一種基于STM32的智能學(xué)習(xí)型臺(tái)燈設(shè)計(jì)

楊顯斌

摘 要：基于STM32微處理器設(shè)計(jì)一種智能學(xué)習(xí)型臺(tái)燈，通過(guò)檢測(cè)環(huán)境光線強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)PWM自動(dòng)調(diào)光，檢測(cè)學(xué)習(xí)者附身距離、預(yù)設(shè)學(xué)習(xí)時(shí)間及語(yǔ)音提醒等，達(dá)到護(hù)眼目的。文章介紹了智能學(xué)習(xí)型臺(tái)燈的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，給出了主要功能模塊的軟硬件設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：智能學(xué)習(xí)型臺(tái)燈；STM32；自動(dòng)調(diào)光；距離檢測(cè)；語(yǔ)音提醒

臺(tái)燈是人們學(xué)習(xí)時(shí)常用的工具之一。很多人長(zhǎng)時(shí)間伏案學(xué)習(xí)，由于坐姿不正確、燈光使用不當(dāng)及作息時(shí)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(tái)燈大多是手動(dòng)調(diào)光，功能較簡(jiǎn)單，少有護(hù)眼功能。如果設(shè)計(jì)一款臺(tái)燈，能根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)自動(dòng)調(diào)節(jié)臺(tái)燈亮度，通過(guò)檢測(cè)附身距離語(yǔ)音提醒學(xué)習(xí)者糾正坐姿，并提供學(xué)習(xí)時(shí)間播報(bào)、時(shí)鐘日歷及溫濕度顯示等功能，將能為學(xué)習(xí)者養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)與用眼習(xí)慣提供支持。本文設(shè)計(jì)的基于STM32的智能學(xué)習(xí)型臺(tái)燈即具有上述功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

智能學(xué)習(xí)型臺(tái)燈的系統(tǒng)組成如圖1所示。

STM32微處理器是整個(gè)系統(tǒng)的核心。光強(qiáng)傳感器采集環(huán)境光線強(qiáng)度經(jīng)I2C傳輸給STM32微處理器，通過(guò)PWM輸出到恒流源自動(dòng)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(cè)學(xué)習(xí)者的附身距離，通過(guò)STM32微處理器控制語(yǔ)音芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)喇叭發(fā)聲。按鍵用來(lái)預(yù)設(shè)學(xué)習(xí)時(shí)間及調(diào)整時(shí)鐘日歷，學(xué)習(xí)時(shí)間、時(shí)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(jì)

2.1 主控芯片

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

2.2 光強(qiáng)檢測(cè)與燈光控制電路

采用BH1750FVI光強(qiáng)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(guò)I2C與主控芯片連接。

主控芯片根據(jù)BH1750FVI采集的光強(qiáng)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(dǎo)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(guò)DIM引腳進(jìn)行LED開關(guān)可實(shí)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(guò)觸摸按鍵進(jìn)行選擇，可消除單一光源引起的視覺疲勞。

2.3 距離檢測(cè)及語(yǔ)音控制電路

采用HC-SR04+超聲波傳感器檢測(cè)學(xué)習(xí)者與LED光源的距離，當(dāng)檢測(cè)距離小于設(shè)定的最小值時(shí)，WT588D語(yǔ)音芯片驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器提醒學(xué)習(xí)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(dāng)主控芯片給TRIG一個(gè)不小于10 μs的高電平信號(hào)，模塊自動(dòng)發(fā)出8個(gè)40 kHz方波[5]，同時(shí)ECHO自動(dòng)置高電平，直到接收到返回超聲波止，則：測(cè)試距離=（回波高電平時(shí)間×聲速）/2。

WT588D是一款功能強(qiáng)大的可重復(fù)擦寫的語(yǔ)音單片機(jī)芯片，支持最多500段用于編輯的語(yǔ)音，采用PWM輸出可直接推動(dòng)0.5 W/8 Ω的揚(yáng)聲器[6]，用于附身距離提醒、學(xué)習(xí)時(shí)間播報(bào)等。

2.4 時(shí)間設(shè)置與顯示

分別利用主控芯片的通用定時(shí)器（TIM）和獨(dú)立的實(shí)時(shí)時(shí)鐘（Real-Time Clock，RTC）實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)時(shí)間倒計(jì)時(shí)和時(shí)鐘日歷等功能，通過(guò)按鍵對(duì)學(xué)習(xí)時(shí)間、時(shí)鐘日歷進(jìn)行設(shè)置。

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

學(xué)習(xí)時(shí)間、時(shí)鐘日歷和溫濕度信息顯示在LCD12864液晶顯示器上，為學(xué)習(xí)者提供時(shí)間和環(huán)境舒適度等相關(guān)信息。

3 軟件設(shè)計(jì)

智能學(xué)習(xí)型臺(tái)燈軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，基于STM32庫(kù)函數(shù)編程實(shí)現(xiàn)[7]。軟件系統(tǒng)主要包括主程序，光強(qiáng)檢測(cè)、PWM調(diào)光、距離檢測(cè)、語(yǔ)音提醒和溫濕度檢測(cè)等模塊。

主程序模塊通過(guò)系統(tǒng)初始化及調(diào)用外設(shè)模塊子程序來(lái)完成系統(tǒng)的主要邏輯操作，在while（1）中掃描按鍵并對(duì)學(xué)習(xí)時(shí)間和時(shí)鐘日歷等進(jìn)行調(diào)設(shè)，主程序流程如圖3所示。

通過(guò)調(diào)用BH1750光強(qiáng)檢測(cè)、I2C傳輸和PWM輸出等子程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)調(diào)光功能；調(diào)用HC-SR04超聲波測(cè)距子程序和WT558D語(yǔ)音子程序等實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)者附身距離提醒功能；調(diào)用溫濕度檢測(cè)子程序來(lái)采集環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)。利用定時(shí)中斷實(shí)現(xiàn)每1 s更新光強(qiáng)和溫濕度數(shù)據(jù)，每3 s檢測(cè)附身距離。

此外，系統(tǒng)還設(shè)有學(xué)習(xí)時(shí)間倒計(jì)時(shí)、時(shí)鐘日歷和LCD液晶顯示等程序模塊。

4 結(jié)語(yǔ)

我們采用基于STM32f103vet主控芯片設(shè)計(jì)一種智能學(xué)習(xí)型臺(tái)燈，通過(guò)試做樣品在室內(nèi)測(cè)試，在不同光亮環(huán)境下能自動(dòng)調(diào)整LED燈亮度，燈光柔和；當(dāng)學(xué)習(xí)者與超聲波傳感器的距離小于設(shè)定值或預(yù)設(shè)學(xué)習(xí)時(shí)間到時(shí)能語(yǔ)音提醒，時(shí)鐘日歷、環(huán)境溫濕度顯示等功能正常。本設(shè)計(jì)的智能學(xué)習(xí)型臺(tái)燈成本低、性能優(yōu)越、實(shí)用性強(qiáng)，具有良好的應(yīng)用前景。

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