楊顯斌

摘 要：基于STM32微處理器設(shè)計一種智能學習型臺燈，通過檢測環(huán)境光線強度實現(xiàn)PWM自動調(diào)光，檢測學習者附身距離、預(yù)設(shè)學習時間及語音提醒等，達到護眼目的。文章介紹了智能學習型臺燈的系統(tǒng)設(shè)計方案，給出了主要功能模塊的軟硬件設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：智能學習型臺燈；STM32；自動調(diào)光；距離檢測；語音提醒

臺燈是人們學習時常用的工具之一。很多人長時間伏案學習，由于坐姿不正確、燈光使用不當及作息時間不規(guī)律等，極易造成視覺疲勞，以致影響視力[1]。目前市面上常用的臺燈大多是手動調(diào)光，功能較簡單，少有護眼功能。如果設(shè)計一款臺燈，能根據(jù)環(huán)境光強自動調(diào)節(jié)臺燈亮度，通過檢測附身距離語音提醒學習者糾正坐姿，并提供學習時間播報、時鐘日歷及溫濕度顯示等功能，將能為學習者養(yǎng)成良好的學習與用眼習慣提供支持。本文設(shè)計的基于STM32的智能學習型臺燈即具有上述功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

智能學習型臺燈的系統(tǒng)組成如圖1所示。

STM32微處理器是整個系統(tǒng)的核心。光強傳感器采集環(huán)境光線強度經(jīng)I2C傳輸給STM32微處理器，通過PWM輸出到恒流源自動調(diào)節(jié)LED燈的亮度，升壓電路為恒流源及LED燈珠提供所需的直流電源。利用超聲波距離傳感器檢測學習者的附身距離，通過STM32微處理器控制語音芯片來驅(qū)動喇叭發(fā)聲。按鍵用來預(yù)設(shè)學習時間及調(diào)整時鐘日歷，學習時間、時鐘日歷和環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)在LCD屏上顯示。

2 硬件設(shè)計

2.1 主控芯片

基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32f103vet6芯片具有運算速度快、精度高、功耗低、極高的性價比等特點[2]，可滿足系統(tǒng)的功能要求，適合作本設(shè)計的主控芯片。

2.2 光強檢測與燈光控制電路

采用BH1750FVI光強傳感器和PWM數(shù)字調(diào)光技術(shù)，電路如圖2所示。

BH1750FVI具有廣泛的輸入光范圍（1-65535LUX），接近視覺靈敏度的光譜靈敏度特性[3]，通過I2C與主控芯片連接。

主控芯片根據(jù)BH1750FVI采集的光強數(shù)據(jù)控制PWM的輸出頻率，經(jīng)恒流源PT4115調(diào)節(jié)LED亮度。PT4115是一款連續(xù)電感電流導通模式的降壓恒流源，最大可輸出1.2 A的恒定電流[4]，通過DIM引腳進行LED開關(guān)可實現(xiàn)很寬范圍的PWM調(diào)光。采用XL6009 DC-DC升壓模塊可獲得4 A＼5～35 V的穩(wěn)定直流電壓供恒流源和LED燈珠使用。

LED燈采用日光白和暖白兩種燈珠，通過觸摸按鍵進行選擇，可消除單一光源引起的視覺疲勞。

2.3 距離檢測及語音控制電路

采用HC-SR04+超聲波傳感器檢測學習者與LED光源的距離，當檢測距離小于設(shè)定的最小值時，WT588D語音芯片驅(qū)動揚聲器提醒學習者調(diào)整坐姿。

HC-SR04+包括超聲波發(fā)射器、接收器和控制電路。將HC-SR04+的脈沖觸發(fā)引腳（TRIG）和回波引腳（ECHO）分別與STM32f103vet6的GPIO引腳相連，當主控芯片給TRIG一個不小于10 μs的高電平信號，模塊自動發(fā)出8個40 kHz方波[5]，同時ECHO自動置高電平，直到接收到返回超聲波止，則：測試距離=（回波高電平時間×聲速）/2。

WT588D是一款功能強大的可重復(fù)擦寫的語音單片機芯片，支持最多500段用于編輯的語音，采用PWM輸出可直接推動0.5 W/8 Ω的揚聲器[6]，用于附身距離提醒、學習時間播報等。

2.4 時間設(shè)置與顯示

分別利用主控芯片的通用定時器（TIM）和獨立的實時時鐘（Real-Time Clock，RTC）實現(xiàn)學習時間倒計時和時鐘日歷等功能，通過按鍵對學習時間、時鐘日歷進行設(shè)置。

本設(shè)計還采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器采集環(huán)境溫濕度。

學習時間、時鐘日歷和溫濕度信息顯示在LCD12864液晶顯示器上，為學習者提供時間和環(huán)境舒適度等相關(guān)信息。

3 軟件設(shè)計

智能學習型臺燈軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計方法，基于STM32庫函數(shù)編程實現(xiàn)[7]。軟件系統(tǒng)主要包括主程序，光強檢測、PWM調(diào)光、距離檢測、語音提醒和溫濕度檢測等模塊。

主程序模塊通過系統(tǒng)初始化及調(diào)用外設(shè)模塊子程序來完成系統(tǒng)的主要邏輯操作，在while（1）中掃描按鍵并對學習時間和時鐘日歷等進行調(diào)設(shè)，主程序流程如圖3所示。

通過調(diào)用BH1750光強檢測、I2C傳輸和PWM輸出等子程序?qū)崿F(xiàn)自動調(diào)光功能；調(diào)用HC-SR04超聲波測距子程序和WT558D語音子程序等實現(xiàn)學習者附身距離提醒功能；調(diào)用溫濕度檢測子程序來采集環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)。利用定時中斷實現(xiàn)每1 s更新光強和溫濕度數(shù)據(jù)，每3 s檢測附身距離。

此外，系統(tǒng)還設(shè)有學習時間倒計時、時鐘日歷和LCD液晶顯示等程序模塊。

4 結(jié)語

我們采用基于STM32f103vet主控芯片設(shè)計一種智能學習型臺燈，通過試做樣品在室內(nèi)測試，在不同光亮環(huán)境下能自動調(diào)整LED燈亮度，燈光柔和；當學習者與超聲波傳感器的距離小于設(shè)定值或預(yù)設(shè)學習時間到時能語音提醒，時鐘日歷、環(huán)境溫濕度顯示等功能正常。本設(shè)計的智能學習型臺燈成本低、性能優(yōu)越、實用性強，具有良好的應(yīng)用前景。

[參考文獻]

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[7]鄭杰.ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用完全手冊[M].北京：中國鐵道出版社，2013.