程升強(qiáng) 王紅心 湯莉莉 吳沅賽 何晨威 陳泓坤 徐偉 雷濤 王軍

摘 要：本設(shè)計(jì)是在傳統(tǒng)手表上加入了單片機(jī)技術(shù)從而實(shí)現(xiàn)智能背光的一款手表。通過超聲波傳感器發(fā)送超聲波，并且讀取回波使超聲波模塊的芯片產(chǎn)生高電平，根據(jù)時(shí)間計(jì)算人臉距手表的距離，再通過光敏傳感器收集外界光線信息，來判定是否超過預(yù)定閾值，然后將收集的信息傳遞給STM32F407芯片，芯片在輸出相應(yīng)的PWM點(diǎn)亮手表上的LED燈，從而實(shí)現(xiàn)智能背光，同時(shí)可以根據(jù)外界光線亮度來調(diào)節(jié)LED燈的亮度。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)技術(shù) 超聲波 光敏電阻 PWM 輸入捕獲

中圖分類號(hào)：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）12（b）-0133-02

隨著科技日益發(fā)展的腳步，手表進(jìn)一步融入了我們的生活，生活中隨處可見手表的存在，手表能為我們提供準(zhǔn)確的時(shí)間，方便了我們的日常生活和日常作息安排。但傳統(tǒng)的手表在某些光線昏暗的情況下，卻顯得不那么方便我們獲取時(shí)間。為此，我們團(tuán)隊(duì)結(jié)合所學(xué)單片機(jī)知識(shí)設(shè)計(jì)出了這款可實(shí)現(xiàn)智能背光的手表，讓我們?cè)诠饩€昏暗的條件下，一抬手腕其上面的手表就可以自動(dòng)背光，無需向市面上其他的產(chǎn)品一樣還需開啟其他的按鍵才有背光，更加方便我們?cè)谶@種情況下獲取時(shí)間。

智能背光是指利用單片機(jī)處理技術(shù)，在傳統(tǒng)手表上外接一個(gè)單片機(jī)最小系統(tǒng)板和其他與本設(shè)計(jì)所需的傳感器模塊，并通過軟件控制來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開啟LED背光的功能。其原理是利用手表上的超聲波傳感器發(fā)送超聲波，并且讀取回波使超聲波模塊的芯片產(chǎn)生高電平時(shí)間來計(jì)算人臉距手表的距離，再通過光敏傳感器收集外界光線信息，在距人臉一定的距離并且外界光線較昏暗的時(shí)候自動(dòng)開啟LED背光，并且可以通過感應(yīng)外界光線的強(qiáng)度來自動(dòng)調(diào)節(jié)LED燈的亮度，從而實(shí)現(xiàn)智能化。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

在主控芯片選擇上，我們采用處理信息能力更強(qiáng)大的基于Cortex—M4內(nèi)核的STM32F407芯片作為主控芯片[1-3]，超聲波傳感器發(fā)送超聲波，然后通過定時(shí)器輸入捕獲通道捕獲超聲波模塊上傳回的超聲波信息，進(jìn)而測(cè)量人臉與手表的距離，并通過系統(tǒng)光敏電阻傳感器模塊檢測(cè)外界光線亮度條件是否達(dá)到了預(yù)設(shè)的閾值，然后將模塊收集到的信息傳遞給主控芯片，芯片再根據(jù)收集到的信息，進(jìn)行相應(yīng)處理后，通過最小系統(tǒng)板上相應(yīng)的引腳對(duì)手表上的LED燈輸出相應(yīng)的PWM波[4]來控制燈的亮暗度，當(dāng)外界光線變化時(shí)，手表上的LED燈也能改變相應(yīng)的亮度。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件部分由單片機(jī)最小系統(tǒng)板、電源、穩(wěn)壓電路、超聲波模塊、光敏傳感器和手表上的LED燈等組成，本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件電路框架圖如圖1所示。

其中，電源通過穩(wěn)壓電路向STM32最小系統(tǒng)板和系統(tǒng)內(nèi)各模塊提供持續(xù)穩(wěn)定的電壓。通過定時(shí)器的輸入捕獲通道捕獲收集來自超聲波模塊傳回的信息和光敏傳感器的外界光線條件信息，芯片經(jīng)過處理后，計(jì)算出人臉距手表表面的距離，再由定時(shí)器的PWM輸出通道向相應(yīng)的引腳輸出對(duì)應(yīng)的PWM波給手表上的LED燈，進(jìn)而控制手表上LED燈的開關(guān)和亮暗。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)軟件部分是在Keil5軟件上編寫完成的。具體實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。

超聲波傳感器發(fā)送超聲波后，系統(tǒng)內(nèi)STM32F407芯片通過定時(shí)器的輸入捕獲通道捕獲來自超聲波模塊信號(hào)，來檢測(cè)手表距離人臉的距離，并通過光敏傳感器檢測(cè)外界光源是否超過設(shè)值，主控芯片在通過相應(yīng)的定時(shí)器的PWM輸出通道向相應(yīng)的引腳輸出對(duì)應(yīng)的PWM波來點(diǎn)亮手表上的LED燈。

2 系統(tǒng)難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

本設(shè)計(jì)方案的難點(diǎn)：

（1）超聲波模塊采集信息的條件要求較高（要求有一個(gè)光滑且較為完整的平面），且信號(hào)采集容易受外界影響不穩(wěn)定。

（2）通過收集外界光線亮度調(diào)節(jié)PWM輸出值，根據(jù)相應(yīng)的外界亮度來調(diào)節(jié)手表上的LED燈有不同的亮度，程序調(diào)試過程較繁瑣。

（3）運(yùn)用到了多個(gè)定時(shí)器同時(shí)工作，且需讓它們工作正常，不互相干擾。

本設(shè)計(jì)方案的關(guān)鍵技術(shù)有：

（1）電源穩(wěn)壓技術(shù)，單片機(jī)最小系統(tǒng)板和系統(tǒng)內(nèi)其他模塊工作在最適宜的工作條件需要一個(gè)穩(wěn)定可靠的電壓。

（2）同時(shí)運(yùn)用到了一個(gè)定時(shí)器的多個(gè)通道（輸入捕獲，PWM輸出），且不互相干擾。

（3）運(yùn)用了STM32F407芯片強(qiáng)大的信息處理能力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)模塊的精確控制。

3 系統(tǒng)結(jié)果與測(cè)試分析

（1）超聲波模塊在大于2cm且小于100cm時(shí)可以穩(wěn)定工作，測(cè)量精度較準(zhǔn)。

（2）STM32F407芯片定時(shí)器的PWM輸出和輸入捕獲功能正常，能較準(zhǔn)確地收集超聲波模塊傳回的超聲波信息，能輸出較完整的PWM波送給LED燈。

（3）電源穩(wěn)壓芯片電路工作正常，能提供給STM32最小系統(tǒng)板和系統(tǒng)內(nèi)各模塊持續(xù)且穩(wěn)定的電壓。

（4）背光顯示正常，且能實(shí)現(xiàn)背光智能化。

4 結(jié)語(yǔ)

本智能背光手表通過在傳統(tǒng)手表上加入了單片機(jī)技術(shù)，可以解決在某些光線昏暗的情況下傳統(tǒng)手表無法獲取時(shí)間的情況，且可以實(shí)現(xiàn)智能化，在外界光線亮度較弱的條件下，只需抬手就可以自動(dòng)背光，便于我們獲取時(shí)間，更加方便人們的生活。

參考文獻(xiàn)

[1] 蒙博宇.STM32自學(xué)筆記[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

[2] 劉火良，楊森.單片機(jī)與嵌入式：STM32庫(kù)開發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[3] 張洋，劉軍，嚴(yán)漢宇，等.精通STM32F4：庫(kù)函數(shù)版[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2015.

[4] 陳國(guó)呈.PWM逆變技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007.