智能台灯电子信息毕业论文.docx

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智能台灯电子信息毕业论文

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摘要：

台灯早已成为人们生活的必需品，但是随着科技的发展，以及人们对生活质量的追求，市面上的普通台灯已经不能满足智能家居的应用要求，所以台灯也随着科技的进步走向智能化。

此次设计的智能台灯拥有多种功能，作为以STM32为基础的台灯，其主控制器为Cotex-M3控制器，它的生产者是意法半导体企业，在完成软硬件设计之后，此智能台灯便能够拥有多种功能，比如能够进行短距离无线遥控以及多级亮度调节等，使得台灯更加智能化，更方便。

首先是台灯的多级调亮功能，本设计为了实现台灯不同亮度的调节，采用的是控制LED的闪烁间隔时长的方法。

多级调亮可以满足人们对不同光照亮度的需求，比如睡前看书时可以选择较亮的亮度，睡觉时有开夜灯习惯的人就可以把亮度调低，以充当夜灯的效果。

然后是遥控功能，这里采用的是红外来实现无线短距离遥控。

红外遥控器可以控制台灯的开和关，以及台灯的亮度。

这个功能主要是防止忘记关灯是可以不用再走到灯前，更加方便。

最后是触摸按键控制，触摸按键的增加使得台灯更加的简洁，只需要一个触摸按键就可以实现亮度的调高或调低。

此次通过实验测试结合系统总体设计方案这一手段来展开研究，通过研究发现，通过对STM32的运用，智能台灯能够展开多任务管理工作，这使得系统不但具备实时性特点，而且也十分稳定。

关键字：

STM32智能台灯红外触摸按键

指导老师签名：

Intelligenttablelampbasedonstm32

Abstract:

Desklamphasalreadybecomeanecessityofpeople'slife,butwiththedevelopmentofscienceandtechnology,aswellaspeople'spursuitofqualityoflife,thecommondesklamponthemarkethasnotbeenabletomeettheapplicationrequirementsofsmarthome,sothedesklampalsomovestowardsintelligencewiththeprogressofscienceandtechnology.Inthispaper,amultifunctionalintelligentlampbasedonSTM32real-timeoperatingsystemisdesigned.ThemaincontrollerofSTM32isacotex-m3coremicrocontrollerofItalianFrenchsemiconductorcompany.Bybuildinghardwarecircuitandwritingsoftwareprogram,themulti-levelbrightnessadjustment,wirelessshort-rangeremotecontrolandtouchswitchfunctionsoftheintelligentlamparerealized,whichmakesthelampmoreintelligentandconvenient.

Thefirstisthemulti-leveldimmingfunctionofthetablelamp.Inordertorealizetheadjustmentofdifferentbrightnessofthetablelamp,thisdesignadoptsthemethodofcontrollingtheflashintervaloftheLED.Multileveldimmingcanmeetpeople'sneedsfordifferentbrightness.Forexample,whenreadingbeforesleep,youcanchooseabrighterbrightness.Whensleeping,peoplewhohavethehabitofturningonnightlightscanturnthebrightnessdowntoactastheeffectofnightlights.

Thenthereistheremotecontrolfunction,whichusesinfraredtorealizethewirelessshortdistanceremotecontrol.Theinfraredremotecontrolcancontroltheonandoffofthedesklampandthebrightnessofthedesklamp.Thisfunctionismainlytopreventforgettingtoturnoffthelight.Itismoreconvenienttowalkinfrontofthelight.

Finally,touchkeycontrol.Theincreaseoftouchkeymakesthetablelampmoreconcise.Onlyonetouchkeyisneededtoadjustthebrightnessupordown.

Thistime,throughexperimentaltestingcombinedwiththeoveralldesignofthesystemasameanstocarryoutresearch,theresearchfoundthatthroughtheuseofSTM32,intelligentdesklampscancarryoutmulti-taskmanagement,whichmakesthesystemnotonlyreal-timefeatures,butalsoverystable.

Keywords：

STM32IntelligentdesklampInfraredTouchbutton

SignatureofSupervisor:

第一章绪论

1.1课题研究的意义及背景

当今社会，不仅科学技术在不断发展，人们的生活质量水平和以往相比也有了极大进步，所以在各种家居中，对于智能化技术的运用也愈加频繁。

通过对以往的照明系统进行分析能够发现，以往选用的通常为综合布线方式，在对电路进行控制时选用的则是翘板开关，如此设计会令灯具受损，同时会极大地缩短灯具寿命，并且还容易造成长时间的明灯，从而浪费能源。

当前不论是嵌入式技术，还是半导体技术都有了极大改进，同时电子产品也愈发重视环保节能性能，所以人们对照明系统也提出了更高的要求，智能化的台灯也应运而生。

从市场的角度看,人们对于台灯的要求具体有以下两点:

首先是有较强的装饰性，有设计感，可以体现出不同的个性:

其次是多元功能能够令人们多元需求获得充分满足。

此时这种智能台灯向组合化、系统化、网络化、装饰化、高效节能化方向发展,智能台灯的出现改变了台灯行业的现状。

但是，我国在研发新能源上起步比较晚，而且和发达国家相比相关技术也存在较大差距。

如今在我国市场翘板开关依旧为主流产品，人们长久以来的生活习惯以及翘板开关不方便控制的缺点，导致了大量的能源浪费。

我们身边到处都是这样的例子，比如放学后空无一人的教室依然开着十数盏灯，夜深后楼道里却还是耀如白昼，没有人的书房却依旧开着灯。

这些不光会造成每年的能源浪费，长明灯也会导致灯具寿命的缩短。

灯具和开关的损坏也会反映到资金的浪费，这样的恶性循环是经济社会不能忍受的。

现在，智能台灯的开发基于LED，不论是色温还是亮度都是可以进行调整的，其主要技术方向是实现远程控制的同时能够提供诸多场景模式。

而它的照明目标有三个，一是状态反馈；二是对光源进行控制；三是对环境情况进行自动识别。

能够发现在照明控制系统里，三方面之间的协调与可靠的通信平台密不可分，这三方面首先是光源；其次是管理平台；最后是传感器。

当前伴随着物联网的充分发展，当照明系统有了新的发展机会的同时，也需要面临许多新挑战，作为和生活实现紧密联系的一种物联网应用，对于智慧城市而言，照明的重要性不言而喻。

通过对我国灯具市场进行分析能够发现，当前市场灯具拥有丰富的种类，普通台灯光源选择的是白炽灯或者日光灯，供电选择的交流电源（220V），控制开关则是前文所提到的翘板开关。

然而此类台灯拥有诸多不足，首先，其电压比安全电压高得多，容易产生用电隐患；其次会消耗许多电量；最后如果使用的是日光灯，由于日光存在频闪效应，所以会在一定程度上令人的眼睛受到伤害。

截至目前，虽然人体智能台灯拥有诸多优点，比如它的供电选择的是直流电源（+5V），不但没有辐射，而且也十分安全，不但并不会产生污染，而且能够使用很久等等，但是在市场上这类产品并不多。

而智能台灯克服了传统台灯供电方式单一的缺点，可进行灯光的亮度调节，且将寻迹功能和短距离无线通信功能与传统的台灯相结合,不仅实现了智能化、极大地方便人们的生活需要,而且也能够对室内环境进行装饰，令人们的生活质量得到提升。

从能源角度观察，因为它的高科技特点,它更加能够在能源节约方面做出更大的贡献,也是节能的一个代表。

1.2本文主要研究的内容

当前人们生活质量和以往相比有了极大变化，人们对于安全问题也愈发重视，所以对于访问控制系统性能要求也在不断提高。

可以预见，在照明系统的未来发展过程中，照明系统将进一步网络化，数字化，集成化，多元化和智能化。

本文共分为五章，具体内容如下：

第一章：

绪论，先对台灯现实存在意义进行了阐述，然后对照明系统在我国和其他国家的发展情况进行了叙述。

第二章：

详细介绍了智能台灯技术所涉及到的相关理论知识，然后根据系统具体的需求和设计目标，确定智能台灯的总体方案。

第三章：

嵌入式硬件平台设计。

主要包括主控模块、2.5G红外发送和接收模块、TTP223电容式触摸按键模块和LED模块，介绍各个模块芯片的特性以及与STM32的接口通信。

第四章：

系统软件测试。

详细分析系统启动流程，对系统的核心识别算法进行理论研究。

同时分析了评价施行的条件、具体过程以及设施要求等内容。

第五章：

总结部分。

在总结此次设计系统的情况之后，提出了下一步研究方向。

第二章系统总体结构

2.1设计的需求分析

此次研究的对象是多功能智能台灯，在设计时选择的主控芯片为STM32F103C8T6芯片，系统的所有开发都围绕该芯片展开,底层开发尽可能的利用主控芯片的资源。

该芯片系统时钟为72 MHz,为48引脚LQFP贴片封装，具有64KBFlash,不仅性价比较高,功耗较低且自带的计数器可产生足够的PWM信号及用作触控捕获。

其硬件系统整体设计方案如图1所示。

图1硬件系统方案

2.2系统的功能需求

内容及要求：

制作采用STM32系列MCU作为主控芯片来负责驱动其他外设模块的智能台灯，其特点是可以多级双控调整亮度，一种是用触摸按键，另一种采用红外作为无线模块以达到无线遥控控制的效果。

具体要求如下：

1.插上电源，打开自锁开关后，台灯默认处于不亮状态，此时可以使用手中的红外遥控器对准台灯的红外接收模块，按下开关按钮，台灯就会亮起，再次按下开关按钮，台灯就会关闭。

2.此时按下调亮按钮，台灯的亮度就会增加，当增加到一定的亮度后按下调亮按钮台灯的亮度也不会改变。

但若是按下调暗按钮，灯光就会随之变暗。

3.台灯主体上的触摸按键也可以控制台灯的开启和关闭以及灯的亮度，轻触触摸按键是开启或关闭台灯，开启后台灯依旧默认是最暗的状态，此时长按触摸按键后抬起就可以增加亮度，增加到最亮后再这样操作就会变暗。

4.如果用触摸按键增加灯光到一定亮度，但不是最亮，这时用遥控器按一下调暗的按钮，再用触摸按键控制灯光就会跟着变暗，反过来操作也是一样。

2.3系统总体设计

通过对LED应用电路进行分析能够发现，它主要包括三部分，首先是TTP223；其次是红外；最后是MCU。

其中的MCU芯片，能够操作TTP223芯片寄存器，同时还能够处理红外接收信号。

能够发现，此系统中需要通过寄存器来操作TTP223芯片，比如进行标志位的设置以及得到识别结果等。

它的寄存器有许多类型，比如语音识别控制寄存器以及各类辅助寄存器等。

它有两类读写操作方式，一个是串行方式；一个是并行方式。

通过对LD3320寄存器进行分析能够发现，它拥有00H→FFH编号的八位地址空间。

此次设计以STM32F103C8T6为主控MCU。

演示的软件程序全部烧录在MCU的内置Flash中。

主控MCU直接控制红外和TTP223完成所有的开关以及亮度调整的工作。

第三章系统电路设计

3.1主控系统硬件设计

多功能智能台灯有两种供电方式,直接供电和USB供直接供电 即为把所设计的电源模块可分两级,第一级电源模块为一个双路输出的隔离型反激式ACDC开关电源模块,可将输人的220 V市电经AC/DC转换,同时输出12V及5V直流电压，该模块具有高效的沈波功能，可保证输出电能的质量，第二级电源模块为一款基于LM2596S芯片的调压模块，可将5V电平转为3.3V输出。

3.2最小系统

STM32F103ZET6最小系统主要由电源电路、系统时钟、复位电路和启动模式选择电路组成。

（1）电源电路

在设计系统中，电源设计属于重中之重的工作。

要想令系统运行足够稳定，就必须确保设计的电源电路足够稳定和优质。

通过对STM32进行分析能够发现，它拥有四个引脚，其中两个为电源地，这两个一个是VSSA；一个是VSS，而另外两个，一个是GPIO等的供电者，它就是VDD；一个是比较器以及复位模块等的供电者，它就是VDDA，两者电压范围都不低于2V，不超过3.6V。

如果STM32并无VDD引脚，那么它就需要使用到一个备份域来负责供电工作，它就是VBAT。

若是两类引脚拥有的电源一样，这两类引脚一是VDDA引脚；二是VDD引脚，那么便可以利用外部滤波电路来令这两个引脚相连，从而保证两类电源足够稳定，这两类电源一个是参考电源；一个是模拟电源。

如果上述两类引脚使用的电源不同，那么就就必须令VDD引脚电源不超过VDDA引脚电源。

到了上电环节，上电顺序为VDDA→VDD。

如果已经关闭了电源，那么在短时间内，VDD可以比VDDA高，然而两者差距也不能够超过0.4V。

（2）系统时钟

通过对STM32进行分析能够发现，它的时钟源数量有四个，首先是两个内部时钟，高速低速各一个，这两个时钟能够进行快速启动；其次是两个外部时钟，高速低速各一个，这两个时钟不但十分稳定，而且准确度也很高。

一般情况下，当进行芯片加电操作时，使用的时钟为内部时钟中的高速时钟，当完成对芯片的上电操作之后，就可以利用软件配置来对外部时钟进行利用。

（3）复位电路

通过对STM32进行分析能够发现，它的复位模式主要有三类，首先是系统复位，它能够对除了两类寄存器的全部寄存器进行复位操作，这两类寄存器一个是时钟控制寄存器；一个是备用区寄存器。

当NRST引脚电平为低电平，窗口看门狗不再进行计数，低功耗管理以及软件就会复位，此时便是系统复位。

其次是备用区域复位，当存在两类情况时，就会出现这一复位模式，这两类情况首先是VBAT引脚与VDD引脚都掉电时其中一个上电；其次是软件复位。

最后是开机复位。

若是存在两类情况，那么便会出现上电复位，这两类情况首先是从待机模式返回；其次是上电/掉电复位。

一般情况下，当系统复位实现时，NRST引脚的电平就会变成低电平。

（4）启动电路设计

通过对STM32进行分析能够发现，它的启动模式主要由两个PIN引脚来进行选择，它们一个是BOOT0引脚；一个是BOOT1引脚，如果前者的值为零，后者的值为X，那么芯片就会从内部Flash进行启动；如果前者的值为一，后者的值为零，那么系统就会从内存进行启动；如果两者的值都为一，那么系统从SRAM启动。

3.3LED设计

LED灯光调节功能由自开功能、白动调级和色光调级3部分组成，调光可降低等节点的发热量，提高等节点的寿命和可靠性中。

本设计使用RE200B配以外围电路由单片机AD采集完成对人体的感应。

由于RE200B输出信号波动很小,应用时放大电路是必不可少的，可专用芯片BISS0010的前两级放大电路,使用运放LM324N进行搭建，电路图如图2所示。

图2LM324N放大电路

作为热释电红外传感器，RE200B只对一种红外辐射敏感，那就是波长在十微米的红外辐射。

若是它进入到探测区域内的时候，人体红外辐射便能利用部分镜面聚焦，从而被接收到热释电元中,因为热释电元有两片，它们接收的热量并不一样，所以热释电也不一样，此时便能够将检测信号进行输出。

灯光照控制方案采用PWM数字调光，也就是对PWM占空比进行调整，从而达到两个目的，一个是通过色光调节达到个性化需求，色光调节是利用RGB三色LED所发出的3种基色进行混合,得到七色光彩。

一个是通过自动调级达到节能的目的，所谓自动调级，指的是根据环境光强情况来对台灯亮度进行调节。

灯条采用RGB三色5050贴片LED,每颗芯片大小为5 mm×5 mm，具有亮度高，损耗相对较少的特点。

相较于220 V灯条，12 V灯条更加安全且可控性较好，不需要高低压隔离电路。

灯条标称值为12 W/m，即12 V额定电压下每m灯条工作电流为1 A，为合理计算放大电路参数取25 cm灯条进行测试，测得均值如表1所示。

表112V电压下没5cm灯条电流

R

G

B

I/mA

19.38

18.26

17.22

5 cm长度灯条等效电路如图3所示。

灯条采用小功率NPN三极管D882,集电极最大电流2 A,放大倍数约260。

功率放大电路如图4所示。

图35cm长度灯条等效电路

图4功率放大电路

光敏电阻与47 kΩ电阻申联，由AD采集中点值,输人单片机确定环境亮度。

跟踪功能是采用5 V小功率舵机提供转动力矩,并且复用了自开功能中使用红外模块,使台灯照射方向可跟随人的移动而改变,其功能可防止人因偏离台灯照射区域而使眼睛长时间处于弱光照射。

显示功能利用的是ARM口仿SPI时序使之与OLED通信。

在该显示屏上可实时显示由数字式温度传感器DS18B20采集到的室温；显示由STM32最小系统板自带的内量RTC时钟

3.4红外遥控系统

通过对红外遥控系统进行分析能够发现，它主要由三部分构成，首先是接收部分；其次是发射部分；最后是调制部分，具体情况见图5.

3.4.1调制

通过调制手段，红外遥控完成对数据的发射操作，也就是将数据和特定载波来进行操作，从而令电源功耗得以下降，令发射效率得以提升。

此处的载波频率通常不低于三十千赫，不高于六十千赫，一般选择的是方波，其频率为三十八千赫，占空比为三分之一。

具体情况见图2.它的决定者是四百五十五千赫的晶振。

在发射端，晶振会被进行整数分频操作，其分频系数为十二，此时则有

。

3.4.2发射系统

如今拥有红外发射功能的芯片有许多，能够按照选择来进行编码的发出。

因为发射系统的供电者通常都是电池，所以芯片不能拥有较大功耗，而且在未按下按键时，它都需要保持休眠状态，如此其功耗才能够尽可能降低，同时其晶振也必须具备耐撞性能，需要选择陶瓷共鸣器，而不是石英晶体。

当通过LED发射了红外线后，因为它和一般的发光二极管并不一样，当其两端受到电压影响时，发出的光并非可见光，而是红外线。

图7简单驱动电路图8设计输出驱动电路

LED驱动电路见图7、图8.如果是简单的驱动电路，不但需要对LED两类电流进行考虑，这两类电流一个是正向电流，其最大值为一百毫安，它的电流和发射波形强度成正比关系；其次是反向漏电流。

此外，还必须确保三极管拥有较快的开关速度。

需要注意的是，简单驱动电路存在一些不足，比如当电池电压降低时，LED电流也会变少，此时发射波形强度以及遥控距离都会变小。

为了对这一不足进行弥补，需要选择图8的驱动电路，它通过两个二极管，令三极管基极电压保持在1.2V附近，此时期发射极电流和电压分别为IE、0.6V，按照

因此及时电池电压出现下降，LED电流也不会出现变化，遥控距离就也不会缩短。

3.4.3一体化红外接收头

图5为红外信号收发系统电路情况，通常厂家会将此电路集成在一个元件里，此时就得到了一体化红外接收头。

其内部电路元件十分丰富，比如积分电路以及放大器等。

当红外信号被红外监测二极管监测到时，信号就会被发送至两类元件，这两类元件一个是限幅器；一个是放大器。

前者能够对脉冲幅度进行控制。

而交流信号由带通滤波器→负载波→解调电路→积分电路这一路径进入到比较器中，此时比较器输出的电平为高电平，它能够对发射端信号波形进行还原。

为了令接收更加灵敏，所以此处输出电平与发射端电平正好相反。

图9为一体化红外接收头情况。

图9红外接收头

通常，红外接收头类型十分丰富，而且它的引脚定义也不一样，其引脚主要有三类，首先是信号输出脚；其次是接地脚；最后是供电脚。

平常在选择接收头时需要根据发射端调制载波来进行选择。

因为在这一接收头内部，其放大器拥有较大增益，因此很容易产生干扰，要想解决这一问题，就必须将高于22uf的滤波电容放到供电脚上或者将330Ω电阻放到电源和供电脚之间。

要想得到红外发射器，通常有两个途径，一是由单片机PWM产生；二是由厂家定制。

此处最好选择

这类红外发射器，

也可,它们的PWM频率以及占空比分别为37.91千赫、1/3,通过简单的定时中断开关PWM,即可产生发射波形。

3.5触摸按键模块

TTP223/TTP223N TonTouchN为触摸键检测IC，它的触摸键有一个，此处是把传统按钮键用触摸检测IC进行了替代，触摸键在DC应用特征为低功耗，在AC应用特征为宽工作电压，图10显示了它具体工作流程情况。

图10触摸模块流程图

第四章系统软件平台设计与测试

4.1KEIL操作平台

本设计的代码实现平台基于KeilMDKV5进行开发，它出现于2013年，推出者为Keil企业，对于ARM微控制器而言，它是集成开发工具的首选。

以ARM7等为基础，MDK-ARM软件为处理器设备进行了良好开发环境的提供，它是设计初衷是应用于微控制器中，此软件不但拥有丰富功能，而且使用起来也不复杂，因此在多种嵌入式应用中都十分适用，其具体特征有：

第一，其TCP/IP网络套件能够进行诸多应用以及协议的提供。

第二，存在诸多项目例程，可以让你对此软件内置特征有充分了解。

第三，能够对仿真和开发环境、调试器进行集成。

第四，USB主机栈和设备为标准驱动类设备。

第五，拥有ARMC/C++编译工具链。

第六，拥有小封装实时操作系统。

第七，能够提供GUI库支持给嵌入式系统。

第八，拥有和程序运行有关的完整代码覆盖率信息。

第九，能够对Cortex-M等器件提供支持。

第十，存在ULINKpro，能够对应用程序进行实时分析，能够对Cortex-M指令执行情况进行记录。

第十一，通过两类工具来优化程序