基于STM32的智能臺燈系統(tǒng)設(shè)計

陳俊妍 劉秒秒

摘要：隨著智能化家居的不斷發(fā)展，一些傳統(tǒng)家電的問題也越來越突出。本文所設(shè)計基于STM32的智能臺燈系統(tǒng)，不僅解決了傳統(tǒng)臺燈亮度調(diào)節(jié)不便，還解決了不能根據(jù)外界環(huán)境及時調(diào)整亮度的問題。本文設(shè)計采用了STM32為核心控制器，人體紅外傳感器、超聲波傳感器和數(shù)字光照強(qiáng)度模塊作為檢測元件，實現(xiàn)了兩種模式的控制：自動模式和手動模式，用戶可以在兩種模式之間自由切換。自動模式是根據(jù)環(huán)境亮度實施自我亮度調(diào)節(jié)，而手動模式下用戶通過不同手勢手動調(diào)節(jié)臺燈亮滅。兩種模式控制下，智能臺燈的使用更加方便，不僅有效地節(jié)省了電能，還能通過自動開關(guān)燈來為人們解決黑暗中摸燈的困擾和安全隱患。

關(guān)鍵詞：STM32、人體紅外傳感器、超聲波傳感器和數(shù)字光照強(qiáng)度模塊。

一、引言

隨著社會的發(fā)展，移動互聯(lián)技術(shù)不斷進(jìn)步，智能化家居產(chǎn)品也逐步進(jìn)入到消費(fèi)者的視野中。隨著LED燈光科技、電源技術(shù)的蓬勃發(fā)展，城市照明將順應(yīng)技術(shù)的發(fā)展趨勢逐步邁向現(xiàn)代化。[1]通過人們對生活品質(zhì)要求的不斷提高，人們對于家居照明的需求也從單純的照明等基礎(chǔ)功能上升到更高的要求。在日常忙碌過后，智能化臺燈能給人們提供最貼心化的服務(wù)，讓人們能夠調(diào)整狀態(tài)迎接新的一天。目前，智能化燈具在擁有傳統(tǒng)燈具強(qiáng)調(diào)的質(zhì)量的同時，還要使人們使用得更加便利安全。智能化臺燈的優(yōu)勢在于節(jié)約電能，通過自動開關(guān)燈來為人們解決黑暗中摸燈的困擾和安全隱患。[2-4]傳統(tǒng)照明燈具與之相比毫無優(yōu)勢可言，所以智能化照明燈具具有非?？捎^的市場潛力，它的出現(xiàn)與普及是未來發(fā)展的必然趨勢。

本設(shè)計使用了單片機(jī)STM32F407VET6作為核心控制器，以人體紅外傳感器HC-SR501和超聲波傳感器HC-SR04作為測量元器件，LED作為執(zhí)行部件。智能臺燈分為自動模式和手動模式，使用者能夠在二個模式間隨意轉(zhuǎn)換。自動模式是根據(jù)環(huán)境亮度實施自我亮度調(diào)節(jié)，環(huán)境越暗臺燈越亮，環(huán)境越亮臺燈越暗。而手動模式下用戶通過不同手勢手動調(diào)節(jié)臺燈亮滅。智能化燈具在保證了傳統(tǒng)燈具所強(qiáng)調(diào)的品質(zhì)同時，還能讓人們的使用更加方便。智能化臺燈的優(yōu)勢在于不僅節(jié)省了電能，還能通過自動開關(guān)燈來為人們解決黑暗中摸燈的困擾和安全隱患。本設(shè)計中的智能臺燈電源電壓不到10V遠(yuǎn)低于36V，完全符合人體安全電壓，縱然是接通電源直接對臺燈進(jìn)行檢修也不會對人體造成傷害。臺燈采用新一代節(jié)能LED燈作為光源，在節(jié)約電能的同時長期使用也不用擔(dān)心影響視力[5]。

二、設(shè)計方案

本文所設(shè)計智能臺燈的主要研究方向在于其明暗和亮度的自動控制模式，因此本課題所設(shè)計的智能臺燈系統(tǒng)主要完成兩種功能：自動亮度控制模式和手動亮度控制模式。兩種模式的設(shè)計不僅能夠完成智能臺燈的無線控制和智能識別功能，還能夠滿足用戶傳統(tǒng)手動控制模式的需求。首先進(jìn)行需求分析，智能臺燈系統(tǒng)的主要功能為：當(dāng)臺燈接通電源并且處于開機(jī)狀態(tài)時，經(jīng)過短暫的初始化后臺燈默認(rèn)進(jìn)入自動模式。此時如果光照強(qiáng)度符合條件并且人體能夠被臺燈檢測到，則臺燈以一定亮度亮燈。如果切換到手動模式，在超聲波的閾值以內(nèi)檢測到人的手勢，臺燈亮燈。在一定時間內(nèi)，臺燈如果再次檢測到手勢，臺燈滅燈。

本設(shè)計同時具備了二個工作狀態(tài)，自動模式工作狀態(tài)和手動模式工作狀態(tài)，其中自動亮度控制模式狀態(tài)主要利用紅外傳感器檢測人體紅外輻射來實現(xiàn)，手動亮度調(diào)節(jié)模式狀態(tài)主要利用超聲波傳感器測距功能，感應(yīng)人體是否仍然在燈前來實現(xiàn)。通過紅外傳感器可以檢測人體所存在的紅外熱輻射，而熱輻射的強(qiáng)弱也由外部環(huán)境和人燈之間距離等因素共同控制。因為若在紅外線傳感器感應(yīng)區(qū)域內(nèi)，人體紅外線照射量較多，或說明此時外部環(huán)境較明亮，或人燈距離較近等，此時可關(guān)閉燈光。若在紅外線傳感器的感應(yīng)區(qū)域外，對人體紅外線照射較弱，或說明此時外部環(huán)境較暗，或人燈距離較遠(yuǎn)等，此時可打開燈光。另外人燈距離的檢測結(jié)合程序設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)報警功能，若距離過近，則警告使用者對其坐姿進(jìn)行矯正。手動模式主要通過超聲波傳感器的測距功能實現(xiàn)，超聲波傳感器的高穩(wěn)定性也增加了增提設(shè)計的可靠性。另外在程序設(shè)計過程中增加定時功能，如若規(guī)定時間內(nèi)人還停留在桌面前則自動關(guān)閉照明，以此提醒其預(yù)防雙眼的過度使用和疲勞，結(jié)合自動模式更能夠完成預(yù)防近視的效果。

該系統(tǒng)由以下五大模塊組成：單片機(jī)控制器、超聲波測距模塊、人體紅外線檢測模塊、供電模組和LED驅(qū)動器模塊等構(gòu)成。圖1為系統(tǒng)總體框圖。該系列單片機(jī)選擇STM32為核心控制器，采用人體紅外傳感器選擇HC-SR501，超聲波傳感器選擇HC-SR04作為距離檢測元件，光照傳感器選擇BH1750FVI作為光強(qiáng)檢測元件，LED作為執(zhí)行部件，通過編程完成對臺燈的智能調(diào)控。用戶可自行選擇自動或手動兩種方式來運(yùn)行。

三、硬件設(shè)計

本設(shè)計主要是基于STM32F407作為主控芯片，對臺燈和各個傳感器進(jìn)行控制。智能臺燈一般可分成自動和手動兩個模塊。在自動狀態(tài)下，臺燈可以根據(jù)當(dāng)前環(huán)境光的亮度和暗度，以及是否有人在桌燈下自動開關(guān)桌面臺燈燈光。當(dāng)系統(tǒng)檢測到人，以及周圍燈光超過一定強(qiáng)度后，臺燈將會啟動。如果環(huán)境光沒有達(dá)到這個水平，燈將不會打開。當(dāng)人沒被檢測到的時候，無論多暗，燈也不會亮。手動模式是為那些不習(xí)慣自動模式或緊急情況下，如傳感器檢測故障等而準(zhǔn)備。在手動模式下，智能臺燈與一般臺燈的作用和使用方法相同，臺燈開關(guān)采用超聲波量程傳感器代替了傳統(tǒng)的按鈕開關(guān)或觸摸開關(guān)。智能臺燈亮度調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計主要包括兩個部分，自動模式電路設(shè)計和手動模式電路設(shè)計。自動模式電路設(shè)計主要利用紅外傳感器，感應(yīng)人體熱輻射的功能。手動模式電路設(shè)計主要才有用超聲波傳感器的測距功能實現(xiàn)。因此本節(jié)主要介紹一下兩種模式下的四個模塊：主控模塊、超聲波模塊、人體紅外傳感器模塊、數(shù)字光強(qiáng)模塊等。

（一）主控模塊

主控模塊主要完成兩部分硬件設(shè)計：單片機(jī)最小系統(tǒng)的總體電路設(shè)計和電源模組總體電路設(shè)計。本文所設(shè)計電路中，單片機(jī)主控芯片選擇了STM32F407VET6。STM32F407VET6是ST（STMicroelectronics）公司開發(fā)的高性能單片機(jī)。自適應(yīng)實時加速器完全解鎖cortex-m4內(nèi)核的性能。 STM32的最小控制系統(tǒng)一般有以下四個部分組成：時鐘源集成電路、BOOT啟動集成電路、測試接口電路、復(fù)位集成電路。[6]另外，本系統(tǒng)采用雙電源供電模式，可以用5V開關(guān)電源或者5V的USB進(jìn)行供電;也可以用四節(jié)1.5V的5號電池組成的6V電池組進(jìn)行供電。兩種供電方案用戶可以自選。圖2為穩(wěn)壓電源電路圖。其中包括5V穩(wěn)壓和3.3V穩(wěn)壓兩種，為設(shè)計中所有硬件電路供電。

（二）自動模式

基于STM32的智能臺燈自動模式采用人體紅外傳感器模塊和數(shù)字光強(qiáng)模塊相結(jié)合來實現(xiàn)。通過人體紅外傳感器模塊來檢測附近是否有人接近，通過數(shù)字光強(qiáng)模塊來檢測附近光強(qiáng)變化，從而判斷是否打開LED燈進(jìn)行照明。人體紅外線傳感器模塊HC-SR50，是應(yīng)用了紅外技術(shù)的啟動控制器模塊，它使用了LH788探測器設(shè)計，具備了敏感度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、低電流工作穩(wěn)定的優(yōu)勢。其產(chǎn)品的主要注意事項為：1.感應(yīng)模組連接后，初始化約需時一分秒以內(nèi)。在此期間，模組每一分秒提供零到三次，約一分秒后加入待機(jī)狀態(tài)。2.模塊表面上的透鏡應(yīng)盡可能避開光和任何擾動源，以預(yù)防因傳入的擾動信息而引起誤動作。并且應(yīng)用周圍環(huán)境中要盡量避免強(qiáng)風(fēng)的流動，因為強(qiáng)風(fēng)也會阻礙工作傳感器。HC-SR501的接線方式簡單，采用三線制接線，除了電源與地線腳外只有一個輸出的引腳接到單片機(jī)的IO口上，單片機(jī)通過檢測IO口的高低來判斷附近是否有人。[7]本設(shè)備的數(shù)字光照強(qiáng)度模塊為GY-30，它是一種內(nèi)置ROHM-BH1750FLV器件的數(shù)字光照強(qiáng)度模塊，進(jìn)行環(huán)境光照強(qiáng)采集，并作為與RC總線連接的數(shù)字環(huán)境光感應(yīng)器。

（三）手動模式

本產(chǎn)品設(shè)計中使用了HC-SR04超聲波測距模塊，其測量距離達(dá)到2cm～450cm。HC-SR04 超聲波測距模塊是非接觸式的元件，檢測距離準(zhǔn)確度可以高到3mm;模組包括超聲波發(fā)射機(jī)、接收器和檢測電路等。如圖3接線，VCC供5V電源，GND為接地線，TRIG觸發(fā)控制信號輸入，ECHO回響信號輸出等4個連接端[8]。

超聲波測距測量人體與臺燈之間的距離是這款智能臺燈的另一個核心功能。圖3是超聲波測距模塊電路圖。該設(shè)計采用了HC-SR04超聲波測距模塊。先給模塊通電，然后再給脈沖觸發(fā)管腳（TRIG）輸入一個周期為20us的方波信號。輸入方波后，系統(tǒng)會自動發(fā)出8個40KHz的聲波。同時，回聲引腳（echo）末尾的水平將從0變?yōu)?（此時應(yīng)該啟動計時器）。當(dāng)模塊接收到回來的超聲時，回波引腳的電平將從1變?yōu)?（此時計時器停止計數(shù)）。最后定時器記錄的時間，就是超聲波從發(fā)送到回收的累計時間，以便算出檢測到的距離。

四、軟件設(shè)計

本設(shè)計的代碼部分主要包含兩個部分：自動亮度控制部分和手動亮度控制部分。圖4（a）為本系統(tǒng)的自動模式程序流程圖，圖4（b）為本系統(tǒng)的手動模式程序流程圖。從圖4中可看出系統(tǒng)代碼的主要步驟，首先對所有模塊的部分參數(shù)進(jìn)行了初始化。然后確定當(dāng)前是自動模式還是手動模式，可以通過按鍵完成兩個模式的切換。若在自動模式下就執(zhí)行自動模式的邏輯代碼，如果人體紅外傳感器被觸發(fā)同時光照傳感器檢測到環(huán)境光達(dá)到閾值，數(shù)字光強(qiáng)模塊根據(jù)環(huán)境亮度調(diào)節(jié)臺燈亮度。環(huán)境越暗LED亮度越強(qiáng)。若上述兩個條件其中一個不滿足條件，LED臺燈自動關(guān)閉[9]。在手動模式下的代碼實際上就是超聲波傳感器對目標(biāo)距離不斷采集的工作過程，若目標(biāo)進(jìn)入傳感器檢測范圍則燈亮，反之則燈滅。

五、結(jié)束語

隨著科技的發(fā)展，智能化家居產(chǎn)品也在逐漸影響我們的生活。本文中所設(shè)計基于STM32的智能臺燈系統(tǒng)，采用了單片機(jī)STM32F407VET6作為核心控制器，以及人體的紅外線感應(yīng)器HC-SR501、超聲波傳感器HC-SR04和數(shù)字光照強(qiáng)度模塊GY-30作為檢測元件。智能臺燈控制系統(tǒng)共有兩個模式：自動模式和手動模式，用戶可以在兩種模式之間自由切換。自動模式是根據(jù)環(huán)境亮度實施自我亮度調(diào)節(jié)，而手動模式下用戶通過不同手勢手動調(diào)節(jié)臺燈亮滅。兩種模式控制下，智能臺燈的使用更加方便，不僅有效地節(jié)省了電能，還能通過自動開關(guān)燈來為人們解決黑暗中摸燈的困擾和安全隱患。

作者單位：陳俊妍? ? 劉秒秒? ? 湖北汽車工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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