基于STM32的智能学习台灯设计

目 录

  

Abstract

1  绪论

1.1  研究的背景及意义

1.2  国内外研究现状及发展趋势

1.2  论文研究的主要内容及结构安排

2  总体设计方案

2.1  系统硬件总体设计

2.1.1  系统硬件总体设计

2.1.2  主控电路设计

2.1.3  单片机最小系统

2.2  红外传感器模块

2.3  亮度调节模块

2.4  灯光控制模块

2.5  LED显示模块

2.6  语音识别模块

3  系统软件设计

3.1  系统软件总体设计

3.2  红外传感器设计 17

3.3  光照检测软件设计 17

3.4  语音识别软件设计 17

3.5  显示屏软件设计 17

3.2 按键设计 17

第4章  系统测试

4.1  显示模块测试

4.2  手动模式测试

4.3  自动模式测试

4.4  语音模式测试

第5章  总结与展望

参考文献

附录A

致 谢

第1章  绪论

1.1  研究的背景及意义

通过引入先进的智能照明控制技术,我们的照明管理将更加高效和环保。这种技术将会让我们的家庭和办公空间更加舒适和清洁,并且通过调整亮暗程度来满足各种应急情况。这种技术的使用将为我们的生活带来更多的便利,并且还有助于提高我们的生活质量。通过引入智能化的控制系统,可以更好地利用自然光,并且可以根据需求进行多种照明模式的设置,从而大大缩短灯具的使用周期,降低能耗,提高使用体验,并且可以显著提升灯具的使用寿命。

中国人民政府非常重视环保和节约。1997年11月1日国家发布了《中国环保能源法》,环保一直是立法上的要求,是一个重大国策而已。智能灯光调节系统主要的好处在于省电和便利。简单不必多说了,来之则亮去之则灭,不必动脑,更主要的是能节省电能。节省电能还能环保。中国有70%的能量来源于火力发电机,而火力发电厂少发一次电(也就是说1千瓦时)会大大减少1千克的CO2排放量,而CO2是高温作用的罪魁凶手。智能节电灯光在节约电能的时候也维护了大自然,一举两得。我们通过此次设计可以根据当前光线自动调节灯光亮度,并且通过人体红外感应当前是否有人来实现灯光自动调节功能。通过按键设置自动手动模式,大大节约了资源,为人们灯光照明提供了可靠,稳定的设计方案。

     近年来,由于计算机科学、通讯和控制技术的飞速进步,智能建筑的发展取得了长足的进步。然而,目前大多数的智能住宅仍然面临着效率较低和能源消耗过大的问题。尤其是对于那些需要长时间亮起的住宅,无论它们的客厅还是卧室里都没有任何用电,而且每天都会被电源所驱使。如果没有适宜的环境条件,即使是最理想的自然光线,都无法实现完全的节约和舒适。因此,在没有充分的环境条件的情况下,就必须采取措施来节约能源,并确保人们的健康和安全。现代的灯光设备已经超越了仅仅为了满足日常需求而设置的功率,它们越来越关注于如何在保证舒适的前提下实现高效率的运行。近年来,随着电脑技术的普及,许多建筑物都开始采用电子设备来完成各种需要高清晰度的任务。为了实现更加高效、经济、环保的照明,我们必须使用最新的、最优质的科学技术,比如电光源、灯具、照明控制系统等。这样,我们才能根据不同的使用者的特点,实现智能化的照明,无论是自动还是手动,都是十分重要的。

1.2  国内外研究现状及发展趋势

19世纪末爱迪生碳丝白炽灯的发明带领人类发光温度高、能耗高寿命短、5%电能转换可见光;进入电气时代;1959年发明卤素灯,灯泡内卤素灯在汽车照明中应用广泛。注入惰性气体延长钨丝寿命。1938年研制出荧光灯,发光效率和寿命是白 60%电能通过低气压汞蒸气释放紫外光,激发荧光物炽灯的3倍以上;1974年飞利浦研制出红绿 质发出可见光,能效比高更节能;缺点在于汞污染蓝三色光的荧光粉。和光闪烁;常见应用于室内长条灯管。80年代末出现节能灯(紧凑型荧光灯),使体积更小频闪现象低,光效更高,寿命更长;缺点用电子镇流器启动,将交流电转直流电再转是光衰和显色性低,对视力有影响高须高压电,光源进入节能和电子化阶段。1996年,日本日亚化学公司推出了一种全新的LED技术,它以其小巧的体积、低耗能、长寿命以及不受汞污染的特点,开创了LED照明的新纪元。

随着技术不断的升级,我国也自主研发了相关领域的技术,比如微处理技术在国际上也有一定的竞争力。2009年,“电子信息产业调整重振计划大纲”被正式提出,其目标是把电子元器件的开发和制造放在优先位置。要想相关领域在国际竞争中争得一席之位,我们必须要努力学习提升自身的理论知识,提高业务技术水平,从而提升自主研发能力。预计在未来几年里,我国得电子制造业发展方向会主要是智能检测系统技术方向。目前,我国已经有公司引入了国外专家和先进的技术、设备,提升了自身理论知识和自主研发能力,减少中间环节,提升生产效率,激励着我国电子产业的长期发展。智能检测系统作为电子产业的发展趋势,国内许多研究机构投资的多条智能检测系统生产线也取得了不错的成果。随着蓝牙和手机等无线通信市场的快速发展,基于单片机的智能检测系统技术将成为通信产品的必然趋势,也将对中国的电子元器件产业产生巨大影响。

随着科技的进步,智能的照明控制技术已经引起了智能界的巨变。通过把收集的太阳能数据传递给电脑控制单元,再利用智能控制算法进行准确的计算和分析,可以实现智能控制,从而实现自主操控,并且可以有效地减少人工干预,从而满足当今时代追求资源优先利用的要求。

第2章  总体设计方案

2.1  系统硬件总体设计

2.1.1 系统硬件总体设计

智能台灯控制系统由光照检测,人体接近检测,语音识别,语音控制,按键切换手动控制或自动控制,LED灯光亮度及开关控制,LED数据显示,语音提示功能这些模块组成,如图2-1所示为系统总体框架图。

控制分为自动模式和手动模式,在自动模式下,光敏电阻检测环境的光照强度,还必须检测是否有人,单片机的PWM模块根据环境光强自动调节台灯的亮度,当光照非常强时,会自动熄灭,当10s内没有人时,台灯会自动关闭,led显示全屏会显示当前台灯的挡位和光照强度,还会显示是否有人。手动模式下,可以通过按键调节灯光强度,并且分为了三档。在语音模式下,必须先唤醒语音识别模块,可以进行挡位调节,也可语音控制切换手动或自动模式,10S内没有进行二级指令会自动关闭语音系统。

图2-1 系统总体框架图

2.1.2 主控电路设计

本设计使用STM32F103单片机芯片作为主控芯片,该芯片与传统的STC芯片相比具有更快的运算能力,使用性能更高,功耗更小的优点。

STM32F103采用了高效的ARM®COrtex™-M332架构,包含RISC内核,其最大工作速度高达72MHz,并配备了高速闪存(128K字节20K字节)、多功能的I/o设备及其链接至两条APB)的外围链路。这款仪器包含2个12位的ADC,3个普通的16位定时器还有1个PWM定时器,并且有着最新的、最高级别的接口技术,其中有2个I2C连接器、3个USART连接器、1个USB接口还有1个CAN连接器,为用户带来了更加便利的服务。这款具备高性能的增强型系统供应了2.0V至3.6V的可调节电源,并且可以在-40°C至+85°C的温度范围内使用,同时还供应了-40°C至+105°C的可调温度范围,以满足对于节能的需求。此外,STM32F103C8T6单片机需要晶振电路和复位电路支持,所以需要对单片机、晶振、复位部分进行设计,保证单片机的正常运行,主控制器电路如图2-2所示。

图2-2 主控制器电路图

2.1.3 单片机最小系统

如图2-3为单片机最小系统,其中BOOT表示的是启动方式,重启芯片时,SWCLK的第4个上升沿,BOOT引脚的值将被锁存。用户可以通过设置BOOT1和BOOT0引脚的状态,来选择在复位后的启动模式。

单片机VSS_3.3V  GND SWIO SWCLK 就是程序下载口,程序下载分为很多种方式,我们采用的是STLINK V2下载器进行烧录,下载器和单片机的引脚连接好后通过keil5 进行下载。上电复位,在上电瞬间,电容充电,RESET出现短暂的低电平,该低电平持续时间由电阻和电容共同决定,计算方式如下:t = 1.1RC(固定计算公式) 1.1*10K*0.1uF=1.1ms 需求的复位信号持续时间约在1ms左右。

手动复位:按键按下时,RESET和地导通,从而产生一个低电平,104是去耦电容。晶振电路:STM32最大时钟频率是72M,所以我们接入8M的晶振通过倍频后就可以得到72M 。陶瓷电容的作用:单片机晶振电路中两个电容(负载电容)的作用是把电能转换成其他形式的能。如果没这两个电容的话,振荡部分会因为没有回路而停振。也可以用来滤波校准波形。电路正常工作了陶瓷电容的范围是20PF到30pf。

ADC0832 为8位分辨率A/D转换芯片,是美国国家半导体公司生产的一种双通道A/D转换芯片。它体积小,兼容性好,性价比高,其最高分辨可达256级,可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用,使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。芯片转换时间仅为32μS,具有双数据输出可作为数据校验,以减少数据误差,转换速度快且稳定性能强。

独立的芯片使能输入,使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI 数据输入端,可以轻易的实现通道功能的选择。

图2-3 单片机最小系统

2.2  红外传感器模块

根据图2-3,本控制系统采用了HC-SR501人体红外传感器,其具备极佳的灵敏度,使得它具备良好的实际应用价值。传感器的探头由LH1778组成,能够同步监控人类的行动,从而提供准确的信息。此外,传感器还具备两种不同的电平,即在接收到人体接触或者脱离传感器的信号后,会发射一个较小的电平。通过将传感器设定在较高的电压,我们能够轻松地将其与蜂鸣器或其他安全设备相联系。

图2-3 人体红外传感器电路图

2.3  亮度调节模块

 根据图2-4,我们发现了一种新型的光照传感器电路。该电路使用了一种名叫光敏电阻的元件,它能够监控台灯外部的光源,并通过电位器进行精确的控制。此外,我们还使用了一种名叫LM393的电子比较器,它的电源电压范围为3.3~5V。D0口可以提供两种不同的电压,一种是模拟电压,另一种则是数字电压。由于D0口可以捕捉外部环境中的光源,将其变换成电信号,然后传输至单片机,以便进行处理。在外部环境中,如果光源较弱,D0口就会提供高电平;相比光源较弱,D0口就会提供低电平。

图2-4 光照传感器电路图

2.4  灯光控制电路设计

智能台灯灯光控制电路图如图2-5所示,为了保证台灯的亮度,设定了四个挡位,按键分别连接到主控单片机的B12,13,14,15接口,LED连接到B8,可以根据手动模式和自动模式进行挡位调整控制灯光亮度。

图2-5 灯光控制电路图

2.5  显示模块设计

根据图2-6,LCD1602液晶显示器具有出色的性能,其中包括两行双行的高清晰度,十六个符号、字母和数字,完美地完成了各种复杂的任务。此外,该产品还具有轻便、高能量、出色的视觉表现等优点,使其成为当今市场上最受欢迎的液晶显示设备之一。LCD1602具备了高性能的功能,能够承受3.5V~5V的高频率的输入。此外,其内置的复位电路还支持快速移动和清除图像。此外,lcd1602还具备了自适应的亮度调整功能,并且配备了一个大容量的存储卡。LCD 1602拥有16个引脚,用于实现LCD1602的远距离传输和操作,而LCD1602则需要先发出一个模块的忙信号,即RS和RW,然后再根据这个信息,将lcd的数据转换成预定的格式,最后再根据预定的格式,将lcd的数据转换成预定的格式,从而实现lcd的远距离传输和操作。

图2-6 显示屏电路图

LCD 1602有16个引脚,它的引脚介绍如下:

引脚号

引脚名称

引脚功能

1

GND

电源接地端

2

VCC

5V电源正极

3

VL

调节显示器对比度

4

RS

寄存器选择端

5

RW

读写信号线

6

E

使能端口

7~14

D0~D7

双向数据端口

15

BL+

背光正极

16

BL-

背光负极

表2-1  LCD1602引脚介绍

2.6  语音识别电路

如图2-7为语音识别模块电路图,LD3322语音识别模块可以对用户语音命令进行识别,19.20接口连接声音采集器,spk+,spk-,连接喇叭模块,14接口连接单片机主控TXD。

图2-7 语音识别电路

3章  系统软件设计

3.1  系统软件总体设计

系统软件设计流程如图3-1所示,首先,对STM32进行引脚配置,对光敏采集到的数据进行AD模数转换,对LD3322串口进行初始化,然后LCD液晶显示屏显示当前系统信息,系统判断当前为哪种模式,手动模式时,识别语音指令,根据语音指令进行灯光亮度调整,液晶显示屏显示当前亮度值;如果直接手动调整灯光亮度,显示屏也将显示当前系统状态;自动模式状态下,如果检测到有人将检测光线亮度,光线暗时,将调节灯光亮度,如果环境光高亮时,将关闭灯光,液晶屏也将同步显示系统信息。

图3-1 系统软件设计流程图

3.2  红外传感器设计

通常,采用热释电传感器的红外传感器具备一块特殊的滤光片,它可以将人体发出的1- 14μm之外的红外信号过滤掉,从而大大提升其耐受性和精确性。此外,为了进一步改善传感器的精确性,还需在其上安装菲涅尔透镜。当人体红外感应到有人后,会输出高电平。此时三极管导通。输出高电平给单片机,如图3-2为传感器工作流程图。

图3-2为传感器工作流程图

3.3  光照检测软件设计

智能台灯根据环境光照来调节台灯亮度,因此需要采集环境光照强度计,光照强度检测需要应用到stm32单片机芯片内置的模数转换功能,通过单片机内部AD进行模数转换,B0和B1是一样的。因为STM32单片机内部有2个ad引脚,所以接哪一个都是可以的,加电位器是可以进行校准当前光照值,比如当前光照强度是50%,调节为60%我们就可以选择电位器进行校准,将模拟量输入到对应芯片的模数转换功能引脚,模数转换模块可以进行单次采集数据,同时也可以以一定的周期扫描采集数据,不需要主动控制。为了保证能够正常进行模数转换,需要先对模数转换功能的所有寄存器进行复位处理,在需要的时候获取数据即可,光照检测软件原理如图3-3所示。

图3-3 光照检测工作流程

3.4  语音识别软件设计

语音识别模块用的是串口通信方式,波特率配置的是9600,所以程序中uart_init(9600);是串口初始化波特率9600。模块识别到不同语音指令会通过串口发送不同的指令给单片机,所以单片机只要在串口中断判断模块发送过来的指令数据来做出相应的控制。LD3322在使用的时候首先我们要登陆此模块官方入口,配置指令,然后开始注册账号创建文件等一系列流程如下图3-4所示

图3-4 语音控制模块配置流程图

void uart_Isr(void) interrupt 4为串口中断函数

if(RI)

{

RI = 0;

command = SBUF; //读取SBUF里面的内容

switch(command)

{

case(0x02): LED = 1;    break; //关灯

case(0x03): RELAY1 = 0; break; //一档

case(0x04): RELAY1 = 1; break; //二档

case(0x05): RELAY2 = 0; break; //三档

}

if(Sten == 0)

{

displayState();//显示状态

}

}

如果RI为1,说明单片机串口接收到数据,语音识别模块发送的数据会存在单片机SBUF里面,在中断函数里面读取SBUF里面的内容即可,读出来是0x01说明模块识别到开灯指令,0x02就是关灯指令,以此类推。然后再调用displayState();函数。下图3-5为语音控制流程图。

图3-5 语音识别模块工作流程图

3.5 显示屏软件设计

LCD 1602有16个引脚,其中RS、RW的值控制单片机对它的读写:

   表3-1  LCD工作状态介绍

RS

RW

操作命令

0

0

写入指令寄存器(清清屏等)

0

1

读busy(DB7),以及读取位址计数器 (DB0—DB6) 的值

1

0

写入数据寄存器(显示各字符等)

1

1

从数据寄存器读取数据

LCD1602液晶显示器需要先发出一个忙信号,以便执行程序指令。当忙信号的电平较低时,LCD1602才会正常工作。此外,为了能够正确显示字符,lcd1602还需要输入其实际的RAM地址。该系统的控制寄存器具有11条可执行的指令,包括清除屏幕上的杂物、调整光标位置,其显示程序流程图3-6所示。

图3-6 显示程序流程图

3.6 按键软件设计

如图3-6所示为按键流程图,系统按键使用的是独立按键,在对按键进行软件设计时,需要完成按键的扫描.,系统判断是否按下按键,进入对应函数,执行函数功能。

图3-6 按键工作流程图

4章  系统测试与分析

4.1  显示功能测试

   如图4-1所示为显示系统的相关参数,屏幕当前光照强度,系统前是否有人,光照等级,自动或手动模式。

图4-1显示系统的相关参数

4.2  自动模式功能测试

在自动模式下,系统可根据环境光强自动控制台灯亮度,可以看到图4-2,环境光照较强,台灯自动降低灯光亮度,直至熄灭;图4-3显示用手遮住了光敏电阻,光敏电阻检测光照变暗,台灯自动提高灯光亮度。

图4-2 自动降低亮度

图4-3 自动提高亮度

4.3  手动模式功能测试

  手动模式下,可以通过按键开启和关闭台灯,如图4-4和4-5所示 .另外,也可以通过按键调节台灯的亮度,如图4-6和4-7所示.

图4-4 开启台灯  图4-5 关闭台灯

图4-6 手动提高亮度  图4-7 手动降低亮度

4.5  语音功能测试

语音模式下,可以通过语音开启和关闭台灯,如图4-8和4-9所示 .另外,也可以通过语音调节台灯的亮度,如图4-10和4-11所示.

图4-8开启台灯  图4-9 关闭台灯

图4-10 手动提高亮度  图4-11 手动降低亮度

第5章  结论与展望

5.1  结论展望

本文分析了首先智能台灯的研究背景和研究现状,对各功能模块的软硬件需求进行分析,最终设计并实现了基于STM32的智能台灯控制系统,根据用户的实际需求,此系统可在手动模式,自动模式,语音模式下运行;在手动模式下,用户可以通过按键自行控制台灯的开关和亮度.通过设计智能台灯,不仅可以根据环境亮度进行调节,而且在语音模式下也可以实现控制,并且各功能模块的功能都非常强大,操作简单方便。为了确保智能控制系统的性能,我们对各个模块进行了工作搭建,并且仔细研究了各个模块的器件选择和工艺流程,同时还设计了A/D转换电路,经过仿真分析,我们发现该系统符合预期,具有较高的市场价值。在很大程度上能预防近视,具有一定的实用和商业价值,系统功能仍然有更多方面值得探索和完善。

参考文献

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