張啟龍 陳湘萍

摘 要：為了改善傳統(tǒng)臺燈功能單一，與當前家電的智能化、人性化和低碳設計相悖的問題，設計了基于STM32實時操作系統(tǒng)的多功能智能臺燈。本設計采用意法半導體的Cotex-M3核心微控制器STM32作為主控制器，通過硬件電路的構建以及相應軟件程序的編寫，實現(xiàn)智能臺燈的自動亮滅、智能調光、糾正坐姿、打電話等功能，使得臺燈更護眼，更節(jié)能，更加智能化。實驗結果表明，所設計的智能臺燈具有良好的實時性，穩(wěn)定性強，滿足設計要求。

關鍵詞： 智能臺燈;STM32;智能調光;糾正坐姿;打電話

文章編號： 2095-2163（2019）03-0151-06 中圖分類號： TP273.5 文獻標志碼： A

0 引 言

隨著全球變暖和能源危機的加劇，綠色節(jié)能的觀念已經深入人心，追求節(jié)能產品也成為一種潮流[1]。因此，智能臺燈的概念就這樣應運而生。

但是，現(xiàn)有燈具不但功能單一，而且還嚴重浪費資源，因而難以滿足人們的智能化生活需求;同時，近視眼人數(shù)逐年增加，究其原因就在于使用臺燈方法不得當，不論太亮、或是太暗，視力都會受到一定影響[2-4]。若在臺燈下長期駝背躬身學習或者工作，也可能會造成腰椎和頸椎疾病;目前市場上出現(xiàn)的各型燈具，大都價格昂貴，而且未能解決以上弊端?；诖?，本設計選擇STM32F103C8T6單片機作為主控芯片，利用紅外傳感模塊、距離檢測模塊（Distance detection module）、環(huán)境光感知模塊[5]、電話通訊模塊、LED照明模塊等外圍設備隨著外部光線的變化自動改變或熄滅光強度。而且，為了彌補傳統(tǒng)臺燈功能單一的缺點，本款臺燈增加了智能護眼、坐姿提醒[6]和電話呼叫等功能。對此，本文擬展開如下研究論述。

1 硬件設計

1.1 系統(tǒng)結構設計[7-8]

本文以STM32F103C8T6單片機主控模塊為核心，以紅外傳感檢測模塊、距離檢測模塊、環(huán)境光感知模塊（Ambient light perception module）等外圍設備構成的控制系統(tǒng)設計，該系統(tǒng)的整體框架結構如圖1所示。

系統(tǒng)整體設計電路如圖2所示。在圖2中，紅外傳感模塊用于檢測臺燈周圍是否有人，實現(xiàn)人來燈亮、人離開燈熄滅功能;距離檢測模塊與報警模塊協(xié)同，實現(xiàn)糾正坐姿功能;環(huán)境光感知模塊用于檢測外部光強，實現(xiàn)智能調光功能;故障按鈕模塊與通訊模塊協(xié)同，實現(xiàn)撥打電話功能。

1.2 STM32F103C8T6單片機主控模塊設計

控制模塊選擇單片機作為主控制模塊。本文中選用了STM32F103C8T6單片機[9-12]。這是32位基于ARM的CortexTM-M3微控制器，其功能多樣，不僅可以對傳感器采集到的信息進行接收、甚至處理，還可以控制固化設備的功率。經過市場調研，同時結合本系統(tǒng)的設計要求，因而將其選為該系統(tǒng)的核心芯片。STM32F103C8T6單片機主控最小系統(tǒng)原理電路設計如圖3所示。

1.3 紅外傳感模塊設計[13-14]

本模塊采用SD02型熱釋電人體紅外傳感器作為自動控制臺燈亮滅模塊，因為其具有高靈敏度，高可靠性特點。組成框圖如圖4所示。

1.4 距離檢測模塊設計

本模塊采用超聲波測距，且具有指向性強、抗干擾能力強等特點。其原理框圖如圖5所示。

1.5 環(huán)境光感知模塊設計[15]

本模塊采用光敏二極管感知。參考相關信息，探討得到光敏電阻、光電二極管、光電晶體管的主要參數(shù)，詳見表1。

1.6 蜂鳴器報警模塊設計

本模塊采用了型號為TMB12A05電磁式5 V一體耐高溫有源蜂鳴器，且具有耐高溫、環(huán)保等特點。該模塊的輸入電路設計如圖6所示。

1.7 電話通訊模塊設計[16-18]

本模塊主要由GSM網(wǎng)絡的SIM900A芯片進行控制。SIM900A是一款工業(yè)級雙頻GSM / GPRS模塊，可實現(xiàn)SMS（SMS）、傳真信息傳輸，甚至低功耗的語音。SIM900A工作頻段雙頻GSM/GPRS90/1 800 MHz，配有1.8/3 V SIM卡，內嵌TCP/IP協(xié)議，支持TCP/UDP通信，支持FTP/HTTP服務。SIM900A的工作電壓范圍為3.3～4.8 V，瞬時電流高達2 A。因此，供電能力不應低于2 A，并且應在VBAT引腳附近使用不小于100 μF的鉭電容。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。本次研究模塊的設計流程如圖7所示。

1.8 LED燈照明模塊設計

為了試驗的方便，本模塊采用3顆小的指示燈代替LED燈。本次設計模塊的輸入電路如圖9所示。

2 軟件設計

2.1 軟件設計的思想

模塊化設計思想，即先分后總的思想，具體操作辦法是分別調試每個硬件模塊，繼而協(xié)調每個模塊的程序的方法。軟件設計結構如圖9所示。

2.2 系統(tǒng)程序流程設計

臺燈亮滅的控制時間是利用定時器來調控，觸發(fā)信號則由單片機的IO口來發(fā)送控制。對于聯(lián)網(wǎng)的控制采用SIM900A。軟件采用STM32CubeMX[19-21]進行初始化，keil5進行軟件的開發(fā)。系統(tǒng)總設計流程如圖10所示。

2.3 STM32F103C8T6工作狀態(tài)判斷程序代碼設計

STM32F103C8T6工作狀態(tài)判斷程序代碼主函數(shù)設計可表述如下。

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（）;//延時函數(shù)初始化

Initial_UART1（115200）;

ADC1_Init（）;

Key_Init（）;//按鍵初始化

TIM1_Init（）; //light初始化

while（1）

{

if（GPIO_ReadInputDataBit（GPIOA，GPIO_Pin_0）==1） //人體紅外，開關燈

{

ADC_RegularChannelConfig（ADC1，ADC_Channel_8，1，ADC_SampleTime_239Cycles5 ）

ADC_SoftwareStartConvCmd（ADC1， ENABLE）;//使能指定的ADC1的軟件轉換啟動功能

while（！ADC_GetFlagStatus（ADC1， ADC_FLAG_EOC ））;//等待轉換結束

ADC_Value=ADC_GetConversionValue（ADC1）;//返回最近一次ADC1規(guī)則組的轉換結果

delay_ms（200）; // 延時

TIM_SetCompare1（TIM1，ADC_Value）;

}

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

{

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 系統(tǒng)工作過程及工作效果

3.1 系統(tǒng)工作過程

臺燈通電后，每個模塊都會初始化。為了防止臺燈自動化控制功能出現(xiàn)故障，本設計為此量身定制了一個故障按鈕模塊。在臺燈接通電源之后，隨即按下故障按鈕，假若臺燈出現(xiàn)故障，則點亮的臺燈就不能啟用自動斷電功能，這時臺燈主人將會接到由臺燈處自動撥打的電話提示，主人就可以給臺燈斷電，從而達到了節(jié)能環(huán)保的功效。對如上工作過程可描述為：首先，通電后，按下故障按鈕，當人靠近臺燈時，臺燈就會點亮，而且還能根據(jù)周圍環(huán)境的亮度來自動調節(jié)臺燈燈光的亮度，這就可以保護人的眼睛，防止近視;其次，人坐在臺燈前學習，假若離臺燈太近，內置蜂鳴器就會報警，提醒人糾正坐姿，防止近視和防止人駝背;最后，當人起身離開臺燈20 s后，臺燈就自動斷電，從而達到了節(jié)能設計目的。

3.2 系統(tǒng)工作效果

在通電狀態(tài)下，電源指示燈處于低電平狀態(tài);程序開始運行。首先，當臺燈感應到人的到來時，臺燈自動點亮。當人離開時，臺燈不會感知人體信號，經過20 s的延遲，臺燈自動熄滅，達到節(jié)能的目的;其次，智能臺燈可以根據(jù)當前周圍環(huán)境， 自動調節(jié)出最適合的光照強度， 達到了保護視力的目的;此外在臺燈旁邊安裝超聲測距傳感器， 當人體離臺燈的距離過近時， 智能臺燈觸發(fā)語音提醒模塊， 提醒學生調整距離， 矯正坐姿， 防止近視和頸椎病的發(fā)生;最后，按下故障按鈕，假若臺燈出現(xiàn)故障，則亮著的臺燈就不能實現(xiàn)自動斷電功能，這時臺燈主人就會接到臺燈打來的電話提示，主人就可以給臺燈斷電，從而達到了節(jié)能環(huán)保的功效。上述工作命令的實際效果圖即如圖11所示。

圖11（a）為人來燈亮、人走燈滅效果圖，圖11（b）為環(huán)境光感知的燈光亮暗效果圖，左圖中光敏電阻裸露，右圖中光敏電阻被嚴嚴實實地蓋住;圖11（c）為臺燈自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，人走燈不滅，打電話提醒斷電的效果圖。

4 結束語

本設計以STM32F103C8T6單片機為核心制作了一款智能臺燈。該臺燈不僅具有自動照明功能，還具有人走20 s后自動斷電功能;同時也可以根據(jù)房間光線，實現(xiàn)自動調光功能;當人坐在臺燈前學習，假若離臺燈太近，蜂鳴器報警模塊就會報警，提醒人糾正坐姿，防止近視和人駝背;此外，還可以自動撥打主人電話，提醒所有者關閉電源功能，從而節(jié)能。經過室內環(huán)境條件下設計的物體實驗測試，初步測試結果表明，智能臺燈能夠有效實現(xiàn)指令的準確識別，完全滿足設計目的和要求。設計成本適中，可直接應用于智能家居和推廣。

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