基于STM32智能臺燈設計

武漢晴川學院 方 潔 蔡 璇

本設計采用ARM架構的STM32F103C8T6芯片與藍牙模塊實現了一個能夠通過藍牙控制并擁有65級亮度控制的智能臺燈。通過藍牙或者按鈕進行控制，使臺燈具有4種照明模式：普通照明模式，手動調節照明亮度；感知照明模式，臺燈的亮度會根據環境光的亮度變化而變化；睡眠模式，臺燈會根據時間變得越來越暗；用戶自定義模式，用戶通過預設定好的一些指令來控制臺燈的照明行為，從而實現更加豐富的照明功能。

引言：臺燈是我們日常生活中必不可少的一種照明工具，在智能家居流行的時代，臺燈的功能應該不僅僅只局限于照明。我們也可以將臺燈加入物聯網中，提供更加便利的現代生活。本次智能臺燈設計主要圍繞藍牙模塊的實現，通過臺燈與其他藍牙設備，例如手機的鏈接，提供更加智能的照明功能，通過藍牙控制臺燈的亮度與明滅，讓人們在夜晚的時候不需要去尋找開關，只需要打開手機APP即可開燈，另外，臺燈還具有多種照明模式，滿足在不同條件下的照明需求，臺燈的亮度會根據環境光照來自動調節，既可以節能，也能滿足照明需求。當然還可以支持睡眠模式，臺燈的亮度會漸暗，特別適合兒童對漆黑的恐懼感，也不會影響其睡眠質量。還有自定義的可編程照明功能，由用戶來對臺燈照明條件進行簡單編程，滿足用戶的多種需求。希望此次設計的智能臺燈能夠完全融入人們的生活，為智能生活帶來實惠、節能、高效的照明。

1 方案設計

1.1 簡介

本臺燈的方案設計使用4個按鈕采用GPIO中斷方式控制整個系統，分別是控制開關、亮度增加、亮度減少、模式選擇。并采用USART串口方式來與藍牙模塊通信，藍牙模塊在進入“已鏈接”狀態時，會進入透傳模式（杜春雷.ARM體系結構與編程(第2版)[M].北京:清華大學出版社,2015.），讓系統與其他智能設備通信。采用STM32自帶的ADC轉換器將光敏模塊的輸出電壓轉換為亮度信息，并控制照明系統的亮度。而照明亮度控制電路采用TLC5615芯片提供不同的亮度信號給照明模塊，系統會使用

串口驅動TLC5615芯片，使TLC5615芯片輸出不同的高低電壓來控制照明模塊的亮度。由于TLC5615芯片的輸出電流有大小限制，直連照明模塊會導致LED燈珠亮度不足，所以在照明模塊中還加入了S8050三極管來驅動LED燈珠，達到高亮度的照明需求。

圖1所示是本設計的總原理圖，整個設計由6個部分組成，分別STM32核心板、光敏電阻模塊、TLC5615 DAC轉換器、照明模塊、藍牙模塊與4個按鈕組成的控制模塊。

圖1 設計總原理圖

1.2 照明模塊

考慮到照明模塊故障需要隨時更換，并且照明模塊需要能夠隨時更換照明目標等需求，所以采用了照明模塊與核心控制模塊分離的形式。并且由于臺燈用于閱讀，作業等場景比較多，所以本課題選用了色溫在2800-3300K的暖光LED燈珠。具體的燈珠參數如表1所示。

表1 照明LED燈珠參數

另外由于TLC5615有最大電流限制，不足以驅動LED燈珠，所以需要一個S8050三極管來驅動LED燈珠，將S8050的集電極接地，基極鏈接TLC5615的輸出口，發射極鏈接LED燈珠負極，即可驅動LED燈珠（劉書生.藍牙技術應用[M].遼寧:東北大學出版社,2011.）。圖2所示是照明模塊的原理圖，將STM32輸出的亮度信號的數字量通過TLC5615的數模轉換，轉換為模擬量，再通過三極管的放大，驅動LED燈珠的照明。這樣就可以通過STM32控制燈珠的亮度。

1.3 按鈕控制模塊

在系統中我們加入了4個機械按鈕，來保證在沒有藍牙設備的情況下控制照明功能，按鈕控制模塊通過STM32的4個IO口鏈接起來，并使用EXTI中斷方式（華成英,童詩白.模擬電子技術基礎[M].北京:高等教育出版社,2011.）處理按鈕的信號。這4個按鈕分別采用PB6，PB7，PB8，PB9四個IO口，并使用一個10K的上拉電阻（陳志旺.STM32嵌入式微控制器快速上手[M].北京:電子工業出版社,2012.），當按鈕斷開時為高電平，當按鈕按下時會觸發一個下降沿，所以采用上拉輸入的方式初始化IO口，并啟用EXTI的6，7，8，9線中斷，觸發方式為下降沿。

圖2 照明模塊原理圖

圖3 亮度模塊原理圖

圖4 藍牙模塊原理圖

1.4 亮度控制模塊

圖3所示是亮度控制模塊原理圖，由于STM32F103C8T6不支持DAC轉換，所以在系統中的亮度控制是基于TLC5615數模轉換芯片。TLC5615是采用串行總線的10位DAC轉換芯片，由于采用串行總線方式，所以TLC5615的驅動程序要稍微復雜一些，但是能夠節省很多IO口。

在本系統中，我們采用PA5，PA6，PA7口來驅動TLC5615，并為TLC5615提供5V的工作電壓，參考電壓為3.3V。

1.5 環境光感知模塊

系統連接了一個采用光敏電阻的環境光感知的模塊，該模塊可以根據環境光的強度輸出不同的電壓大小，再通過STM32F-103C8T6的自帶的ADC轉換器即可將環境光量化成數字量。在本系統中，該模塊位于照明模塊的背面，可以防止照明模塊的照明效果影響環境光的檢測結果。

1.6 藍牙通信模塊

系統采用的藍牙通信模塊是基于CC2541藍牙模塊實現的，該藍牙模塊屏蔽了很多開發中不需要注意的細節，只需要將輸入與輸出與STM32F103C8T6連接，并供電即可使用，采用標準的UART的串口IO，不需要為藍牙模塊寫復雜的驅動，極大的減輕了開發負擔。

圖4所示是藍牙模塊的連接圖，將PA9口作為系統的發送端口，藍牙模塊的接受端口。PA10作為系統的接受端口，藍牙模塊的發送端口（陳志旺.STM32嵌入式微控制器快速上手[M].北京:電子工業出版社,2012.）。同時PA9，PA10又是STM32的USART1的TX與RX，所以直接采用STM32的USART1即可完成藍牙通信。

1.7 消息總線設計

在本設計中，消息總線（Message Bus）是最核心的部分，所有的外部操作，藍牙消息、按鈕消息等都會被處理成系統能夠理解的消息，并交給主程序中的消息處理部分，來對系統外設進行操作。消息總線共分為3個部分，消息池、消息隊列、消息處理。

消息池是一種比較高級的內存維護模型，每次需要創建消息，都會從消息池中拿出一條空的消息。當有一條消息處理完成之后，將會初始化這條消息，放入消息池回收，供后續的使用。由于STM32使用的是比較低級的語言運行時，沒有一個比較方便的內存分配與內存回收的機制。使用消息池來管理內存的使用，是十分符合STM32的特性的。

消息池又能分為3個部分，池管理、消息回收與消息初始化。在本系統中，消息中最為重要的是消息內容，是一段字符串，所以池管理需要首先在內存中分配固定數量的消息，與固定的字符串空間。在本系統中，在全局空間創建了128個消息，通過這固定的128個消息的回收利用實現無限消息的使用。消息回收將消息復位，以供下次使用，在這個過程中，會清除消息的字符串的全部內容，并且清楚使用標記，放入消息池。消息初始化是將消息的內容標記為正在使用，以免發生沖突。

消息池的實現難點主要在于，如何知道一個消息是否在被使用。在本系統中我們為消息加入了使用標記，當一個消息正在被處理時，這個使用標記將會為1，當為空閑狀態的時候標記為0。通過這個標記來判斷一個消息是否是在被使用。

2 測試

本設計支持按鈕控制，因此需要對按鈕控制進行測試，第一個按鈕為開關按鈕，控制臺燈的亮滅，按一下該按鈕能夠是臺燈在亮滅兩種狀態中切換。第二個按鈕為提高臺燈的亮度，每次調整一個擋位，只能在普通模式中使用。第三個按鈕為降低臺燈的亮度，每次調整一個擋位，只能在普通模式中使用。第四個按鈕為切換臺燈的運行模式，分別是普通模式、感知模式、睡眠模式、自定義模式。

藍牙控制是本次設計的中心，藍牙控制測試采用iOS上的Light-Blue程序進行串口通信與測試。經測試各個指令均能成功執行。

3 總結

本設計主要研究了一個可以通過藍牙與其他智能設備控制的智能臺燈，該智能臺燈具有多個智能照明模式，這些照明模式已經可以滿足日常生活的需要。特別是用戶自編程模式，為了實現該模式，本設計采用了消息的設計，動態分配回收消息，都是非常值得研究與說明的部分，此外，關于消息的拓展與腳本化也是一個主要的課題。另外在具體硬件制作的期間，還遇到了一些問題，驅動TLC5615或者是IO口具有電流限制，需要使用三極管來驅動LED，還有使用適量的上拉電阻來拉起開關。