基于STM32的智能台灯系统设计

陈俊妍 刘秒秒

摘要：随着智能化家居的不断发展，一些传统家电的问题也越来越突出。本文所设计基于STM32的智能台灯系统，不仅解决了传统台灯亮度调节不便，还解决了不能根据外界环境及时调整亮度的问题。本文设计采用了STM32为核心控制器，人体红外传感器、超声波传感器和数字光照强度模块作为检测元件，实现了两种模式的控制：自动模式和手动模式，用户可以在两种模式之间自由切换。自动模式是根据环境亮度实施自我亮度调节，而手动模式下用户通过不同手势手动调节台灯亮灭。两种模式控制下，智能台灯的使用更加方便，不仅有效地节省了电能，还能通过自动开关灯来为人们解决黑暗中摸灯的困扰和安全隐患。

关键词：STM32、人体红外传感器、超声波传感器和数字光照强度模块。

一、引言

随着社会的发展，移动互联技术不断进步，智能化家居产品也逐步进入到消费者的视野中。随着LED灯光科技、电源技术的蓬勃发展，城市照明将顺应技术的发展趋势逐步迈向现代化。[1]通过人们对生活品质要求的不断提高，人们对于家居照明的需求也从单纯的照明等基础功能上升到更高的要求。在日常忙碌過后，智能化台灯能给人们提供最贴心化的服务，让人们能够调整状态迎接新的一天。目前，智能化灯具在拥有传统灯具强调的质量的同时，还要使人们使用得更加便利安全。智能化台灯的优势在于节约电能，通过自动开关灯来为人们解决黑暗中摸灯的困扰和安全隐患。[2-4]传统照明灯具与之相比毫无优势可言，所以智能化照明灯具具有非常可观的市场潜力，它的出现与普及是未来发展的必然趋势。

本设计使用了单片机STM32F407VET6作为核心控制器，以人体红外传感器HC-SR501和超声波传感器HC-SR04作为测量元器件，LED作为执行部件。智能台灯分为自动模式和手动模式，使用者能够在二个模式间随意转换。自动模式是根据环境亮度实施自我亮度调节，环境越暗台灯越亮，环境越亮台灯越暗。而手动模式下用户通过不同手势手动调节台灯亮灭。智能化灯具在保证了传统灯具所强调的品质同时，还能让人们的使用更加方便。智能化台灯的优势在于不仅节省了电能，还能通过自动开关灯来为人们解决黑暗中摸灯的困扰和安全隐患。本设计中的智能台灯电源电压不到10V远低于36V，完全符合人体安全电压，纵然是接通电源直接对台灯进行检修也不会对人体造成伤害。台灯采用新一代节能LED灯作为光源，在节约电能的同时长期使用也不用担心影响视力[5]。

二、设计方案

本文所设计智能台灯的主要研究方向在于其明暗和亮度的自动控制模式，因此本课题所设计的智能台灯系统主要完成两种功能：自动亮度控制模式和手动亮度控制模式。两种模式的设计不仅能够完成智能台灯的无线控制和智能识别功能，还能够满足用户传统手动控制模式的需求。首先进行需求分析，智能台灯系统的主要功能为：当台灯接通电源并且处于开机状态时，经过短暂的初始化后台灯默认进入自动模式。此时如果光照强度符合条件并且人体能够被台灯检测到，则台灯以一定亮度亮灯。如果切换到手动模式，在超声波的阈值以内检测到人的手势，台灯亮灯。在一定时间内，台灯如果再次检测到手势，台灯灭灯。

本设计同时具备了二个工作状态，自动模式工作状态和手动模式工作状态，其中自动亮度控制模式状态主要利用红外传感器检测人体红外辐射来实现，手动亮度调节模式状态主要利用超声波传感器测距功能，感应人体是否仍然在灯前来实现。通过红外传感器可以检测人体所存在的红外热辐射，而热辐射的强弱也由外部环境和人灯之间距离等因素共同控制。因为若在红外线传感器感应区域内，人体红外线照射量较多，或说明此时外部环境较明亮，或人灯距离较近等，此时可关闭灯光。若在红外线传感器的感应区域外，对人体红外线照射较弱，或说明此时外部环境较暗，或人灯距离较远等，此时可打开灯光。另外人灯距离的检测结合程序设计，能够实现报警功能，若距离过近，则警告使用者对其坐姿进行矫正。手动模式主要通过超声波传感器的测距功能实现，超声波传感器的高稳定性也增加了增提设计的可靠性。另外在程序设计过程中增加定时功能，如若规定时间内人还停留在桌面前则自动关闭照明，以此提醒其预防双眼的过度使用和疲劳，结合自动模式更能够完成预防近视的效果。

该系统由以下五大模块组成：单片机控制器、超声波测距模块、人体红外线检测模块、供电模组和LED驱动器模块等构成。图1为系统总体框图。该系列单片机选择STM32为核心控制器，采用人体红外传感器选择HC-SR501，超声波传感器选择HC-SR04作为距离检测元件，光照传感器选择BH1750FVI作为光强检测元件，LED作为执行部件，通过编程完成对台灯的智能调控。用户可自行选择自动或手动两种方式来运行。

三、硬件设计

本设计主要是基于STM32F407作为主控芯片，对台灯和各个传感器进行控制。智能台灯一般可分成自动和手动两个模块。在自动状态下，台灯可以根据当前环境光的亮度和暗度，以及是否有人在桌灯下自动开关桌面台灯灯光。当系统检测到人，以及周围灯光超过一定强度后，台灯将会启动。如果环境光没有达到这个水平，灯将不会打开。当人没被检测到的时候，无论多暗，灯也不会亮。手动模式是为那些不习惯自动模式或紧急情况下，如传感器检测故障等而准备。在手动模式下，智能台灯与一般台灯的作用和使用方法相同，台灯开关采用超声波量程传感器代替了传统的按钮开关或触摸开关。智能台灯亮度调节系统设计主要包括两个部分，自动模式电路设计和手动模式电路设计。自动模式电路设计主要利用红外传感器，感应人体热辐射的功能。手动模式电路设计主要才有用超声波传感器的测距功能实现。因此本节主要介绍一下两种模式下的四个模块：主控模块、超声波模块、人体红外传感器模块、数字光强模块等。

（一）主控模块

主控模块主要完成两部分硬件设计：单片机最小系统的总体电路设计和电源模组总体电路设计。本文所设计电路中，单片机主控芯片选择了STM32F407VET6。STM32F407VET6是ST（STMicroelectronics）公司开发的高性能单片机。自适应实时加速器完全解锁cortex-m4内核的性能。 STM32的最小控制系统一般有以下四个部分组成：时钟源集成电路、BOOT启动集成电路、测试接口电路、复位集成电路。[6]另外，本系统采用双电源供电模式，可以用5V开关电源或者5V的USB进行供电;也可以用四节1.5V的5号电池组成的6V电池组进行供电。两种供电方案用户可以自选。图2为稳压电源电路图。其中包括5V稳压和3.3V稳压两种，为设计中所有硬件电路供电。

（二）自动模式

基于STM32的智能台灯自动模式采用人体红外传感器模块和数字光强模块相结合来实现。通过人体红外传感器模块来检测附近是否有人接近，通过数字光强模块来检测附近光强变化，从而判断是否打开LED灯进行照明。人体红外线传感器模块HC-SR50，是应用了红外技术的启动控制器模块，它使用了LH788探测器设计，具备了敏感度高、稳定性强、低电流工作稳定的优势。其产品的主要注意事项为：1.感应模组连接后，初始化约需时一分秒以内。在此期间，模组每一分秒提供零到三次，约一分秒后加入待机状态。2.模块表面上的透镜应尽可能避开光和任何扰动源，以预防因传入的扰动信息而引起误动作。并且应用周围环境中要尽量避免强风的流动，因为强风也会阻碍工作传感器。HC-SR501的接线方式简单，采用三线制接线，除了电源与地线脚外只有一个输出的引脚接到单片机的IO口上，单片机通過检测IO口的高低来判断附近是否有人。[7]本设备的数字光照强度模块为GY-30，它是一种内置ROHM-BH1750FLV器件的数字光照强度模块，进行环境光照强采集，并作为与RC总线连接的数字环境光感应器。

（三）手动模式

本产品设计中使用了HC-SR04超声波测距模块，其测量距离达到2cm～450cm。HC-SR04 超声波测距模块是非接触式的元件，检测距离准确度可以高到3mm;模组包括超声波发射机、接收器和检测电路等。如图3接线，VCC供5V电源，GND为接地线，TRIG触发控制信号输入，ECHO回响信号输出等4个连接端[8]。

超声波测距测量人体与台灯之间的距离是这款智能台灯的另一个核心功能。图3是超声波测距模块电路图。该设计采用了HC-SR04超声波测距模块。先给模块通电，然后再给脉冲触发管脚（TRIG）输入一个周期为20us的方波信号。输入方波后，系统会自动发出8个40KHz的声波。同时，回声引脚（echo）末尾的水平将从0变为1（此时应该启动计时器）。当模块接收到回来的超声时，回波引脚的电平将从1变为0（此时计时器停止计数）。最后定时器记录的时间，就是超声波从发送到回收的累计时间，以便算出检测到的距离。

四、软件设计

本设计的代码部分主要包含两个部分：自动亮度控制部分和手动亮度控制部分。图4（a）为本系统的自动模式程序流程图，图4（b）为本系统的手动模式程序流程图。从图4中可看出系统代码的主要步骤，首先对所有模块的部分参数进行了初始化。然后确定当前是自动模式还是手动模式，可以通过按键完成两个模式的切换。若在自动模式下就执行自动模式的逻辑代码，如果人体红外传感器被触发同时光照传感器检测到环境光达到阈值，数字光强模块根据环境亮度调节台灯亮度。环境越暗LED亮度越强。若上述两个条件其中一个不满足条件，LED台灯自动关闭[9]。在手动模式下的代码实际上就是超声波传感器对目标距离不断采集的工作过程，若目标进入传感器检测范围则灯亮，反之则灯灭。

五、结束语

随着科技的发展，智能化家居产品也在逐渐影响我们的生活。本文中所设计基于STM32的智能台灯系统，采用了单片机STM32F407VET6作为核心控制器，以及人体的红外线感应器HC-SR501、超声波传感器HC-SR04和数字光照强度模块GY-30作为检测元件。智能台灯控制系统共有两个模式：自动模式和手动模式，用户可以在两种模式之间自由切换。自动模式是根据环境亮度实施自我亮度调节，而手动模式下用户通过不同手势手动调节台灯亮灭。两种模式控制下，智能台灯的使用更加方便，不仅有效地节省了电能，还能通过自动开关灯来为人们解决黑暗中摸灯的困扰和安全隐患。

作者单位：陈俊妍    刘秒秒    湖北汽车工业学院机械工程学院

参  考  文  献

[1]李萍.基于STC89C52单片机的多功能智能台灯设计[J].电脑知识与技术，2020，16（18）：198-199.

[2]高影.智能台灯控制系统设计[J].长江信息通信，2022，35（03）：143-147.

[3]李昆仑，周峰，徐鹏程，刘兵.基于STC15单片机智能台灯控制系统设计[J].电子制作，2021（18）：38-39+42.

[4]徐全林.基于蓝牙控制的智能台灯系统设计[J].科技创新与应用，2017（09）：57-58.

[5]卢日升，杨静娴.智能台灯控制系统设计[J].科技创新导报，2017，14（04）：85+87.

[6]刘火良.STM32库开发实战指南（第2版）[M].机械工业出版社，2017

[7]孟祥忠，宋保业，许琳.热释电红外传感器及其典型应用[J].仪器仪表用户，2007（04）：42-43.

[8]王虎，杨启正，李约朋.基于超声波测距的汽车倒车防撞报警系统设计[J].时代汽车，2019（21）：44-45.

[9]宋汝洋.台灯亮度自动调节电路的设计[J].中国新通信，2017，19（16）：82.