一种基于STM 32的多功能型台灯的设计

刘晓宇，陈越超

（长春师范大学，长春130032）

0 引言

随着时代的进步与发展，我国台灯的普及率很高，市场上的台灯种类也很多[1]，不论是上班族还是学生都会经历加班工作和学习，这使得人们对台灯功能的需求不单单局限于照明，而是对产品的质量和要求越来越高。现如今，全球视力水平急剧下降，眼部疾病越来越多，这与人们日常生活的不正确用眼有着极大的关联，比如工作学习坐姿不正确，用眼过度以及光照强度不合适等对眼睛都会造成极大地损害。与传统台灯相比，本设计主要可以实现台灯的自动调光，以及实时监测学习距离等功能。在手动控制模式下，可以满足一部分用户的喜好，该模式共分为八级亮度调节，可以通过手动按键调整自己适应的亮度。在自动控制模式下，该设计能够在保护视力的前提下，使台灯功能更加多元化，既帮助人们纠正不良坐姿问题，同时实现亮度的自适应功能，与外界环境相协调，确保人走灯灭，保证亮度的同时也达到了节能省电的功效，尽可能更好的利用资源。

1 设计原理

本系统以STM32F103单片机为基础，配合光照度传感器模块、测距模块、调压调光模块、蜂鸣器报警模块等。本系统可以实现手动控制和自动控制两种工作方式：手动控制工作时，可以通过控制增减按键实现台灯亮度的切换；自动控制工作时，系统可以根据环境中光照强度的变化实现台灯亮度自动调节。此外系统利用超声波传感器感知人与台灯的距离，当人姿势不正确、与台灯距离太近或者久坐时，系统会发出报警提示音。当人离开座位一段时间后，台灯会自动熄灭，当人回到座位后，台灯自动点亮。同时，系统通过TFTLCD模块实时显示当前时间、环境光照强度、台灯亮度等级、人与台灯距离、人工作时间等信息。通过这些功能不断丰富台灯具体应用框架，实现台灯的多样化。台灯的系统结构框架如图1所示。

图1 系统结构

2 硬件设计

2.1 单片机控制模块设计

方案一：Arduino系列。Arduino能通过不同的传感器来感知环境，可以控制灯光、电机和其他设备[2]。其中MEGA系列应用的主控制芯片性能高，针脚多，可以同时连接较多的外接硬件设备，但是在嵌入式开发等方面存在许多局限性。

方案二：STM32F103系列。对于STM32F103开发板[3]，具有接口丰富，可以方便的进行各种外设的实验和开发的优点，其次资源充足，主芯片采用自带的512K字节FLASH的STM32F103ZET6，满足大内存需求和大数据存储[4]，还包括休眠、停止和待机3种低功耗模式，提高了产品的应用灵活性，同时操作过程简单，能够处理模拟及数字信号。

通过对比论证分析，本模块选择方案二。该设计选择STM32F103单片机为主控模块，在自动调光模式下，STM32F103单片机读取光照度传感器，经过计算得到实际光照度，然后通过485芯片传输数据，实现亮度的自动调节；在调压调光模式下，通过单片机IO口输出PWM脉冲调节占空比去改变220 V交流电压从而达到调压调光的目的。同时STM32F103单片机能够极大限度的发挥台灯各个模块间的功能，并将其有机的结合起来，确保各个功能精确地运行和实现。

2.2 光照度传感器模块设计

方案一：GY-30。GY-30是一款通用的光照度传感器检测模块，不区分环境光源，具有接近于视觉灵敏度的分光特性，但是价格相对较高。

方案二：GY-485-44009。GY-485-44009是一款宽量程、高精度、应用较为简单的485总线光照度传感器模块，同时功率消耗低，体积小，安装较为方便。

通过对比论证分析，本模块选择方案二。GY-485-44009是一点对多点的通信接口，一般采用平衡发送和差分接收方式实现通信，光照度传感器模块通过485总线建立GY-485与单片机间的双向通信，实现亮度的自动调节。由于外界环境的变化对灯光强度的需求也会发生变化，台灯在保护视力及适应环境的前提下改变光的强度。

2.3 测距模块设计

方案一：激光。激光测距相对来说精度较高，但是激光需要考虑人体的安全问题，且激光制作的要求高，同时光学系统元件需要时刻保持整洁，否则会影响整体测量结果。

方案二：HC-SR04超声波。超声波测距离的原理是已知声速V=331.4+0.6t（t单位为摄氏度）m∕s，当超声波遇到障碍物时反射回来而进行测量[5]。超声波的振动频率相对较高，且具备束射特性，方向性强，能够定向传播。此外超声波耐脏污，即使传感器上有尘土也可以进行测量，即可以在较差的环境中使用。

通过对比论证分析，本模块采用方案二。测量时单片机系统先给发射电路提供脉冲信号，单片机计数器处于等待状态，当信号发射一段时间后，由单片机发出信号，使系统关闭发射信号，计数器开始计时，实现起始的同步。当接收信号的最后一个脉冲到来之后，计数器则停止计时。该模块主要目的是检测使用者的坐姿是否正确，当检测到人体距离桌面过远、过近时给予一定的声音提示。

2.4 调压调光模块设计

方案一：可控硅，又称晶闸管。可控硅在电路中可以完成交流电的无触点控制，大电流由小电流控制，开断无涌流，且速度快，可以控制过零开断。

方案二：继电器。继电器相较于可控硅技术相对成熟，但工作效率较低，触点容量大且寿命短，可维护性较差，无法用于精度高的开断控制电路中。

通过对比论证分析，本模块选择方案一。可控硅作为该部分的主要“承担者”，以STM32单片机为处理核心,经过对从电位器输入的AD数据进行处理得到脉冲宽度调制（PWM）调光的占空比[6]，通过单片机输出不同占空比的PWM信号继而控制可控硅改变灯的亮度，在一定程度上占空比与灯的亮度呈线性关系，改变PWM值使得通过台灯的平均电流发生改变。调压调光模块原理如图2所示。

图2 调压调光模块原理

2.5 蜂鸣器报警模块设计

该模块选择PNP型三极管来控制蜂鸣器的报警，三极管的集电极接电源，基极串接1 kΩ电阻后接单片机I∕O端口，发射极接蜂鸣器正极，蜂鸣器负极接地，蜂鸣器两端电压随基极输入电压的变化而发生改变。当基极输入高电平时，三极管截止，三极管的发射极为低电平，此时蜂鸣器里电流几乎为0，蜂鸣器不响；当基极输入低电平时，三极管导通，三极管的发射极为高电平，蜂鸣器有电流通过，发出声音。

该模块主要功能是在设定一定时间后，超过设定时间则发出久坐的报警提示，还可以在坐姿不正确或是距离过远、过近时发出报警提示音，提醒用户矫正坐姿、及时休息或是关闭台灯电源。电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场以驱动振动膜发声，由于单片机IO引脚输出电流较小，因此增加一个三极管放大驱动电路，从而使蜂鸣器发出声音[7]。蜂鸣器报警模块原理如图3所示。

图3 蜂鸣器报警模块原理

3 软件设计

3.1 设计思想

在设计的过程中，由点及面，逐一实现台灯的各个功能。将各个模块的电路及程序设计完成，最终将所有模块连接在一起进行模块间的整合与总体功能的调试。

3.2 程序设计及其思路

程序设计将系统分为4个部分，通过按键控制操作台灯。操作者通过按键1，逐级增加系统层次，通过按键2确认所选的层级，第二层系统为手动控制功能，使用查表法，控制PWM波的占空比实现台灯的开、关以及八级亮度调节。第三层系统为自动控制功能，通过485总线测量的环境光照度，以及测距模块测定的距离值，运用算法实现亮度自适应功能以及距离的提醒。第四层系统为参数设定功能，实现距离、时间、电流、电压主要参数的设定以及显示。系统运行流程如图4所示。

图4 系统运行流程

4 测试与结果分析

4.1 测试方案

（1）软件仿真测试：通过软件测试系统的执行情况。

（2）软件和硬件联调[8]：通过编写各模块相关程序下载至单片机，并进行在线调试，待程序执行时观测系统中变量的执行情况以及台灯各项指标变化，比如达到设定时间时是否会发出蜂鸣提示音，当人体与台灯距离小于设定值时是否会发出报警提示音等。

4.2 测试条件与仪器

测试条件：经过多次测试，硬件电路与仿真电路等基本一致，几乎没有错误发生，此外灯光调节与外部环境相协调，确保每次检测结果的准确性。

测试仪器：GDS-3504数字示波器，UNI-T UT136B数字万用表，光亮测试仪。

4.3 测试结果及分析

经过对台灯的反复测试总结出以下几部分数据。

（1）调压调光模块测试：通过按键控制不同光亮度挡位，由STM32F103单片机输出不同PWM波形控制可控硅模块输出不同电压值[9-12]，使用GDS-3504示波器观察并检测波形变化，UNI-TUT136B数字万用表检测可控硅输出的电压值，具体波形如图5所示。

图5 PWM输出占空比为50%的波形

（2）超声波测距模块测试：通过在超声波模块正前方放置障碍物，对比测量值与实际值，在10～60 cm的距离内，最大误差为0.2%。具体实验数据如表1所示。

表1 超声波测距模块测量数据

（3）光照度传感器模块控制过程测试：将台灯放置在不同亮度的环境下，测量光强度和台灯电压。发现当光强度大于200 Lux时，台灯全部熄灭，当光强度小于200 Lux，并不断变小时，台灯亮度逐渐增加，当光照度小于50 Lux时，台灯全亮。

5 结束语

研究结果发现，台灯在测试的整个过程中产生的误差相对较小，经过测试，台灯也符合设定的要求。台灯的设计以STM32F103为核心芯片，运用坐姿矫正和自适应调光的算法提供了一种有利于保护视力的单片机系统，能够实时监测学习的安全距离，并随外界光线的变化调整台灯的亮度以保护视力。台灯共有八级亮度调节，可以满足不同环境下的亮度需要，同时在台灯的使用过程中伴随有语音提示，对用户来说更加直观和便捷。此外台灯的成本相对较低，且具有较高的实用价值，相信未来一定会出现功能更加丰富、操作更加简便的多元化台灯，可以不断推广到千家万户中。