基于STM32的智能互联台灯设计

张启龙 陈湘萍

摘 要：为了改善传统台灯功能单一，与当前家电的智能化、人性化和低碳设计相悖的问题，设计了基于STM32实时操作系统的多功能智能台灯。本设计采用意法半导体的Cotex-M3核心微控制器STM32作为主控制器，通过硬件电路的构建以及相应软件程序的编写，实现智能台灯的自动亮灭、智能调光、纠正坐姿、打电话等功能，使得台灯更护眼，更节能，更加智能化。实验结果表明，所设计的智能台灯具有良好的实时性，稳定性强，满足设计要求。

关键词： 智能台灯;STM32;智能调光;纠正坐姿;打电话

文章编号： 2095-2163（2019）03-0151-06 中图分类号： TP273.5 文献标志码： A

0 引 言

随着全球变暖和能源危机的加剧，绿色节能的观念已经深入人心，追求节能产品也成为一种潮流[1]。因此，智能台灯的概念就这样应运而生。

但是，现有灯具不但功能单一，而且还严重浪费资源，因而难以满足人们的智能化生活需求;同时，近视眼人数逐年增加，究其原因就在于使用台灯方法不得当，不论太亮、或是太暗，视力都会受到一定影响[2-4]。若在台灯下长期驼背躬身学习或者工作，也可能会造成腰椎和颈椎疾病;目前市场上出现的各型灯具，大都价格昂贵，而且未能解决以上弊端。基于此，本设计选择STM32F103C8T6单片机作为主控芯片，利用红外传感模块、距离检测模块（Distance detection module）、环境光感知模块[5]、电话通讯模块、LED照明模块等外围设备随着外部光线的变化自动改变或熄灭光强度。而且，为了弥补传统台灯功能单一的缺点，本款台灯增加了智能护眼、坐姿提醒[6]和电话呼叫等功能。对此，本文拟展开如下研究论述。

1 硬件设计

1.1 系统结构设计[7-8]

本文以STM32F103C8T6单片机主控模块为核心，以红外传感检测模块、距离检测模块、环境光感知模块（Ambient light perception module）等外围设备构成的控制系统设计，该系统的整体框架结构如图1所示。

系统整体设计电路如图2所示。在图2中，红外传感模块用于检测台灯周围是否有人，实现人来灯亮、人离开灯熄灭功能;距离检测模块与报警模块协同，实现纠正坐姿功能;环境光感知模块用于检测外部光强，实现智能调光功能;故障按钮模块与通讯模块协同，实现拨打电话功能。

1.2 STM32F103C8T6单片机主控模块设计

控制模块选择单片机作为主控制模块。本文中选用了STM32F103C8T6单片机[9-12]。这是32位基于ARM的CortexTM-M3微控制器，其功能多样，不仅可以对传感器采集到的信息进行接收、甚至处理，还可以控制固化设备的功率。经过市场调研，同时结合本系统的设计要求，因而将其选为该系统的核心芯片。STM32F103C8T6单片机主控最小系统原理电路设计如图3所示。

1.3 红外传感模块设计[13-14]

本模块采用SD02型热释电人体红外传感器作为自动控制台灯亮灭模块，因为其具有高灵敏度，高可靠性特点。组成框图如图4所示。

1.4 距离检测模块设计

本模块采用超声波测距，且具有指向性强、抗干扰能力强等特点。其原理框图如图5所示。

1.5 环境光感知模块设计[15]

本模块采用光敏二极管感知。参考相关信息，探讨得到光敏电阻、光电二极管、光电晶体管的主要参数，详见表1。

1.6 蜂鸣器报警模块设计

本模块采用了型号为TMB12A05电磁式5 V一体耐高温有源蜂鸣器，且具有耐高温、环保等特点。该模块的输入电路设计如图6所示。

1.7 电话通讯模块设计[16-18]

本模块主要由GSM网络的SIM900A芯片进行控制。SIM900A是一款工业级双频GSM / GPRS模块，可实现SMS（SMS）、传真信息传输，甚至低功耗的语音。SIM900A工作频段双频GSM/GPRS90/1 800 MHz，配有1.8/3 V SIM卡，内嵌TCP/IP协议，支持TCP/UDP通信，支持FTP/HTTP服务。SIM900A的工作电压范围为3.3～4.8 V，瞬时电流高达2 A。因此，供电能力不应低于2 A，并且应在VBAT引脚附近使用不小于100 μF的鉭电容。SIM900A具有全功能UART，支持1 200～115 200 bps的通信速率（具有自动波特率检测功能），并支持AT命令集。本次研究模块的设计流程如图7所示。

1.8 LED灯照明模块设计

为了试验的方便，本模块采用3颗小的指示灯代替LED灯。本次设计模块的输入电路如图9所示。

2 软件设计

2.1 软件设计的思想

模块化设计思想，即先分后总的思想，具体操作办法是分别调试每个硬件模块，继而协调每个模块的程序的方法。软件设计结构如图9所示。

2.2 系统程序流程设计

台灯亮灭的控制时间是利用定时器来调控，触发信号则由单片机的IO口来发送控制。对于联网的控制采用SIM900A。软件采用STM32CubeMX[19-21]进行初始化，keil5进行软件的开发。系统总设计流程如图10所示。

2.3 STM32F103C8T6工作状态判断程序代码设计

STM32F103C8T6工作状态判断程序代码主函数设计可表述如下。

int main（void）

{

u16 ADC_Value;

char str1[]="ATE1＼＼r＼＼n";

char str2[]="AT+COLP=1＼＼r＼＼n";

char str3[]="ATD15761697691;＼＼r＼＼n";

u16 adcnum;

int bobao_delay;

int num=0;

int OFF_FLAG=0;

u16 count = 0;

u8 close_flag=0;

u8 open=0，close=0;

u8 key = 0;

u8 hongwai;

SystemInit（）;

delay_init（）;//延时函数初始化

Initial_UART1（115200）;

ADC1_Init（）;

Key_Init（）;//按键初始化

TIM1_Init（）; //light初始化

while（1）

{

if（GPIO_ReadInputDataBit（GPIOA，GPIO_Pin_0）==1） //人体红外，开关灯

{

ADC_RegularChannelConfig（ADC1，ADC_Channel_8，1，ADC_SampleTime_239Cycles5 ）

ADC_SoftwareStartConvCmd（ADC1， ENABLE）;//使能指定的ADC1的軟件转换启动功能

while（！ADC_GetFlagStatus（ADC1， ADC_FLAG_EOC ））;//等待转换结束

ADC_Value=ADC_GetConversionValue（ADC1）;//返回最近一次ADC1规则组的转换结果

delay_ms（200）; // 延时

TIM_SetCompare1（TIM1，ADC_Value）;

}

if（GPIO_ReadInputDataBit（GPIOA，GPIO_Pin_0）==0）//灯灭

{

BEEP_OFF;

TIM_SetCompare1（TIM1，0）;

if（GPIO_ReadInputDataBit（GPIOA，GPIO_Pin_12）==0）

{

UART1_Put_String（str1）;

delay_ms（300）;

UART1_Put_String（str2）;

delay_ms（300）;

UART1_Put_String（str3）;

delay_ms（500）;

delay_ms（500）;

delay_ms（500）;

delay_ms（500）;

delay_ms（500）;

delay_ms（500）;

delay_ms（500）;

delay_ms（500）;

delay_ms（500）;

TIM_SetCompare1（TIM1，1000）;

delay_ms（500）;

delay_ms（500）;

delay_ms（500）;

delay_ms（500）;

delay_ms（500）;

TIM_SetCompare1（TIM1，0）;

}

}

}

}

3 系统工作过程及工作效果

3.1 系统工作过程

台灯通电后，每个模块都会初始化。为了防止台灯自动化控制功能出现故障，本设计为此量身定制了一个故障按钮模块。在台灯接通电源之后，随即按下故障按钮，假若台灯出现故障，则点亮的台灯就不能启用自动断电功能，这时台灯主人将会接到由台灯处自动拨打的电话提示，主人就可以给台灯断电，从而达到了节能环保的功效。对如上工作过程可描述为：首先，通电后，按下故障按钮，当人靠近台灯时，台灯就会点亮，而且还能根据周围环境的亮度来自动调节台灯灯光的亮度，这就可以保护人的眼睛，防止近视;其次，人坐在台灯前学习，假若离台灯太近，内置蜂鸣器就会报警，提醒人纠正坐姿，防止近视和防止人驼背;最后，当人起身离开台灯20 s后，台灯就自动断电，从而达到了节能设计目的。

3.2 系统工作效果

在通电状态下，电源指示灯处于低电平状态;程序开始运行。首先，当台灯感应到人的到来时，台灯自动点亮。当人离开时，台灯不会感知人体信号，经过20 s的延迟，台灯自动熄灭，达到节能的目的;其次，智能台灯可以根据当前周围环境， 自动调节出最适合的光照强度， 达到了保护视力的目的;此外在台灯旁边安装超声测距传感器， 当人体离台灯的距离过近时， 智能台灯触发语音提醒模块， 提醒学生调整距离， 矫正坐姿， 防止近视和颈椎病的发生;最后，按下故障按钮，假若台灯出现故障，则亮着的台灯就不能实现自动断电功能，这时台灯主人就会接到台灯打来的电话提示，主人就可以给台灯断电，从而达到了节能环保的功效。上述工作命令的实际效果图即如图11所示。

图11（a）为人来灯亮、人走灯灭效果图，图11（b）为环境光感知的灯光亮暗效果图，左图中光敏电阻裸露，右图中光敏电阻被严严实实地盖住;图11（c）为台灯自动控制系统出现故障，人走灯不灭，打电话提醒断电的效果图。

4 结束语

本设计以STM32F103C8T6单片机为核心制作了一款智能台灯。该台灯不仅具有自动照明功能，还具有人走20 s后自动断电功能;同时也可以根据房间光线，实现自动调光功能;当人坐在台灯前学习，假若离台灯太近，蜂鸣器报警模块就会报警，提醒人纠正坐姿，防止近视和人驼背;此外，还可以自动拨打主人电话，提醒所有者关闭电源功能，从而节能。经过室内环境条件下设计的物体实验测试，初步测试结果表明，智能台灯能够有效实现指令的准确识别，完全满足设计目的和要求。设计成本适中，可直接应用于智能家居和推广。

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