIFI模块配置成无线AP,供网络模块和手机APP接入；温度传感器自动检测环境当前温度值，将温度值反馈给单片机调光系统，在认为不干预情况下，单片机自主调节色温与当前环境相适应；人为干预情况下，使用者可以根据自己喜欢的颜色采用多种方式调节灯的颜色和亮度。本系统采用电源和蓄电池智能选择对灯供电的设计，蓄电池有太阳能蓄电和电源蓄电两种方式，以此来实现环保、低耗的理念，同时还能解决停电等特殊情况不影响小亱灯的正常使用。

图1 系统框图

2 硬件设计

硬件系统由STM32F103单片机、触摸模块、WIFI模块、红外遥控器及接收器、温度传感器模块、电源模块、高亮全彩LED灯、高亮全彩LED驱动模块、太阳能板组成。

2.1 STM32F103

STM32F103是意法半导体公司生产的多时钟/机器周期单片机，具有32位的RISC内核，工作频率为36MHz,内置高速存储器，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。多达2个IIC接口、3个SPI接口、5个USART接口和多路PWM输出I/O。运算速度快，芯片内资源丰富，使用三路脉冲宽度调制功能同时对LED灯的颜色和亮度调节。每个引脚输出的脉冲信号的占空比大小决定了该灯的亮度，占空比越大，灯越亮。

2.2 传感器模块[2]

温度传感器模块采用DS1820可编程数字温度计，它的测量范围为-55 ℃～125 ℃。触摸模块采用TTP223B的电容式点动型触摸开关模块，常态下，模块输出低电平，模式为低功耗模式；当手指触摸相应位置时，触摸会输出高电平，模式切换为快速模式；当持续12秒没有触摸时，模式又切换为低功耗模式。

2.3 电源模块

系统工作时需要5 V,3.3 V两种工作电源。系统主电源为7.4 V，两节18650可充电锂电池提供，通过LM2576S-5.0和LM1117-3.3稳压芯片提供5 V和3.3 V的电压。5 V电源电路如图2所示，D1为起续流保护的肖特基二极管。3.3 V电源电路如图3所示。

图2 5 V电源电路

图3 3.3 V电源电路

2.4 高亮全彩LED灯

高亮全彩LED[3]灯采用三基色合成的原理，广德颜色由配置方程F=x[R]+y[G]+z[B]决定，其中x[R]、y[G]、z[B]分别代表红、绿、蓝三基色LED灯的发光强度；品红是100%红+100%蓝+0%绿；黄色是100%红+0%蓝+100%绿；白色是100%红+100%蓝+100%绿；若配置三基色的亮度比例就能合成千差万别的颜色。驱动电路采用3组耗尽型NMOS场效应管对单片机提供的PWM信号进行放大，放大后的信号直接驱动LED电路。

2.5 WIFI模块

WIFI模块[4]采用ESP8266基于乐鑫智能互联平台拥有高性能无线SOC,基于通用串行接口的符合网络标准接口的嵌入式模块，内置TCP/IP协议，能实现串口、以太网和WIFI无线网之间的任意透明转换，单片机通过串口与WIFI模块连接即能接入WIFI网络。

3 软件设计

软件系统重点在于单片机软件部分的设计，程序在集成环境Keil uVision 5下使用C语言开发。

3.1 总流程图

单片机软件部分负责接收外部环境值和外部触发器的命令，控制全彩高亮LED发出满足当前要求的灯光，总流程图如图4所示。

3.2 高亮全彩LED控制

STM32F103单片机集成了多路可编程计数器阵列，系统中采用该模块的3路PWM功能来控制全彩高亮LED的颜色，通过设置捕获/比较寄存器的值来调整脉冲输出的占空比，进而调节灯的颜色。

4 结束语

采用STM32F103单片机为控制核心，采用了USB和太阳能两种充电方式，搭载了温度传感器和多种控制方式，使小灯能在人为干预和不干预情况下实现准确的调节色温。该系统灵活，易操作，可靠性强、实现成本低，结合外围传感器还可以进一步提高其智能化程度，具有较大的使用价值和市场前景。

[1] 刘火良，杨森.STM32库开发实战指南[M].北京：机械工业出版社，2017.

[2] 胡向东.传感器与检测技术[M].北京：机械工业出版社，2013.

[3] 詹俊.基于红绿蓝三基色的全彩LED控制研究与设计[D].南京：南京工业大学，2008.

[4] 穆罕默德S.奥巴达特，苏迪普·米斯拉.无线传感器网络原理[M].北京：机械工业出版社，2017.