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