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基于STM32的智能台灯控制系统设计冯辉，任威，李若宇，李强（淮南师范学院 计算机学院，安徽 淮南 232038）摘要：针对普通台灯功能单一、灯光亮度无法调节、用户用眼疲劳以及坐姿不良等问题，设计并实现了基于STM32的智能台灯控制系统.该系统支持手动、自动两种控制模式，以STM32F103C8T6芯片为控制核心，通过按键、HGS01语音识别、JDY-32蓝牙、光敏电阻、HC-SR04超声波测距、蜂鸣器报警等模块，实现灯光自动调节、久坐提示、坐姿提醒等功能，且具备预防驼背和近视的优点，具有一定的应用价值.关键词：智能台灯；STM32；蓝牙；光敏电阻传感器；超声波传感器中图分类号：TM923.44 文献标志码：A文章编号：1673-3118（2024）02-0065-110引言根据国家卫生健康委员会的数据，2018 年我国青少年近视率为 53.6%，24 个省份近视率超过50.0%，并有逐年上升的趋势1.目前市面上的台灯普遍存在功能单一、灯光亮度无法调节等问题，另外，用户不良的坐姿以及长时间用眼也是导致近视发病率逐年提高的主要原因.因此，开发一款具有自动调节灯光亮度、自动检测用户坐姿并进行提醒、设定使用时长并进行提示等多功能台灯控制系统势在必行.目前，智能台灯研发是一个热门领域，吸引着众多学者进行研究，并取得丰硕成果.陶曾杰等2针对台灯的个性化和智能化，设计了一套基于蓝牙的多功能台灯控制系统.柴君夫3利用LED光源的特点和优势，结合单片机原理和应用技术，设计了一种学习型台灯系统.周韬等4利用非成像光学设计方法，设计了一种新型的基于LED光源的均匀光斑照明系统.在传统台灯的基础上，加入了智能护眼和学习姿态检测与矫正提醒功能.王聪等5提出使用51单片机作为主控制单元，选用红外检测、光敏检测、蓝牙通信、蜂鸣器和模数转换等模块，设计了一款具有节能、预防近视等功能的智能台灯.以上文献对本系统的设计具有借鉴意义，但是在不同应用场景下控制模式的切换问题却研究鲜少，因此，本文以STM32F103C8T6为控制芯片，结合光敏电阻传感器、超声波传感器、HGS01语音识别、蓝牙等模块，设计并实现了基于STM32的智能台灯控制系统.该系统可根据用户实际需求，提供手动和自动两种控制模式.经测试，系统实现了光照自动调节、坐姿提示、久坐提示等功能，满足预防近视和驼背的需求.因此，冯 辉，等：基于STM32的智能台灯控制系统设计收稿日期：2023-09-06作者简介：冯辉（1993），男，讲师，硕士，研究方向：物联网数据分析，建模技术；任威（1999），男，硕士研究生，研究方向：物联网应用技术.基金项目：安徽省教育厅自然科学研究重点项目（2022AH051579，2022AH051582，2022AH051576）；安徽省教育厅哲学社会科学研究重点项目（2023AH051520）；淮南市第八批50科技之星创新团队项目（623076）；淮南市科技局项目“基于贝叶斯网络的用户动态评价行为建模”；淮南师范学院质量工程重点项目（2022hsjyxm18）；国家级大学生创新创业训练计划项目（202210381026）.第 38 卷第 2 期2024 年 4 月白 城 师 范 学 院 学 报Journal of Baicheng Normal UniversityApr.Vol.382024No.2白城师范学院学报第38卷本系统是物联网技术在智能家居领域应用的一次有益尝试，具有一定的实用价值和商业潜力6.1系统硬件设计1.1系统硬件总体设计智能台灯控制系统由环境光照检测、人体接近检测、语音识别、按键控制、台灯控制、数据显示、蓝牙通信、报警提示功能模块组成，如图1所示.系统控制分为自动和手动两种模式，在自动模式下，光敏电阻传感器检测环境的光强，单片机的PWM根据环境光强自动调节台灯的亮度.当环境亮度超过开灯阈值时，则关闭台灯7；使用超声波传感器检测人与台灯的距离，当人体过于靠近台灯时，台灯感应到并发出警告信号，提醒用户注意纠正坐姿，防止近视.另外，系统可以让用户自行设定工作或学习时间，当达到设定的时间后，台灯会发出提醒，提示用户休息.在手动模式和语音模式下用户可以根据自身需要自行控制台灯的开关和亮度.图1系统总体框架图1.2主控电路设计STM32F103C8T6是新一代高速、低功耗、高度集成、抗干扰单片机.芯片内部使用的M3内核，能够同时处理32位宽度的数据.目前，该芯片被广泛应用于智慧农业、智能汽车、电子产品等领域，能够有效完成相关领域的控制要求8.此外，STM32F103C8T6单片机需要晶振电路和复位电路支持，因此，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所示.图2主控制器电路图1.3人体坐姿检测电路设计为了实现人体坐姿检测功能，系统使用HC-SR04超声波传感器完成人体与台灯之间的距离检测.若人体进入模块感应范围之内，则表明用户与台灯距离小于设定的阈值，引发蜂鸣器报警，达到坐姿检测目的.HC-SR04超声波传感器模块共有四个引脚，其中编号1口和编号4口是HC-SR04超声波传感器66冯 辉，等：基于STM32的智能台灯控制系统设计第2期模块的供电输入口，分别连接电源VCC和GND.编号2口TRIG是模块控制口，在需要通过HC-SR04超声波传感器模块进行测距时，此接口控制模块启动发出超声波信号，接口高电平为模块启动有效信号，连接到单片机的PA6进行控制.编号3口ECHO是HC-SR04模块从发出超声波信号到感应到超声波信号的脉冲宽度的输出口，安排单片机的PA7控制，人体坐姿检测电路如图3所示.1.4光照检测电路设计系统可以根据环境光照控制台灯，故需要对光敏电阻传感器电路进行设计.光敏电阻传感器输出的模拟量输入到比较器中，经过比较器输出光照强度的比较结果，可以直接得出光照强度是否超过某一阈值.光敏电阻传感器U3的1号接口和2号接口为电源输入口，分别连接电源VCC和GND，3号接口为数字量输出，4号接口为模拟量输入到主控单片机的PA1，光照检测电路如图4所示.图3人体坐姿检测电路图图4光照检测电路图1.5语音识别电路设计HGS01语音识别模块可以对用户语音命令进行识别，大约可识别150条语音命令.HGS01模块电路需要完成四条线束，其中编号2口和编号1口作为模块的供电输入口，分别和系统电源的GND和VCC连接.编号6和编号7分别对应主控串口的PA3和PA2连接，语音识别电路如图5所示.1.6显示电路设计为了方便用户读取相关数据，需要将相关参数可视化，因此，系统采用OLED显示屏用于数据显示.此款显示屏的分辨率为128128，可以清晰地显示出字符等信息.显示屏需要连接4个接口.首选是显示屏的供电输入，对应于接口1和接口2，接口1用于连接VCC，接口2用于连接GND.接口3在通信中负责时钟信号，主控选择PB12连接.接口4在通信中负责数据信号，主控选择PB13连接.显示电路如图6所示.图5语音识别电路图图6显示电路图1.7蓝牙通信电路设计系统可以通过JDY-32蓝牙模块连接手机对台灯进行控制，因此，需要确定蓝牙通信电路.接口2是67白城师范学院学报第38卷JDY-32蓝牙模块的数据收入口，主控选择串口数据发出口PB10连接.接口3是数据发出口，主控选择串口数据接收口PB11连接.为了保证JDY-32蓝牙模块的稳定性，模块对电源进行了稳定处理，确保蓝牙模块能够准确无误地传输数据，蓝牙通信电路如图7所示.1.8灯光控制电路设计智能台灯灯光控制电路如图8所示，为了保证台灯的亮度，设计了MOS管驱动电路.MOS管驱动模块U5的1号接口输入控制信号，连接到主控单片机的PB6，PB6输出PWM信号来控制台灯的亮度，并且可以通过输入PWM实现对台灯亮度的调节.2号接口连接电源GND，3号接口连接台灯LED1的负极，4号接口连接台灯LED1的正极，5号接口与6号接口连接台灯LED1驱动电源.图7蓝牙通信电路图图8灯光控制电路图1.9按键电路设计智能台灯可以通过按键来调节台灯亮度及切换系统运行模式.其中KEY1按键是控制台灯亮度开关，按键信号输入到主控单片机的PB7.KEY3按键用于控制台灯亮度减，按键信号输入到主控单片机的PB9.KEY2按键用于控制台灯亮度加，按键信号输入到主控单片机的PB8.KEY4按键用于选择系统的工作模式，即在手动和自动模式之间切换，按键信号输入到主控单片机的PB5，按键电路如图9所示.1.10报警提示电路设计当台灯检测到人体坐姿接近台灯或到达定时时间后，系统会控制蜂鸣器报警提示.在蜂鸣器和主控接口之间加入三极管作为驱动，主控单片机的PB14输出高电平后，三极管导通，蜂鸣器得到足够的电流发声报警.PB14输出低电平时，三极管断开，蜂鸣器失去电流停止发声报警，声光提示电路如图10所示.图9按键电路图图10声光提示电路图68冯 辉，等：基于STM32的智能台灯控制系统设计第2期2系统软件设计系统软件设计流程如图11所示，以总分的形式展开.首先，进入主程序并对各个功能模块进行初始化设置，具体包括光照检测、坐姿检测、显示、台灯控制等模块，以确定每个接口的电平信号是否正常，以免出现未知情况.其次，检测环境光照数据，并选择系统的运行模式.在手动模式下，通过按键控制台灯的发光亮度；在自动模式下，根据环境光照对台灯亮度进行自动调节.第三，如果用户坐姿不规范或者定时到达时，蜂鸣器进行报警提示.最后，在OLED显示屏上显示相应的控制数据.图11系统软件设计流程图2.1人体坐姿检测软件设计人体坐姿检测是本系统的特色，如1.3节所述，系统使用HC-SR04超声波传感器实现坐姿检测功能，因此，需要完成相应的软件设计.首先，超声波测距检测需要控制HC-SR04模块的两个引脚.当程序需要获取人体与台灯的距离时，通过单片机的PA6引脚控制TRIG引脚输出高电平，此时，模块收到高电平信号后开始输出超声波信号，并且会通过模块的ECHO引脚输出高电平到单片机的PA7引脚.其次，当超声波信号遇到障碍物反射回模块，模块感应到反射回的超声波信号后，模块的ECHO引脚输出低电平，通过单片机内部的定时器可以得到高电平的持续时间，即为超声波信号从发射到反射返回的时间.最后，将时间参数代入相应的公式中就可以计算出人体与台灯之间的距离，人体坐姿检测软件设计如图12所示.69白城师范学院学报第38卷2.2光照检测软件设计智能台灯可以根据环境光照来调节台灯亮度，所以，需要完成环境光照强度采集软件的设计.光照强度检测需要应用到主控单片机芯片内置的模数转换功能，只需要将模拟量输入到对应芯片的模数转换功能引脚，就可以采集到数据.模数转换模块具备多种模式，可以进行单次采集数据，也能够以一定的实际周期扫描采集数据，不需要主动去控制.在软件操作上需要先打开外设的时钟，接下来将模数转换功能映射到PA1引脚上，表示要使用PA1引脚上的模数转换功能.为了保证模数转换功能正常使用，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，光照检测软件设计如图13所示.图12人体坐姿检测软件设计流程图图13光照检测软件设计流程图2.3语音识别软件设计智能台灯可以实现语音识别控制台灯的亮度，因此，需要完成语音识别软件设计.语音识别功能需要主控来完成串口通信控制，串口的通信需要对传输速度、传输位数等信息进行配置，要确保主控芯片的串口传输参数和HGS01语音识别模块保持一致.按照HGS01语音识别模块的要求配置主控串口数据，等待HGS01语音识别模块识别语音指令后通过串口输出结果到主控芯片中，主控收到语音信息后执行相应操作，语音识别软件设计如图14所示.2.4显示模块软件设计智能台灯系统数据的显示需要对OLED显示屏进行控制，在硬件上使用IIC通信连接.IIC通信中一条是时钟线，另一条是数据线.数据线上的数据信号按照时钟线上的脉冲传输.在主控向OLED显示屏传输数据后，IIC通信会产生一个应答，表示OLED显示屏收到数据，接着进行下一步操作.在软件控制上包括两种数据，一种是设置数据，一种是显示内容数据.前期需要先对显示器做一些设置工作，比如要设置显示器的显示模式.而显示器的开和关设置、显示器的光标是否显示的设置、显示器的光标是否闪烁的设置，这些都可以根据系统功能需求进行设置，显示软件设计如图15所示.70冯 辉，等：基于STM32的智能台灯控制系统设计第2期图14语音识别软件设计流程图图15显示软件设计流程图2.5蓝牙通信软件设计智能台灯的蓝牙通信传输基于单片机串口，使用透传的方式将数据传输到手机APP.主要的数据传输流程是：首先单片机将需要发送的数据组包初始化，然后打开串口发送数据，最后完成发送，蓝牙通信软件设计如图16所示.2.6台灯控制软件设计台灯亮度控制是基于PWM波技术，需要使用单片机内部计数器来实现，因此，需要对单片机计数器进行操作，实现对PWM波占空比0到100%的调节.具体流程是打开单片机的定时器功能，设置好定时器的计时时间数据，便于定时器循环反复地执行定时功能.通过调整定时器定时数据来实现对PWM波占空比的调整，定时器启动后按照设置好的参数来输出特定的PWM波占空比脉冲，台灯控制软件设计流程如图17所示.图16蓝牙通信软件设计流程图图17台灯控制软件设计流程图71白城师范学院学报第38卷2.7按键软件设计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.另外独立按键软件设计的核心是消除按键抖动.为了消除按键抖动，需要在主控首次识别到有效的按键信号后，进行短暂的延时，这个延时用于过滤掉按键的抖动，保证按键的抖动过去后，主控再次判断按键信号是否有效.如果按键的信号仍然有效，则表示用户按下了按键，按键软件设计流程如图18所示.2.8报警提示软件设计智能台灯可以通过蜂鸣器发声提示用户坐姿不正确或者工作时间超时.当坐姿不规范或者定时时间到达时，主控芯片控制PB14引脚输出高电平，蜂鸣器电源接通后发声.当人体与台灯距离合适时或者定时时间没有到达时，主控芯片控制PB14引脚输出低电平，蜂鸣器电源断开停止发声，报警提示软件设计流程如图19所示.图18按键软件设计流程图图19报警提示软件设计流程图3系统测试与分析基于STM32的智能台灯控制原型系统及其调试场景如图20所示.3.1显示功能测试OLED 显示屏需要显示系统的相关参数，测试如图 21所示，此时显示屏第一行显示光照强度为36%，第二行显示为人体到台灯的距离为36 cm，第三行显示系统运行模式，当前为自动模式，第四行显示台灯定时时间数据.图20原型系统及调试场景图21显示功能测试图72冯 辉，等：基于STM32的智能台灯控制系统设计第2期3.2手动模式控制功能测试在手动模式下，可以通过按键开启和关闭台灯，如图22（a）和22（b）所示.另外，也可以通过按键调节台灯的亮度，如图22（c）和22（d）所示.（a）手动打开台灯（b）手动关闭台灯（c）手动提高亮度（d）手动降低亮度图22手动模式控制功能测试图3.3自动模式控制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，测试结果如图23所示.可以看到图23（a）环境光照较强，台灯自动降低灯光亮度.图23（b）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.（a）自动降低亮度（b）自动提高亮度图23自动模式控制功能测试图3.4蓝牙通信功能测试系统通过手机连接蓝牙后，可以在手机端控制台灯的开关和亮度.蓝牙控制开关和亮度测试结果如图24所示.3.5报警提示功能测试系统设定距离台灯低于30 cm和定时到达3 min时，进行报警提示.报警提示功能测试如图25所示.图25（a）显示此时人体距离台灯15 cm，蜂鸣器启动报警提示.图25（b）表明人体距离台灯大于30 cm，蜂鸣器停止报警提示.73白城师范学院学报第38卷（a）台灯打开（b）台灯关闭（c）台灯提高亮度（d）台灯降低亮度图24蓝牙通信功能测试图（a）报警提示功能测试1（b）报警提示功能测试2图25报警提示功能测试图4结语本文分析了智能台灯的研究背景和研究现状，并对各功能模块的软硬件进行分析，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，系统可在手动和自动模式下运行.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.在自动模式下，台灯可以根据环境亮度进行自我调节，并兼备坐姿提醒和久坐提示功能.经测试，系统各功能模块运行正常，用户操作方便，并且在一定程度上能预防近视和驼背，具有一定的实用和商业价值.当然，系统功能仍然有更多方面值得探索和完善.比如，系统控制的距离受限于蓝牙通信范围，后期可以考虑接入Wi-Fi的通信模块，实现系统的远程控制，使系统更加智能.参考文献：1中华人民共和国国家卫生健康委员会.关于政协十三届全国委员会第四次会议第4686号（医疗体育类586号）提案答复的函 EB/OL（2022-01-20）2023-05-12.http：/ J.吉首大学学报（自然科学版），2021，42（2）：56-60.74冯 辉，等：基于STM32的智能台灯控制系统设计第2期3柴君夫.基于STM32的LED智能学习型台灯系统的设计 D.秦皇岛：燕山大学，2017：4-6.4周韬，杨朋.基于非成像光学智能LED台灯的设计 J.怀化学院学报，2017，36（11）：57-61.5王聪，常新峰.基于51单片机的智能台灯的设计与实现 J.物联网技术，2022，12（6）：127-128.6袁博.基于STM32的语音控制与坐姿检测智能台灯原型系统 J.实验室研究与探索，2019，38（3）：56-60.7陈俊妍，刘秒秒.基于STM32的智能台灯系统设计 J.中国新通信，2022，24（15）：22-24.8华强商城.STM32F103C8T6开发板中文资料：引脚排列图及引脚功能配置，规格参数，原理图、应用及编程方式 EB/OL（2022-10-26）2023-05-12.https：/ of intelligent desk lamp control system based on STM32FENG Hui，REN Wei，LI Ruo-yu，LI Qiang（College of Computer Science，Huainan Normal University，Huainan 232038，China）Abstract：An intelligent desk lamp control system based on STM32 has been designed and implementedto address the issues of single function of ordinary desk lamps，inability to adjust light brightness，user eye fatigue，and poor sitting posture.The system supports both manual and automatic control modes，with theSTM32F103C8T6 chip as the control core.Through buttons，HGS01 voice recognition，JDY-32 Bluetooth，photosensitive resistor，HC-SR04 ultrasonic distance measurement，buzzer alarm and other modules，it achievesfunctions such as automatic light adjustment，long-term sitting reminder，sitting posture reminder，and has theadvantages of preventing hunchback and myopia，which a certain application value.Key words：intelligent desk lamp；STM32；Bluetooth；photoresistor sensor；ultrasonic sensor（责任编辑：许慧）75