楊安黔， 陳湘萍

（貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 貴陽(yáng)550025）

0 引 言

臺(tái)燈是人們學(xué)習(xí)生活的必需品，但是，現(xiàn)有燈具不僅功能單一，而且還嚴(yán)重浪費(fèi)資源。 據(jù)保守統(tǒng)計(jì)，照明已占我國(guó)總發(fā)電量的13%，而僅有不到5%的耗電真正用來(lái)照明；其次，近視眼人數(shù)逐年增加，據(jù)不完全估計(jì)，中國(guó)近視人數(shù)已超四億人，近視發(fā)病率一路飆升的很大部分原因就是因?yàn)槭褂门_(tái)燈方法不得當(dāng)。 人工作環(huán)境的亮度應(yīng)與臺(tái)燈的亮度相協(xié)調(diào)，不能太亮或是太暗，否則視力肯定受影響［1-4］；同時(shí)人長(zhǎng)期在臺(tái)燈下躬著身子學(xué)習(xí)工作，除了嚴(yán)重影響學(xué)習(xí)效率外，也會(huì)造成駝背和頸椎?。蛔詈?，雖然市場(chǎng)上出現(xiàn)的琳瑯滿目，但是大都價(jià)格昂貴且仍不能滿足人們對(duì)于燈具智能化的需求。

本設(shè)計(jì)的主題是采用STM32F103C8T6 單片機(jī)作為主控芯片，結(jié)合有關(guān)配件以及環(huán)境光感知模塊等外圍設(shè)備，隨著外部光強(qiáng)變化自動(dòng)控制臺(tái)燈亮度及通斷，改善了傳統(tǒng)臺(tái)燈在功能方面單一性的缺陷。所以在本款臺(tái)燈的設(shè)計(jì)過(guò)程中，增加了較多的功能性作用，比如定制時(shí)間，護(hù)眼，坐姿體型等方面［5］。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以STM32F103C8T6 單片機(jī)為核心控制器，選擇SIM900A 為短信收發(fā)模塊，進(jìn)行信息反饋和遠(yuǎn)程操作［6］。 通過(guò)紅外線功能可以探測(cè)出，在臺(tái)燈附近是否有人走過(guò)，實(shí)現(xiàn)了有人時(shí)可以調(diào)節(jié)燈亮，人走的時(shí)候可以調(diào)節(jié)燈滅的作用。 通過(guò)超聲波測(cè)儀器，可以發(fā)現(xiàn)使用臺(tái)燈人坐姿是否正確。 而通過(guò)環(huán)境光感系統(tǒng)，可以發(fā)現(xiàn)臺(tái)燈周圍的光線強(qiáng)度從而實(shí)現(xiàn)調(diào)整光線的作用。 通過(guò)通訊模塊等方面的配合，可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)遙控臺(tái)燈的功能，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 微控制器

以STM32F103C8T6 為核心配件，用來(lái)控制其它配件和有關(guān)器材的信號(hào)接收以及發(fā)送，從而根據(jù)現(xiàn)有情況，來(lái)調(diào)節(jié)臺(tái)燈的使用。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig. 1 System Block Diagram

STM32F103C8T6 單片機(jī)是32 位基于ARM 的CortexTM-M3 微控制器，且該核心芯片系統(tǒng)時(shí)鐘為72 MHz，為48 引腳LQFP 貼片封裝，具有64 KB Flash，不僅性價(jià)比高，功耗低且自帶的計(jì)數(shù)器可產(chǎn)生足夠的PWM 信號(hào)及用作觸控捕獲。 基于以上優(yōu)勢(shì)，結(jié)合現(xiàn)有情況，從而確定本論文研究選其為系統(tǒng)核心芯片。 該芯片中的原理路線圖如2 所示。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)Fig. 2 MCU minimum system

2.2 定時(shí)學(xué)習(xí)系統(tǒng)模塊

系統(tǒng)以DS1302 作為定時(shí)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的時(shí)鐘模塊。 其除了包含DALLAS 的充電時(shí)間芯片，還有其他一些輔助性功能。 如時(shí)鐘功能、日歷功能，而且也為芯片提供一定的脈沖［7］。 通過(guò)其串口可與微控制器通信。 在此設(shè)計(jì)中，DS1302 的2-3 引腳通過(guò)相關(guān)配件的契合為芯片提供一定時(shí)間的定時(shí)脈沖。 通過(guò)其控制系統(tǒng)，可以調(diào)節(jié)臺(tái)燈工作狀態(tài)，比如在高位電的時(shí)候可以使其停止工作，而在低電平期間，開(kāi)始調(diào)節(jié)其工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)模塊自動(dòng)計(jì)數(shù)功能。 其中5-7 引腳與芯片相銜接。 而在運(yùn)行過(guò)程中，主芯片也向DS1302 寫(xiě)入時(shí)間，并從DS1302 讀取當(dāng)時(shí)的時(shí)間，在第8 個(gè)引腳為芯片提供一定的電源方面的支撐，在外部停電情況下，臺(tái)燈芯片也可以進(jìn)行工作。工作原理圖如圖3 所示。

圖3 DS1302 的原理圖Fig. 3 Schematic of the DS1302

2.3 紅外傳感檢測(cè)模塊

該系統(tǒng)采用HC-SR501 紅外線作為調(diào)節(jié)臺(tái)燈開(kāi)關(guān)模塊。 紅外傳感模塊的傳感源部分由兩個(gè)串聯(lián)或并聯(lián)的熱電元件組成；由于傳感源中的熱電元件具有相反的極性，兩個(gè)熱電元件具有與環(huán)境背景輻射幾乎相同的效果，因此熱電效應(yīng)相互作用自動(dòng)抵消，使輸出信號(hào)為0。 因此，紅外模塊接收并發(fā)送檢測(cè)區(qū)域中人體輻射的10 μm 紅外波長(zhǎng)為弱電壓信號(hào)，弱電信號(hào)通過(guò)人體紅外模塊的功能放大，然后輸出可以由單片機(jī)識(shí)別和處理的信號(hào)。 由MCU 接收和處理的電子信號(hào)將根據(jù)系統(tǒng)要求輸出外圍硬件電路。 最終實(shí)現(xiàn)“人在燈亮、人走燈滅”的功能。

2.4 超聲測(cè)距模塊設(shè)計(jì)

本模塊采用HC-SRO4 超聲波測(cè)距模塊。 超聲波測(cè)距模塊一般有3 個(gè)部分：發(fā)射，接收和信號(hào)處理。 工作時(shí)，超聲波發(fā)射器只需有信號(hào)，便自動(dòng)發(fā)送方波，并開(kāi)始檢測(cè)；超聲波模塊主要用于矯正坐姿［8］。 通過(guò)超聲波測(cè)距功能提醒用戶在工作和學(xué)習(xí)期間保持正確的坐姿，一旦用戶的坐姿不對(duì)，臺(tái)燈就會(huì)發(fā)出警報(bào)，讓用戶養(yǎng)成良好的坐姿習(xí)慣。

2.5 環(huán)境光感知模塊設(shè)計(jì)［9］

在本研究模塊中主要采用的是光敏二極管進(jìn)行感知，其中存在較多的參數(shù)指標(biāo)如表1 所示。

2.6 蜂鳴器報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

在本模塊的設(shè)計(jì)中，主要采用的是TMB12A05的電池源蜂鳴器。 其具有耐高溫且環(huán)保的優(yōu)良特點(diǎn)，其主要的線路如圖4 所示。

圖4 蜂鳴器報(bào)警輸出電路Fig. 4 Buzzer Alarm Output Circuit

2.7 GSM 通訊模塊設(shè)計(jì)［10-11］

本設(shè)計(jì)采用以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的SIM900A 芯片為控制系統(tǒng)。 SIM900A 系統(tǒng)是一種工業(yè)用的模塊，它具有較多的優(yōu)良特點(diǎn)，其中包括實(shí)現(xiàn)SMS 傳真以及低功耗等功能。 而且，SIM900A 在工作期間，支持雙 頻 工 作，也 支 持1. 8／3V SIM 卡。 工 作 期 間SIM900A 的電壓曲線范圍在3.3 ～4.8 期間，瞬間電流可以達(dá)到2A 作業(yè)。 SIM900A 具有全功能UART，支持1 200～115 200 bps 的通信速率（具有自動(dòng)波特率檢測(cè)功能），并支持AT 命令集。 SIM900A 單元電路如圖5 所示。

圖5 SIM900A 單元電路Fig. 5 SIM900A unit circuit

2.8 LED 燈照明模塊設(shè)計(jì)

為了方便試驗(yàn)的有效性，在研究期間使用指示燈替換LED 的效果，主要路線如圖6 所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思想

在設(shè)計(jì)過(guò)程中主張的是以先分后總的思想來(lái)進(jìn)行模塊以及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 在具體運(yùn)行過(guò)程中分別測(cè)試不同的硬件模塊進(jìn)行程序調(diào)節(jié)，主要的結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖6 LED 燈照明輸出電路Fig. 6 LED Light Output Circuit

圖7 軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig. 7 The chart of software design

3.2 紅外傳感模塊

人來(lái)燈亮，人走燈滅功能由HC-SR501 型熱釋電人體紅外傳感器來(lái)完成信息收集，核心芯片控制完成。 其流程如圖8 所示。

3.3 超聲測(cè)距模塊

調(diào)整坐姿功能是通過(guò)HC-SRO4 超聲波測(cè)距模塊來(lái)完成信息采集，核心芯片控制完成。 其流程如圖9 所示。

3.4 GSM 通訊模塊［12］

GSM 模塊主要負(fù)責(zé)發(fā)送和接收短消息，并通過(guò)向單芯片的串行端口發(fā)送AT 命令來(lái)實(shí)現(xiàn)。 AT 命令集是GSM 模塊和嵌入式計(jì)算機(jī)之間的通信協(xié)議。指令的內(nèi)容均為ASCII 碼，接受的短信采用TEX 模式，而不是PDU 模式，這樣的短信相對(duì)簡(jiǎn)單，容易操作。 首先串口發(fā)送字符串“AT+CMGF ＝ 1＼r”給GSM 模塊，設(shè)置短信為T(mén)X 模式；然后發(fā)送“AT+CMGS ＝15761697691＼r”，設(shè)置收信方的手機(jī)號(hào)碼；將待發(fā)送短信的內(nèi)容發(fā)給GSM 模塊；最后，發(fā)送十六進(jìn)制0x1A（回車）確認(rèn)傳輸，以便最終通過(guò)GSM模塊實(shí)現(xiàn)告警通知用戶的功能。 其流程如圖10 所示。

圖8 紅外傳感流程圖Fig. 8 Infrared sensing flow chart

圖9 超聲測(cè)距流程圖Fig. 9 Ultrasonic ranging flowchart

圖10 短信通訊流程圖Fig. 10 SMS communication flow chart

3.5 總系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在臺(tái)燈的燈源控制方面則采用定時(shí)器控制，觸發(fā)的信號(hào)利用單片機(jī)的接口進(jìn)行控制。 在互聯(lián)網(wǎng)控制 方 面 采 用 SIM900A［13-14］， 軟 件 方 面 采 用STM32CubeMX［15］工具進(jìn)行開(kāi)發(fā)工作，利用Kei15 進(jìn)行程序編寫(xiě)。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 測(cè)試過(guò)程

該測(cè)試過(guò)程在環(huán)境良好的實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行。 在臺(tái)燈的通電過(guò)程中，每一個(gè)系統(tǒng)以及相關(guān)的模塊都會(huì)進(jìn)行初始化工作，這一個(gè)步驟主要是為了防止在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障。 在本設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了防止出現(xiàn)這一情況的發(fā)生，在臺(tái)燈接通電源的時(shí)間內(nèi)可以觸發(fā)故障按鈕。 如果這時(shí)候出現(xiàn)障礙，則會(huì)給臺(tái)燈主人發(fā)送信息提示。 主人回復(fù)短信，通過(guò)GSM 模塊傳遞給控制器，控制器讀取指令輸出的信息后發(fā)送相應(yīng)的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)燈的開(kāi)斷，從而達(dá)到了節(jié)能環(huán)保的功效。 上電后，當(dāng)人靠近臺(tái)燈時(shí)，臺(tái)燈會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟，并可根據(jù)周圍環(huán)境的亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)臺(tái)燈的亮度，可以在一定程度上保護(hù)臺(tái)燈主人的視力問(wèn)題，有效的防止近視的產(chǎn)生；在學(xué)習(xí)過(guò)程中如果臺(tái)燈主人靠近書(shū)桌太近，臺(tái)燈會(huì)發(fā)送警報(bào)狀態(tài)，來(lái)提醒臺(tái)燈主人的坐姿，防止駝背狀態(tài)。 此外，還可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)情況設(shè)定學(xué)習(xí)時(shí)間，時(shí)間一到，報(bào)警器就會(huì)發(fā)出聲響，提醒人休息的同時(shí)也提高了學(xué)習(xí)效率；當(dāng)人起身離開(kāi)臺(tái)燈20 s 后，臺(tái)燈就自動(dòng)斷電，達(dá)到節(jié)能效果。

4.2 系統(tǒng)測(cè)試效果

上電后程序開(kāi)始自動(dòng)化運(yùn)行，首先，臺(tái)燈通過(guò)感應(yīng)功能感應(yīng)到臺(tái)燈主人的使用，從而達(dá)到自動(dòng)亮燈的狀態(tài)，當(dāng)感應(yīng)不到人體的信息，延遲20 s 后，臺(tái)燈自動(dòng)熄滅；其次，智能臺(tái)燈根據(jù)當(dāng)前周圍環(huán)境自動(dòng)調(diào)節(jié)最合適的光強(qiáng)度。 由于在臺(tái)燈中安裝了距離測(cè)試，在人體靠近臺(tái)燈的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生警報(bào)；設(shè)定的學(xué)習(xí)時(shí)間一到，報(bào)警器也會(huì)發(fā)出聲響。 最后一步。 設(shè)置的故障按鈕，從而檢驗(yàn)臺(tái)燈是否有斷電功能，主人接到短信提醒，當(dāng)主人回復(fù)短信后，臺(tái)燈立即熄滅。

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)是采用STM32F103C8T6 單片機(jī)為核心的一款智能臺(tái)燈。 該臺(tái)燈在原有傳統(tǒng)的臺(tái)燈基礎(chǔ)上增加了許多功能性作用，既增加了臺(tái)燈的安全性，又增加了臺(tái)燈的節(jié)能性。 經(jīng)過(guò)各種實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明該款智能臺(tái)燈可以有效和準(zhǔn)確的識(shí)別各種指令，完全生活日常需求，適合推廣。