基于STM32智能臺燈系統(tǒng)的設(shè)計

基于STM32單片機智能臺燈設(shè)計與實現(xiàn)摘要本課題針對臺燈的照明亮度的方法以及感應(yīng)人體信號來設(shè)計的，以STM32為核心的智能臺燈系統(tǒng)的設(shè)計，并且在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了系統(tǒng)的相關(guān)硬件及軟件設(shè)計。設(shè)計使用人體紅外傳感器感應(yīng)人體信號，光敏電阻接收光照強度，手機通過藍牙模塊控制燈的亮暗以及定時提醒。此系統(tǒng)可以根據(jù)區(qū)域內(nèi)是否有人和環(huán)境光強度兩種信號判斷是否開燈或熄燈，使區(qū)域內(nèi)完成燈光智能化，手機控制臺燈。軟件部分采用模塊化設(shè)計，為今后更多功能的擴展留有足夠空間。關(guān)鍵詞：智能臺燈，STM32，光敏電阻，人體紅外傳感器DesignofintelligenttablelampbasedonSTM32microcontrollerAbstractThisprojectisdesignedforthedesignofanintelligenttablelampsystemwithSTM32asthecore,basedonthemethodoflightingbrightnessoftablelampsandtheinductionofhumanbodysignals,andonthisbasis,therelevanthardwareandsoftwaredesignofthesystemisrealized.Thedesignusesahumaninfraredsensortosensethehumanbodysignal,thephotoresistorreceivesthelightintensity,andthemobilephonecontrolsthebrightnessanddimmingofthelampandthetimingreminderthroughtheBluetoothmodule.Thissystemcanjudgewhetherthelightsareturnedonoroffaccordingtowhethertherearepeopleintheareaandtwosignalsofambientlightintensity,sothatthelightsintheareaareintelligentandthemobilephoneconsolelightsarecompleted.Themodulardesignofthesoftwaresectionleavesplentyofroomformorefeaturestobeexpandedinthefuture.KeyWords：Smartdesklamp;STM32;Photosensitiveresistor;Humaninfraredsensor目錄TOC\o"1-3"\h\u25021引言 引言隨著社會的進步和科技的飛躍發(fā)展，人們對自身的生活質(zhì)量有了更高的要求。擁有智能化的物品便映入眼簾。智能臺燈也是其中一個，它比普通臺燈增加了其他功能，能夠通過紅外傳感檢測是否有人對臺燈進行控制讓其開關(guān)，通過藍牙模塊與手機連接，使用手機APP對燈的亮度和學(xué)習(xí)定時提醒等功能。這不僅符合國家倡導(dǎo)的節(jié)能環(huán)保的口號，還能方便人們通過手機就能夠進行控制。這種智能化的物品越來越能夠讓我們的生活更加便利。人體紅外模塊感應(yīng)人體將信息給單片機并決定臺燈的開關(guān)。普通臺燈的控制都是需要通過手動控制。在黑暗環(huán)境中，手動開關(guān)就不方便人們?nèi)ゴ蜷_或者關(guān)閉臺燈。有時人們會開著燈去忙其他事情而忘了關(guān)燈，這樣就會造成電的浪費。人體紅外傳感就可以巧妙的解決這些問題。光敏傳感通過自然環(huán)境光的亮度來調(diào)節(jié)臺燈的亮度，在強自然環(huán)境光照射到光敏電阻時，電阻下降，單片機接收到信息自動調(diào)節(jié)燈的亮度，這樣可以節(jié)省電能。定時時鐘是用來提醒學(xué)生，長時間在臺燈下工作或者學(xué)習(xí)會對我們的眼睛造成傷害，定時提醒就可以提醒我們?nèi)ミm當(dāng)?shù)娜バ菹?，緩解眼睛不適，保護眼睛。藍牙模塊經(jīng)過手機APP控制臺燈的亮度和定時時間的增減。家長不在家時，可以通過手機控制孩子學(xué)習(xí)的智能臺燈，設(shè)置時間提醒孩子進行適當(dāng)?shù)姆潘珊蛫蕵?。國家?jīng)濟實力增強，越來越重視科技這一部分，科技能夠提高國家的綜合實力，鼓勵更多年輕人進行創(chuàng)業(yè)，智能臺燈在之后能夠越來越智能化，更加人性化。國家頒布了一系列的政策鼓勵智能臺燈的發(fā)展。臺燈在人們的生活中是最常見的一個物品，每天都要用到，有時會產(chǎn)生的不必要的電能消耗，希望能夠改善普通控制方式造成的能源浪費問題。智能臺燈會是越來越多人的選擇，它與傳統(tǒng)臺燈有很大的差別，它能夠做到有人經(jīng)過就自動開啟臺燈不需要人工開關(guān)，也產(chǎn)生很小的電能消耗。對保護環(huán)境也做出了一點貢獻。智能臺燈是物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)物，隨著物聯(lián)網(wǎng)的深入研究，能夠越來越開發(fā)出更好的產(chǎn)品解決現(xiàn)在目前解決不了的問題，物聯(lián)網(wǎng)通過物品與互聯(lián)網(wǎng)相交互，互相聯(lián)系。物聯(lián)網(wǎng)能夠更好的發(fā)展，我們的生活就會發(fā)生對我們很好的產(chǎn)品，就能夠?qū)崿F(xiàn)物品越來越智能人性化。智能臺燈這個行業(yè)的發(fā)展前景會越來越好，智能臺燈是智能家居的占比較大的一個方面。以后的發(fā)展中，智能臺燈能夠越來越好，越智能化，更加多功能化。

一、總體設(shè)計方案（一）功能分析本系統(tǒng)的整體框架是由能檢測人體的紅外傳感器和檢測環(huán)境光強弱的光敏電阻以及能夠手機控制的藍牙模塊。設(shè)計方案的核心是單片機，因為32單片機學(xué)習(xí)起來比較容易，容易上手操作，價格實惠，所以選擇STM32單片機作為主控芯片。設(shè)計中的紅外傳感器用來檢測是否有人，光敏則檢測光的亮度，把檢測到的信息傳送給單片機對臺燈自動調(diào)節(jié)。藍牙模塊通過手機軟件來控制定時時間以及燈的亮度。本系統(tǒng)比較穩(wěn)定，但是為了防止事故的發(fā)生，還需要添加一個復(fù)位按鈕能夠在發(fā)生故障時可以重啟電路。圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，智能臺燈的設(shè)計需要STM32單片機、LED照明燈、手機控制軟件以及相應(yīng)的傳感器模塊。通過對傳感器和電路簡單的查閱和翻找資料過后，可以挑選出一些經(jīng)濟實惠、功能較完善的傳感器，組成簡單易連接的電路。（二）光敏傳感器的選擇光敏傳感器目前最常用的有光敏電阻和光敏二極管兩種，下文分析了兩種傳感器的優(yōu)缺點。方案一：光敏電阻使用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，阻值隨著光照強度的變化而變化，接收到的信息能夠及時反饋，靈敏性高，價格實惠。本方案成本低，效果好，通用性強。方案二：光敏二極管通過光照強弱改變電路中的電流。光敏二極管需要與電壓比較器相連。本方案增加了元器件的數(shù)量，增加了安裝難度。綜合考慮，本設(shè)計采用方案一作為檢測光的光敏傳感器。二、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計（一）STM32單片機最小系統(tǒng)設(shè)計1.主控芯片的型號及內(nèi)部構(gòu)架STM32有許多型號，每一個不同的字母都代表著不同的型號，每個型號之間都有著一些不同的功能，所以選用主控芯片需要考慮設(shè)計的功能實現(xiàn)。簡單列舉了一些不同字母代表的含義。如表1所示。表1STM32芯片名稱含義2.主控芯片的引腳及啟動配置本次設(shè)計所采用的芯片為STM32F103C8T6，引腳如圖2所示。圖2STM32F103C8T6引腳圖本次需要用到的引腳，如表2所示。表2STM32部分引腳說明關(guān)于BOOT1、BOOT2的配置問題，如表3所示。表3STM32啟動設(shè)置在本次設(shè)計中，單片機模塊采用了主控芯片為STM32F103C8T6，是一個容易購買且價格實惠的一款32為微控制器。它能夠完成我所需要的功能，在一系列的主控芯片里有價格優(yōu)勢。STM32的選擇是整塊電路硬件里最重要的。需要考慮功能性，實用性等。STM32的最小系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。圖3STM32F103RCT6最小系統(tǒng)3.晶振電路晶體振蕩電路一般連接單片機5、6引腳，相晶體振蕩器提供的頻率更加穩(wěn)定。它能夠輸出穩(wěn)定的信號，可以減少其他信號的干擾。如圖4所示C1、C2為兩個電容大小為22pF，電阻為10K,這就形成了自激震蕩電路.。圖4外部晶振電路4.復(fù)位電路要采用按鍵復(fù)位的方式。當(dāng)按鍵按下時，直流電源通過電阻接通GND。這時會產(chǎn)生一個相反的電平。讓電路中的各個模塊回到初始化狀態(tài)，復(fù)位電路可以將正在進行的電路回到清零的狀態(tài)。復(fù)位電路接到STM32芯片的RESET端。如圖5所示電容選用0.1uF，電阻選用10K。圖5復(fù)位電路（二）人體紅外模塊電路實物圖如圖6所示，電路如圖7所示。人體紅外傳感器可以很好的節(jié)省能源，消耗的電能少，穩(wěn)定輸出能夠靈活的檢測到信號，不會反應(yīng)遲緩，及時將信號傳遞出去。通過檢測人體散發(fā)的熱能將其轉(zhuǎn)化成電信號傳送出。價格實惠，對干擾信號有很強的抵抗力。圖6紅外傳感器實物圖圖7紅外電路紅外傳感器中的OUT輸出接口則連接單片機的PB14接口將信息的傳遞給單片機進行處理，接收到人體散發(fā)的熱能的信號時，紅外傳感器將此信息轉(zhuǎn)換成電信號通過PB14口傳遞給單片機，單片機根據(jù)信息進行調(diào)節(jié)臺燈的狀態(tài)。（三）光敏電阻光敏電阻實物圖如圖8所示。光敏電阻對光照非常敏感，能夠靈活對應(yīng)外界光的變化而改變自身的電阻，能夠及時處理信號，及時傳遞信息。圖8光敏電阻實物圖光敏電阻通過連接單片機的PA5口將光的亮暗信息傳遞給單片機進行相關(guān)信息的轉(zhuǎn)換。外界光照強度亮?xí)r，將信息傳遞給單片機，單片機根據(jù)所得信息進行改變燈的亮度，以減少電的使用。圖9光敏電阻電路圖顯示屏顯示屏實物圖如圖10所示，OLED屏幕是一個新型的顯示方式，可以自身發(fā)光，有很多的優(yōu)點，可以在屏幕上清晰的展示所得到的信息，不需要消耗很多的電能，價格低廉實惠，制作簡單。畫面不會產(chǎn)生失真的情況。OLED顯示屏屏幕小，重量輕。圖10顯示屏實物圖顯示屏中電路中SCL引腳連接單片機的PB11口，SDA引腳連接單片機的PB10口，顯示屏通過單片機傳送過來的信息將其轉(zhuǎn)換顯示在屏幕上。這樣就可以清晰的看到自己所需要的信息。圖11顯示屏電路報警模塊對于蜂鳴器而言，由于單片機當(dāng)中存在的IO口，所輸出的實際電流值相對較小，故而無法切實滿足蜂鳴器的正常工作需求。在此情況下，本文是在借助NPN三極管所含有的開關(guān)管功能作用，促進蜂鳴器進行發(fā)音，因為此元件已配備震蕩電路，所以單片機只要輸出對應(yīng)的電平。蜂鳴器實物圖如圖12。圖12蜂鳴器實物圖單片機通過PB13口將高低電平傳遞給蜂鳴器，蜂鳴器根據(jù)電平的高低來判斷蜂鳴器是否工作，電路中的NPN型三極管利用三極管的狀態(tài)將其當(dāng)作開關(guān)來進行工作。其電路如圖13。圖13蜂鳴器電路藍牙模塊藍牙模塊是藍牙支持點對點以及點對多點的通信，通過手機連接藍牙可以對含有藍牙模塊的物體進行控制，這對人們的生活有了很大的便利，藍牙模塊還有連接快、穩(wěn)定性高的特點。藍牙模塊實物圖如圖13所示圖14藍牙模塊實物圖藍牙模塊中TXD為數(shù)據(jù)輸出接口將藍牙中儲存的信息轉(zhuǎn)換成電信號通過單片機的PA2接口傳遞給單片機處理，RXD為數(shù)據(jù)接收接口通過與單片機的PA3口連接接收指令。藍牙與單片機的連接圖如圖14示。圖15藍牙模塊電路時鐘模塊時鐘模塊選用的是一個實時時鐘模塊，它能夠高效的工作，不產(chǎn)生電能的使用。實時時鐘模塊記錄每一個時間點產(chǎn)生的信息，也可以進行定時功能，可以實時看到時間的變化。DS1302時鐘模塊有實時計時以及定時的功能。實物圖如圖16.圖16時鐘實物圖時鐘模塊中的CLK引腳為串行時鐘接口連接單片機的PA13口，將時間信息傳遞給單片機進行信息處理傳遞給顯示屏，DATA引腳連接單片機的PA12口，單片機通過傳遞過來的信號進行處理在對其他元器件發(fā)送指令，RST引腳為復(fù)位腳連接單片機PA11口，根據(jù)傳送的電信號將信息重置，電路圖連接如圖17.圖17時鐘電路圖三、系統(tǒng)軟件設(shè)計（一）主程序流程圖主程序流程圖如圖18所示。主流程圖展示主要部分的控制流程。以STM32為重點展開設(shè)計，主程序需要調(diào)動一些子程序來完現(xiàn)成總體的程序。主程序的地位非常重要，它是軟件設(shè)計的核心思想，如果主程序出現(xiàn)了錯誤，整個軟件設(shè)計就不能夠?qū)崿F(xiàn)所需功能。主程序是軟件設(shè)計的整體框圖。圖18系統(tǒng)主程序流程圖（二）紅外傳感器流程圖接通電源后，系統(tǒng)首先進行初始化設(shè)置，傳感器開始正常工作，人體紅外傳感器如果檢測到有人經(jīng)過，會向主控芯片發(fā)送相應(yīng)信號對臺燈進行開燈控制，如果檢測到?jīng)]有人經(jīng)過，則會將信號發(fā)送給單片機讓臺燈燈滅，同時繼續(xù)檢測復(fù)位按鍵是否被按下，若按鍵被按下則開始重新運行。如圖19.圖19子程序流程圖（三）光敏傳感器流程圖上電后，臺燈需要通過人體紅外傳感器喚醒。喚醒之后光敏傳感器便可以開始對臺燈進行傳送信息，當(dāng)受到強環(huán)境光照射時，光敏傳感器轉(zhuǎn)換成電信號傳送給單片機，通過單片機對臺燈的連接將臺燈的亮度減少，但不會關(guān)閉。環(huán)境光弱時，則反之。同時檢測是否有復(fù)位信號。如圖20.圖20光敏流程圖四、系統(tǒng)調(diào)試（一）結(jié)果電路重置后，當(dāng)紅外傳感器接收到有人的信號時，臺燈燈亮，顯示屏中顯示有人（即Human顯示Y），如圖21。圖21圖中紅色框標(biāo)注的為臺燈人體紅外傳感器接收到?jīng)]人的信號時，臺燈熄滅，顯示屏顯示沒人（即Human顯示N）。如圖22.圖22燈被喚醒后，需要燈熄滅一次，之后的燈光才受光敏電阻影響。強光照射到光敏電阻時，燈亮度如圖23.遮擋光線照射光敏電阻時，燈亮度如圖24.如果燈沒被喚醒則一直保持燈滅狀態(tài)。圖22圖23蜂鳴器是用來提醒定時，顯示屏上的顯示時間（Time），通過時間是否為0s來判斷蜂鳴器的工作狀態(tài)。當(dāng)時間變成0s時，蜂鳴器開始工作，提醒放松眼睛。時間不為0s時，蜂鳴器則不工作，如圖25.圖25設(shè)計中的按鍵是用來控制加減時間，時間會在顯示屏上顯示（Time）。SW3按鍵則是減時間按鍵，如圖26。圖26SW4按鍵則是加時間按鍵，如圖27.圖27打開藍牙模塊，藍牙處于待連接狀態(tài)，將手機藍牙打開連接藍牙模塊，在將APP打開，搜索并連接。手機APP上有四個按鍵分別是時間+、時間-、高亮度、低亮度。點擊時間+鍵時，顯示屏所顯示的時間增加，如圖28，圖28點擊時間-時，顯示屏所顯示時間減少，如圖29.圖29點擊低亮度時，臺燈亮度會減弱，如圖30。圖30點擊高亮度時，臺燈亮度會增加，如圖31.圖31

總結(jié)畢業(yè)設(shè)計通過多天的努力終于完成。確定設(shè)計題目時也是非常艱難，利用自己學(xué)到的知識來進行設(shè)計是否能夠很好的完成，心里茫然無措，因為自己只是大概知道這次設(shè)計需要實現(xiàn)的一些功能，但是不知道應(yīng)該從哪里開始做，以及傳感器和單片機的連接，而且對學(xué)習(xí)的理論知識沒有很好的進行實際操作。所以需要進行知識的復(fù)習(xí)以及使用軟件設(shè)計的學(xué)習(xí)，還通過對傳感器件一段時間比較系統(tǒng)的了解和學(xué)習(xí)之后，對自己的設(shè)計要使用什么樣的傳感器有了一些想法。此次設(shè)計是一個很好的學(xué)習(xí)機會。學(xué)校里的專業(yè)課上會有一些設(shè)計考核，但是都會以小組的形式設(shè)計完成任務(wù)，小組內(nèi)可以自由討論項目的設(shè)計方向，確定設(shè)計方案，同學(xué)們可以自己進行分工，做自己擅長的部分，但畢業(yè)設(shè)計卻不同，自己一個人需要做完整的一個設(shè)計，所有的部分都要自己親自動手操作，之前不會的東西通過這次的畢業(yè)設(shè)計再次進行學(xué)習(xí)。在未來的日子里，也要抱著好學(xué)的態(tài)度進行工作和學(xué)習(xí)，不管之后做什么事情都要認(rèn)真仔細(xì)負(fù)責(zé)，做對社會有貢獻的人。對未來，希望自己能夠?qū)崿F(xiàn)自己的價值。參考文獻[1]戴忠祥.基于單片機系統(tǒng)的視力保護智能臺燈設(shè)計[J].電子制作，2021(07)：89-91.[2]李寶文，李靈，黃錦稻，裴意軍，程全義，邱雄科.監(jiān)測坐姿智能臺燈的設(shè)計與實現(xiàn)[J].科技風(fēng)，2021(09)：3-4.[3]趙德福，張楠楠，張曉.STM32F103單片機的智能人體感應(yīng)臺燈[J].電子世界，2021(05)：137-13