多功能智能台灯设计

何枫，刘闵，杨凤年

（1.中信建筑设计研究总院有限公司，湖北武汉，430014；2.长沙学院计算机科学与工程学院，湖南长沙，410022）

0 引言

近年来，青少年的近视眼发病率逐年上升，近视眼患者低龄化、重度化的趋势越来越明显。影响视力的重要因素之一是用眼环境光线，适宜的光源、正确的坐姿，都是保护视力的必要条件。虽然当前市场上智能台灯不少，但是其功能和性能尚无法满足用户的智能化需求，设计一款具备灯光颜色可调、监督坐姿、人体感应控制、语音控制、智能手机APP 遥控等功能的智能台灯，满足人们日常工作、学习和休闲时的照明需求，改善人们的视光环境非常必要。

1 总体方案设计

本文设计的多功能智能台灯，采用可充电的锂电池供电，含Mini USВ 接口。它有三种工作模式：手动模式、常规模式和休闲模式，常规模式是默认工作模式，用户通过触摸按键切换工作模式。常规模式是全功能模式，具有坐姿检测、OLED 显示温度湿度和工作模式、语音识别、语音播报、手机APP 遥控、人体红外感应和照明亮度和颜色控制等功能；休息模式属于节能模式，在该模式下坐姿检测模块、OLED 显示模块、语音模块、蓝牙模块停止工作，仅人体感应模块和照明亮度控制模块启动，实现人来灯亮，人离开后延时灯灭或转换成小夜灯工作状态，以实现节能降耗。手动模式也属于节能模式，一般在无交流电供应的环境下使用，在该模式下坐姿检测模块、语音模块、蓝牙模块和人体红外感应模块都不启动，最大限度降低能耗。

2 硬件设计

系统采用STM32F103C8T6 作为主控单片机，加上蓝牙模块HC-05、语音模块、超声波模块HC-SR04、0.96英寸OLED 模块、野火人体红外感应模块、温湿度传感器DHT11 和含锂电池的电源等硬件电路，实现了台灯在常规模式下的智能手机APP 遥控和语音控制，还具有坐姿检测、温度湿度和工作方式的OLED 显示、语音播报等功能；休息模式下，仅提供人体红外感应开关等功能。语音模块和蓝牙模块分别通过USART2 和USART3 与MCU 连接，其他功能模块则通过GPIO与MCU相连。系统硬件架构如图1所示。

图1 智能台灯控制系统的硬件架构

■2.1 单片机核心板

单片机核心板是系统的中央控制模块，实物见图2，与其他外围模块连接，组成智能台灯控制系统。核心板采用STM32F103C8T6 单片机作为MCU，该单片机是基于ARM Cortex-M3 内核的STM32 系列32 位微控制器，主频为72MHz，有37 个GPIO 引脚，含4 个16 位定时/计数器、3 个USART、12 位模数转换器等，其程序存储器为64KВ FLASH，RAM 大小为20KВ，工作电压为2～3.6V。

图2 单片机核心板实物

■2.2 语音模块

语音模块的主要功能是语音识别和语音播报，其核心NRK3301 是32 位高性能AI 智能离线语音识别芯片，具有识别精准、远场降噪的特点，最多可支持100 条离线指令，实物见图3。模块连接喇叭和咪头后，将其串口UART 的PВ9（UART 的TX）和PВ10（UART 的RX）引脚分别连接到STM32 单片机核心板的串口USART2 的引脚A3 和A2（A3为USART2 的RX，A2 为USART2 的TX，引脚分布如图2所示），即可实现与主控单片机STM32 的信息交互。模块串口默认配置参数：波特率=9600bps，校验位=None，数据位=8 位，停止位=1 位。

图3 语音模块实物正面（左）和反面（右）

语音识别。NRK3301 自动识别出咪头接收到语音信号后，首先用喇叭播音方式回答用户的语音指令，再将语音识别结果通过串口向单片机以字符串的形式发送4 个字节的识别码，单片机收到识别码后执行相应的操作。

语音播报。若系统以其他方式如按键控制或手机APP控制方式，调整了台灯的工作模式，那么，单片机可通过串口以字符串的形式向语音识别模块发送4 字节的控制码，语音识别模块收到控制码后，将对应的工作方式用喇叭播音方式通知用户。

■2.3 照明驱动模块

该模块实现灯的开和关，利用PWM 输入进而控制灯的亮度和色度，原理图见图4。WPM2341-3 是一种增强型P沟道场效应管，其导通与截止由栅源电压来控制，以此控制灯的亮度，N 沟道的管子加正向电压即导通，P 沟道的管子则加反向电压，一般2V～4V 即可。将单片机的TIM3 配置多路输出模式，PWM1 和PWM2 分别连接单片机TIM3 的CH1（图2 中的A6 引脚）和CH2（图2 中的A7 引脚），它们输出低电平0V 时，相应场效应管的Vgs ≈0V，场效应管截止，而输出高电平3.3V 时，场效应管的Vgs ≈－5V，场效应管导通，LED 灯点亮。注意：实际产品的电路中D1（白光）和D2（暖光）处都是多个LED 并联；白光LED 和暖光LED 分别点亮就实现白光、暖光照明，若白光LED 和暖光LED 同时点亮就变成自然光照明。

图4 照明控制电路

脉宽电压调制电源在低压时脉冲较宽，频率较低，有时会低到人眼最低帧率25 幅/秒时，人眼就可以发觉灯具闪烁现象，因此，PWM 调光频率应在100Hz 以上。

■2.4 超声波模块

实现坐姿检测的关键部件是超声波测距模块HCSR04。它提供2cm～400cm 的非接触式距离感测功能，工作电压为5V，模块的引脚Trig 和Echo 与单片机核心板上的GPIO 相连。模块具有一个超声波发射器，将电信号转换为40 kHz 超声波信号发射出去，一个超声波接收器监听反射回来的超声波信号。如果接收到，它就输出一个脉冲信号，其宽度可用于确定超声波信号传播的距离。具体工作过程：

(1)采用模块的引脚TRIG（至少要保持10μs 的高电平信号）触发测距；

(2)模块自动发出8 个40kHz 的方波，自动检测是否有信号返回；

(3)若有信号返回，则模块的引脚ECHO 输出高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，计算方法如下：测试距离=(高电平时间＊声速(340m/s))/2。

■2.5 人体红外感应模块

人体感应模块采用野火人体红外感应模块，用于检测人是否接近台灯。它由菲涅尔透镜、热释电红外探头、放大电路组成。透镜在探头前方产生交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，有人时，人体产生的红外线会交替出现在“盲区”和“高灵敏区”，热释电红外探头检测到人体发出的红外线时，发出一个脉冲信号（脉冲宽度固定），再通过放大器将脉冲信号转化为更直观的高低电平输出，有人时输出高电平，无人时输出低电平。并在放大电路上设置电位器，调节输出信号的灵敏度，调节高电平持续时间。

其三个引脚分别是：GND、VCC、OUT，探头检测到有人移动时，OUT 输出1；没人移动时，OUT 输出0。工作电压为5V～20V，输出电压：高电平为3.3V，低电平为0V。引脚OUT 与单片机核心板上的GPIO 相连。

■2.6 电源模块

电源模块由锂电池、电源管理芯片和Min iUSВ 接口组成，见图5，采用AP5056 作为电源管理芯片，它是单片锂离子电池恒流/恒压线性电源管理芯片，其较少的外围元件适合应用于便携式产品，且专门设计适用于USВ 的供电规格。基于内部MOSFET 结构，不需要外部感应电阻和隔离二极管，当外部环境温度过高或在大功率工作时，热反馈可以调节充电电流以降低芯片温度。充电电压被固定4.2V，充电电流可通过外部电阻设置。当充电电流在达到浮充电压之后降到设定值1/10 时，AP5056 将自动停止充电循环。

图5 电源模块图

3 软件设计

主程序设计流如图6 所示。台灯电源上电后，系统各部分初始化，包括如下模块：STM32 单片机、温湿度传感器、人体感应模块、蓝牙模块、OLED 模块、语音模块、超声波模块和照明驱动模块。初始化完成后，台灯播出语音提示“欢迎使用智能台灯”，OLED 显示当前环境温湿度和常规工作模式，然后程序进入无限循环，判断模式选择和确认按键是否按下，选择好模式后有相应的语音提醒，有三种模式可选：常规模式、手动模式和休息模式。默认模式是常规模式。

图6 主程序流程图

按键信息、语音输入信息和手机APP 输入信息通过外部中断、USART2 中断和USART3 中断服务程序获得。

4 结束语

本文设计的智能台灯控制系统，具备无线遥控、语音控制、语音播报、人体感应和坐姿检测、环境温度和湿度显示等功能。系统采用锂电池供电，通过Mini USВ 接口充电，能在无220V 交流电的环境下工作，有三种工作模式：手动模式、常规模式和休闲模式，用户通过触摸按键切换工作模式，常规模式是全功能模式，手动模式和休息模式为节能模式，仅有部分功能可用；常规模式和休息模式是两种智能工作模式，分别对应于工作学习和休闲/睡眠两种应用场景。实际测试表明，该智能台灯性能较稳定，不仅适合用于办公/居家照明，还可以用于户外露营照明。