一種基于STM 32的多功能型臺(tái)燈的設(shè)計(jì)

劉曉宇，陳越超

（長(zhǎng)春師范大學(xué)，長(zhǎng)春130032）

0 引言

隨著時(shí)代的進(jìn)步與發(fā)展，我國(guó)臺(tái)燈的普及率很高，市場(chǎng)上的臺(tái)燈種類也很多[1]，不論是上班族還是學(xué)生都會(huì)經(jīng)歷加班工作和學(xué)習(xí)，這使得人們對(duì)臺(tái)燈功能的需求不單單局限于照明，而是對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和要求越來越高?，F(xiàn)如今，全球視力水平急劇下降，眼部疾病越來越多，這與人們?nèi)粘Ｉ畹牟徽_用眼有著極大的關(guān)聯(lián)，比如工作學(xué)習(xí)坐姿不正確，用眼過度以及光照強(qiáng)度不合適等對(duì)眼睛都會(huì)造成極大地?fù)p害。與傳統(tǒng)臺(tái)燈相比，本設(shè)計(jì)主要可以實(shí)現(xiàn)臺(tái)燈的自動(dòng)調(diào)光，以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)學(xué)習(xí)距離等功能。在手動(dòng)控制模式下，可以滿足一部分用戶的喜好，該模式共分為八級(jí)亮度調(diào)節(jié)，可以通過手動(dòng)按鍵調(diào)整自己適應(yīng)的亮度。在自動(dòng)控制模式下，該設(shè)計(jì)能夠在保護(hù)視力的前提下，使臺(tái)燈功能更加多元化，既幫助人們糾正不良坐姿問題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)亮度的自適應(yīng)功能，與外界環(huán)境相協(xié)調(diào)，確保人走燈滅，保證亮度的同時(shí)也達(dá)到了節(jié)能省電的功效，盡可能更好的利用資源。

1 設(shè)計(jì)原理

本系統(tǒng)以STM32F103單片機(jī)為基礎(chǔ)，配合光照度傳感器模塊、測(cè)距模塊、調(diào)壓調(diào)光模塊、蜂鳴器報(bào)警模塊等。本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種工作方式：手動(dòng)控制工作時(shí)，可以通過控制增減按鍵實(shí)現(xiàn)臺(tái)燈亮度的切換；自動(dòng)控制工作時(shí)，系統(tǒng)可以根據(jù)環(huán)境中光照強(qiáng)度的變化實(shí)現(xiàn)臺(tái)燈亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)。此外系統(tǒng)利用超聲波傳感器感知人與臺(tái)燈的距離，當(dāng)人姿勢(shì)不正確、與臺(tái)燈距離太近或者久坐時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警提示音。當(dāng)人離開座位一段時(shí)間后，臺(tái)燈會(huì)自動(dòng)熄滅，當(dāng)人回到座位后，臺(tái)燈自動(dòng)點(diǎn)亮。同時(shí)，系統(tǒng)通過TFTLCD模塊實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前時(shí)間、環(huán)境光照強(qiáng)度、臺(tái)燈亮度等級(jí)、人與臺(tái)燈距離、人工作時(shí)間等信息。通過這些功能不斷豐富臺(tái)燈具體應(yīng)用框架，實(shí)現(xiàn)臺(tái)燈的多樣化。臺(tái)燈的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)

方案一：Arduino系列。Arduino能通過不同的傳感器來感知環(huán)境，可以控制燈光、電機(jī)和其他設(shè)備[2]。其中MEGA系列應(yīng)用的主控制芯片性能高，針腳多，可以同時(shí)連接較多的外接硬件設(shè)備，但是在嵌入式開發(fā)等方面存在許多局限性。

方案二：STM32F103系列。對(duì)于STM32F103開發(fā)板[3]，具有接口豐富，可以方便的進(jìn)行各種外設(shè)的實(shí)驗(yàn)和開發(fā)的優(yōu)點(diǎn)，其次資源充足，主芯片采用自帶的512K字節(jié)FLASH的STM32F103ZET6，滿足大內(nèi)存需求和大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)[4]，還包括休眠、停止和待機(jī)3種低功耗模式，提高了產(chǎn)品的應(yīng)用靈活性，同時(shí)操作過程簡(jiǎn)單，能夠處理模擬及數(shù)字信號(hào)。

通過對(duì)比論證分析，本模塊選擇方案二。該設(shè)計(jì)選擇STM32F103單片機(jī)為主控模塊，在自動(dòng)調(diào)光模式下，STM32F103單片機(jī)讀取光照度傳感器，經(jīng)過計(jì)算得到實(shí)際光照度，然后通過485芯片傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)亮度的自動(dòng)調(diào)節(jié)；在調(diào)壓調(diào)光模式下，通過單片機(jī)IO口輸出PWM脈沖調(diào)節(jié)占空比去改變220 V交流電壓從而達(dá)到調(diào)壓調(diào)光的目的。同時(shí)STM32F103單片機(jī)能夠極大限度的發(fā)揮臺(tái)燈各個(gè)模塊間的功能，并將其有機(jī)的結(jié)合起來，確保各個(gè)功能精確地運(yùn)行和實(shí)現(xiàn)。

2.2 光照度傳感器模塊設(shè)計(jì)

方案一：GY-30。GY-30是一款通用的光照度傳感器檢測(cè)模塊，不區(qū)分環(huán)境光源，具有接近于視覺靈敏度的分光特性，但是價(jià)格相對(duì)較高。

方案二：GY-485-44009。GY-485-44009是一款寬量程、高精度、應(yīng)用較為簡(jiǎn)單的485總線光照度傳感器模塊，同時(shí)功率消耗低，體積小，安裝較為方便。

通過對(duì)比論證分析，本模塊選擇方案二。GY-485-44009是一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信接口，一般采用平衡發(fā)送和差分接收方式實(shí)現(xiàn)通信，光照度傳感器模塊通過485總線建立GY-485與單片機(jī)間的雙向通信，實(shí)現(xiàn)亮度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。由于外界環(huán)境的變化對(duì)燈光強(qiáng)度的需求也會(huì)發(fā)生變化，臺(tái)燈在保護(hù)視力及適應(yīng)環(huán)境的前提下改變光的強(qiáng)度。

2.3 測(cè)距模塊設(shè)計(jì)

方案一：激光。激光測(cè)距相對(duì)來說精度較高，但是激光需要考慮人體的安全問題，且激光制作的要求高，同時(shí)光學(xué)系統(tǒng)元件需要時(shí)刻保持整潔，否則會(huì)影響整體測(cè)量結(jié)果。

方案二：HC-SR04超聲波。超聲波測(cè)距離的原理是已知聲速V=331.4+0.6t（t單位為攝氏度）m∕s，當(dāng)超聲波遇到障礙物時(shí)反射回來而進(jìn)行測(cè)量[5]。超聲波的振動(dòng)頻率相對(duì)較高，且具備束射特性，方向性強(qiáng)，能夠定向傳播。此外超聲波耐臟污，即使傳感器上有塵土也可以進(jìn)行測(cè)量，即可以在較差的環(huán)境中使用。

通過對(duì)比論證分析，本模塊采用方案二。測(cè)量時(shí)單片機(jī)系統(tǒng)先給發(fā)射電路提供脈沖信號(hào)，單片機(jī)計(jì)數(shù)器處于等待狀態(tài)，當(dāng)信號(hào)發(fā)射一段時(shí)間后，由單片機(jī)發(fā)出信號(hào)，使系統(tǒng)關(guān)閉發(fā)射信號(hào)，計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)，實(shí)現(xiàn)起始的同步。當(dāng)接收信號(hào)的最后一個(gè)脈沖到來之后，計(jì)數(shù)器則停止計(jì)時(shí)。該模塊主要目的是檢測(cè)使用者的坐姿是否正確，當(dāng)檢測(cè)到人體距離桌面過遠(yuǎn)、過近時(shí)給予一定的聲音提示。

2.4 調(diào)壓調(diào)光模塊設(shè)計(jì)

方案一：可控硅，又稱晶閘管?？煽毓柙陔娐分锌梢酝瓿山涣麟姷臒o(wú)觸點(diǎn)控制，大電流由小電流控制，開斷無(wú)涌流，且速度快，可以控制過零開斷。

方案二：繼電器。繼電器相較于可控硅技術(shù)相對(duì)成熟，但工作效率較低，觸點(diǎn)容量大且壽命短，可維護(hù)性較差，無(wú)法用于精度高的開斷控制電路中。

通過對(duì)比論證分析，本模塊選擇方案一。可控硅作為該部分的主要“承擔(dān)者”，以STM32單片機(jī)為處理核心,經(jīng)過對(duì)從電位器輸入的AD數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到脈沖寬度調(diào)制（PWM）調(diào)光的占空比[6]，通過單片機(jī)輸出不同占空比的PWM信號(hào)繼而控制可控硅改變燈的亮度，在一定程度上占空比與燈的亮度呈線性關(guān)系，改變PWM值使得通過臺(tái)燈的平均電流發(fā)生改變。調(diào)壓調(diào)光模塊原理如圖2所示。

圖2 調(diào)壓調(diào)光模塊原理

2.5 蜂鳴器報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

該模塊選擇PNP型三極管來控制蜂鳴器的報(bào)警，三極管的集電極接電源，基極串接1 kΩ電阻后接單片機(jī)I∕O端口，發(fā)射極接蜂鳴器正極，蜂鳴器負(fù)極接地，蜂鳴器兩端電壓隨基極輸入電壓的變化而發(fā)生改變。當(dāng)基極輸入高電平時(shí)，三極管截止，三極管的發(fā)射極為低電平，此時(shí)蜂鳴器里電流幾乎為0，蜂鳴器不響；當(dāng)基極輸入低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，三極管的發(fā)射極為高電平，蜂鳴器有電流通過，發(fā)出聲音。

該模塊主要功能是在設(shè)定一定時(shí)間后，超過設(shè)定時(shí)間則發(fā)出久坐的報(bào)警提示，還可以在坐姿不正確或是距離過遠(yuǎn)、過近時(shí)發(fā)出報(bào)警提示音，提醒用戶矯正坐姿、及時(shí)休息或是關(guān)閉臺(tái)燈電源。電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)以驅(qū)動(dòng)振動(dòng)膜發(fā)聲，由于單片機(jī)IO引腳輸出電流較小，因此增加一個(gè)三極管放大驅(qū)動(dòng)電路，從而使蜂鳴器發(fā)出聲音[7]。蜂鳴器報(bào)警模塊原理如圖3所示。

圖3 蜂鳴器報(bào)警模塊原理

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思想

在設(shè)計(jì)的過程中，由點(diǎn)及面，逐一實(shí)現(xiàn)臺(tái)燈的各個(gè)功能。將各個(gè)模塊的電路及程序設(shè)計(jì)完成，最終將所有模塊連接在一起進(jìn)行模塊間的整合與總體功能的調(diào)試。

3.2 程序設(shè)計(jì)及其思路

程序設(shè)計(jì)將系統(tǒng)分為4個(gè)部分，通過按鍵控制操作臺(tái)燈。操作者通過按鍵1，逐級(jí)增加系統(tǒng)層次，通過按鍵2確認(rèn)所選的層級(jí)，第二層系統(tǒng)為手動(dòng)控制功能，使用查表法，控制PWM波的占空比實(shí)現(xiàn)臺(tái)燈的開、關(guān)以及八級(jí)亮度調(diào)節(jié)。第三層系統(tǒng)為自動(dòng)控制功能，通過485總線測(cè)量的環(huán)境光照度，以及測(cè)距模塊測(cè)定的距離值，運(yùn)用算法實(shí)現(xiàn)亮度自適應(yīng)功能以及距離的提醒。第四層系統(tǒng)為參數(shù)設(shè)定功能，實(shí)現(xiàn)距離、時(shí)間、電流、電壓主要參數(shù)的設(shè)定以及顯示。系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)運(yùn)行流程

4 測(cè)試與結(jié)果分析

4.1 測(cè)試方案

（1）軟件仿真測(cè)試：通過軟件測(cè)試系統(tǒng)的執(zhí)行情況。

（2）軟件和硬件聯(lián)調(diào)[8]：通過編寫各模塊相關(guān)程序下載至單片機(jī)，并進(jìn)行在線調(diào)試，待程序執(zhí)行時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)中變量的執(zhí)行情況以及臺(tái)燈各項(xiàng)指標(biāo)變化，比如達(dá)到設(shè)定時(shí)間時(shí)是否會(huì)發(fā)出蜂鳴提示音，當(dāng)人體與臺(tái)燈距離小于設(shè)定值時(shí)是否會(huì)發(fā)出報(bào)警提示音等。

4.2 測(cè)試條件與儀器

測(cè)試條件：經(jīng)過多次測(cè)試，硬件電路與仿真電路等基本一致，幾乎沒有錯(cuò)誤發(fā)生，此外燈光調(diào)節(jié)與外部環(huán)境相協(xié)調(diào)，確保每次檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

測(cè)試儀器：GDS-3504數(shù)字示波器，UNI-T UT136B數(shù)字萬(wàn)用表，光亮測(cè)試儀。

4.3 測(cè)試結(jié)果及分析

經(jīng)過對(duì)臺(tái)燈的反復(fù)測(cè)試總結(jié)出以下幾部分?jǐn)?shù)據(jù)。

（1）調(diào)壓調(diào)光模塊測(cè)試：通過按鍵控制不同光亮度擋位，由STM32F103單片機(jī)輸出不同PWM波形控制可控硅模塊輸出不同電壓值[9-12]，使用GDS-3504示波器觀察并檢測(cè)波形變化，UNI-TUT136B數(shù)字萬(wàn)用表檢測(cè)可控硅輸出的電壓值，具體波形如圖5所示。

圖5 PWM輸出占空比為50%的波形

（2）超聲波測(cè)距模塊測(cè)試：通過在超聲波模塊正前方放置障礙物，對(duì)比測(cè)量值與實(shí)際值，在10～60 cm的距離內(nèi)，最大誤差為0.2%。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 超聲波測(cè)距模塊測(cè)量數(shù)據(jù)

（3）光照度傳感器模塊控制過程測(cè)試：將臺(tái)燈放置在不同亮度的環(huán)境下，測(cè)量光強(qiáng)度和臺(tái)燈電壓。發(fā)現(xiàn)當(dāng)光強(qiáng)度大于200 Lux時(shí)，臺(tái)燈全部熄滅，當(dāng)光強(qiáng)度小于200 Lux，并不斷變小時(shí)，臺(tái)燈亮度逐漸增加，當(dāng)光照度小于50 Lux時(shí)，臺(tái)燈全亮。

5 結(jié)束語(yǔ)

研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，臺(tái)燈在測(cè)試的整個(gè)過程中產(chǎn)生的誤差相對(duì)較小，經(jīng)過測(cè)試，臺(tái)燈也符合設(shè)定的要求。臺(tái)燈的設(shè)計(jì)以STM32F103為核心芯片，運(yùn)用坐姿矯正和自適應(yīng)調(diào)光的算法提供了一種有利于保護(hù)視力的單片機(jī)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)學(xué)習(xí)的安全距離，并隨外界光線的變化調(diào)整臺(tái)燈的亮度以保護(hù)視力。臺(tái)燈共有八級(jí)亮度調(diào)節(jié)，可以滿足不同環(huán)境下的亮度需要，同時(shí)在臺(tái)燈的使用過程中伴隨有語(yǔ)音提示，對(duì)用戶來說更加直觀和便捷。此外臺(tái)燈的成本相對(duì)較低，且具有較高的實(shí)用價(jià)值，相信未來一定會(huì)出現(xiàn)功能更加豐富、操作更加簡(jiǎn)便的多元化臺(tái)燈，可以不斷推廣到千家萬(wàn)戶中。