基于蓝牙的智能台灯控制系统设计

基于蓝牙的智能台灯控制系统设计

摘要

随着社会的发展，能源危机不断加剧，绿色环保观念深入人心，普通的家电耗能严重，同时，还存在人离开时忘记关闭电器的情况。台灯作为家电之一，还停留在功能单一、使用不便、浪费资源的状态下。通过对国内外台灯控制系统的研究现状进行分析得出，智能化多功能台灯已成为一个必然的趋势，因此设计了一款基于蓝牙的多功能台灯控制系统。首先通过传感器检测光照强度、是否有人、人与台灯之间的距离等信号，然后将这些信号传输到单片机，单片机将检测的信号与设定值进行比较，经分析处理来判定灯的开启或关闭、调节亮度和报警，同时相应参数实时显示在LCD屏上，另外还可以通过蓝牙控制端来控制灯的开启和亮度调节。系统采用总分总的形式，先设计出总体框架，再展开各模块的具体设计，最后再综合调试硬软件。通过对系统进行调试，基于蓝牙的智能台灯控制系统设计可行，系统运行稳定，完成了设计任务的要求。

关键词：单片机；传感器；蓝牙；台灯

摘要

ABSTRACT

1 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 研究意义 1

1.2 国内外研究现状及综述 1

1.2.1 国外研究现状 1

1.2.2 国内研究现状 2

1.3 本文内容安排 3

1.4 本章小结 3

2 设计方案选择与器件选择 4

2.1 系统功能 4

2.2 系统方案选择 4

2.3 器件选择 5

2.3.1 单片机的选择 5

2.3.2 光感模块的选择 5

2.3.3 红外模块选择 6

2.3.4 超声波测距模块选择 6

2.3.5 A/D转换模块选择 7

2.3.6 语音模块选择 7

2.3.7 显示模块选择 7

2.3.8 蓝牙模块选择 7

2.4 本章小结 8

3 系统的硬件设计 9

3.1 单片机最小系统 9

3.2 信号检测电路设计 10

3.2.1 红外检测电路设计 10

3.2.2 光感检测及转换电路设计 10

3.2.3 超声波测距电路设计 11

3.3 按键控制电路设计 11

3.4 信号输出电路设计 12

3.4.1 语音播报电路设计 12

3.4.2 显示电路设计 12

3.4.3 LED电路设计 13

3.4.4 蜂鸣器报警电路设计 13

3.5 蓝牙通信电路设计 14

3.6 电源设计 14

3.7 本章小结 15

4 系统的软件设计 16

4.1 系统主流程设计 16

4.2 光照采集流程设计 16

4.3 红外感应流程设计 17

4.4 超声波测距流程设计 17

4.5 按键控制流程设计 18

4.6 A/D转换流程设计 19

4.7 PWM输出流程设计 20

4.8 语音播报流程设计 20

4.9 LCD显示流程设计 21

4.10 蓝牙通信设计 21

4.11 本章小结 22

5 实物制作与测试 23

5.1 实物制作 23

5.2 调试与测试 24

5.2.1 硬件系统测试 24

5.2.2 软件系统测试 25

5.3 本章小结 27

6 总结 28

参考文献 29

致谢 30

附录1：硬件电路图 31

附录2：元器件清单 32

附录3：部分源程序代码 33

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.1.1 研究背景

随着社会的发展，全球变暖和能源危机的加剧，绿色节能环保的观念已经深入人心，追求节能产品也成为一种潮流[1]。同时，随着科技的进步、各种家用电器的智能化，台灯作为家庭工作学习中的必备家电，却依然功能单一。这与现代家电的智能化、人性化、低碳设计理念相违背[2]。而且全国近视眼人数逐年增加，究其原因就在于台灯使用不当，导致视力受到一定影响[3]。台灯的发展历史：最开始使用荧光灯管和白炽灯泡，荧光灯管具有频闪效应，在这样的灯光下长时间的工作学习，会对眼睛造成极大的损害，其次消耗大量电能；后来逐渐适应LED作为光源，其发光率高，工作电压低，寿命长；第三代台灯具有较高的人工智能性，是一款由5V直流电源供电的智能台灯[4]。现在市面上使用的台灯大多还是按键控制、旋钮控制调节或者触摸控制调节的，而自动控制的台灯较少，且价格昂贵，同时更加不具备一款能无线控制的台灯[5]。

1.1.2 研究意义

随着家电的智能化发展，台灯作为不可缺少的家电，在智能化程度上还有很大的提升空间，所以有必要研究一款价格低廉却又智能化的台灯，以满足当今社会人们对智能化生活的追求。同时价格低廉也是为了让更多的家庭有能力使用智能化家电，而不是为了让那些智能化家电仅存在于有经济实力的人家中[6]。基于以上背景设计一个基于蓝牙的多功能台灯控制系统，能最大程度上的方便人们的日常生活。本设计的智能台灯可以根据红外感应自动开灯，根据光照强度自动调节亮度，当使用台灯时的坐姿不正确或者太靠近台灯时，台灯会进行报警，提醒使用者调整姿势，使其养成良好的坐姿习惯，这个报警功能是台灯根据传感器检测到使用者和台灯之间的距离通过电路控制进行的。同时外加了一个蓝牙控制模块，使用者通过蓝牙对台灯进行远程控制。

此外，我国是世界上煤炭使用最多的国家。目前的发电主要还是依靠燃烧煤炭等资源，但是用来火力发电的煤炭都是不可再生的，同时燃烧煤炭发电还会产生大量的污染物。因此，如果智能化台灯的使用能够节约一度电，就是对环境保护和节约资源做出了极大的贡献[7]。

1.2 国内外研究现状及综述

1.2.1 国外研究现状

现代灯具最早在美国开始出现，然后到欧洲各国兴盛，并最后引领世界的潮流。许多著名的品牌其都有着自己独特的设计理念[8]。

荷兰的飞利浦作为世界第一大照明品牌，很早就重视“以人为本”的原则，灯光

要关注人的感受和消费者的心理需求，能够根据人们的心情或场合来营造一个具有个性化的家居氛围，并通过流行时尚的家居照明来加强个人的空间[9]。日本作为当代的科技大国，在照明灯具研究和设计方面也有着自己一定的地位。其台灯的设计比较注重功能的实用性，如台灯的支架可弯曲选择、具有护眼模式的台灯、便携式充电台灯等。台灯的造型设计趋于情感化方向，着重体现产品的内在品质，使人和产品之间产生情感上的共鸣，体现在互动性、人性化、趣味性等方面[10]。

1.2.2 国内研究现状

我国人口众多，对台灯需求也很多，普及程度也很高，但使用的台灯依然是体积较大，也依赖固定电源，当没有电源时，则无法使用。目前，中国的台灯种类主要也还是白炽灯、节能灯和少数的LED灯。LED台灯以发光二极管为光源，具有许多的优点，其体积小、功耗小、安全可靠、不容易烧掉，同时使用寿命长，这使得LED灯逐渐的投入到照明使用中。

我国台灯市场发展空间还很大，但是目前我国台灯产业发展仍存在诸多问题，通过大量的市场分析，国外进口的台灯价格普遍偏高，而国内的台灯价格相对偏低，而个别高价格的国内台灯不是因为设计的独特而是因为材料的昂贵或工艺的特点[11]。现如今，人们对台灯的要求不再是仅仅的照明需求了，而是逐渐地追求照明的个性化，多功能及节能环保。

为了设计出多功能台灯控制系统，在知网上和百度上查阅和学习了一些智能台灯设计的相关资料和文献，下面是这些我对这些论文和文献的总结和概括。

李健钊，罗炜杰，黄潇曼和熊明星的《基于STC单片机的智能声控自动化台灯》中有如下设计，其设计利用STC11L08XE单片机和语音识别芯片LD3320为核心设计，并制作智能声控及其自动化台灯[12]。通过语音命令控制台灯完成相应工作，这有效地弥补了现在声控灯对外界环境信息辨识度低的缺点，避免了不必要的能源浪费，从而达到了完备的节能效果。

黄武云的《多功能智能台灯设计》中有提到如下问题：有时我们在床上看书总会忘记关台灯就睡着了，或者晚上起床时总是找不到台灯开关，此时我们多希望有一台能够善解人意的智能台灯。为了克服现有台灯功能简单、控制方法单一等问题，该台灯除了具备普通台灯的基本功能之外，还增设了定时关灯功能、智能小夜灯功能和手机蓝牙控制功能[13]。通过app对台灯进行控制，以及定时关闭，提高台灯的智能化使用，同时定时功能也避免了一定的睡前忘记关台灯的情况。

周媛珍的《基于51单片机的智能台灯的设计》中，以STC89C51单片机为控制核心，通过采用LED照明提高电能利用率，利用光敏电阻感测光强度，实现光亮度的自动控制，利用按键和遥控并列控制，提高用户的实际使用感受，设置呼吸模式，提高台灯的实用性和美观性[14]。呼吸模式时，光亮度能逐渐增强到最强，然后逐级减弱到最弱，可以作为家中别致的一景，为居家生活增添乐趣。

从以上可以得出：智能控制的台灯逐渐得到大家的关注，越来越多的人想要去设计智能化的台灯，本文主要对这些智能化控制进行了吸收结合，形成更完善的多功能台灯控制系统。

1.3 本文内容安排

本文的主要研究内容与结构安排如下：

第1章是绪论。介绍基于蓝牙的多功能台灯控制系统的研究意义及研究背景，查找相关研究现状，并对这些研究进行分析总结。

第2章是系统的方案选择和器件选型。对不同微处理器的选择和所需元器件的选择，确定基于蓝牙的多功能台灯控制系统的设计方案和器件型号。

第3章是台灯控制系统的硬件设计。对台灯控制系统进行分模块设计，包括红外感应模块、光感模块、超声波测距模块、按键模块、照明模块、显示模块、语音提醒模块、蓝牙模块等，同时设计出电路图进行工作原理过程的说明。

第4章是台灯控制系统的软件设计。对系统的总流程图和各个分模块的流程图进行设计。

第5章是实物制作和测试。根据硬件电路和软件流程进行实物的制作，通过测试看实物是否能实现设计的功能，并进一步完善整个控制系统。

第6章是总结。对全文的一个总结，指出本设计遇到的困难和本设计的不足，还可以怎么提升改进。

1.4 本章小结

本章通过研究背景，指出了生活中台灯的使用情况及存在的使用问题，由此表明设计一个多功能台灯控制系统的是有必要的。接着介绍了基于蓝牙的多功能台灯控制系统的研究意义，多功能台灯控制系统的研究与应用可以减少能源的浪费和养成良好的坐姿习惯，从而减少近视眼的增加。再接着介绍了国内外台灯的研究和发展情况，从只为照明使用到“以人为本”关心人的感受，这都是巨大的改变。这一改变使得台灯不再只是灯具，而是成为了关心使用者感受的智能家具。基于蓝牙的多功能台灯控制系统能自动开关，自动调节亮度，关心使用者坐姿，使用时间，并提醒使用者休息。再对一些优秀论文进行了综述，分析了其中的优缺点，取其精华，加以利用。最后，对本文的结构进行了安排。

参考文献

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[3]张红燕,谢俊秉,王平莲.基于51单片机的儿童智能台灯的设计[J].电子制作,2018 (02):6-7+58.

[4]魏炽旭,林泉康.基于51单片机的智能台灯设计[J].电子制作,2017(01):40-41.

[5]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(03):56-60.

[6]王陈璐.基于用户体验的健康智能灯具设计研究[D].上海:华东理工大学,2015.

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[11]李健钊,罗炜杰,黄潇曼,熊明星.基于STC单片机的智能声控自动化台灯[J].智能计算机与应用,2018,8(06):199-202.

[12]黄武云.多功能智能台灯设计[J].科技资讯,2018,16(08):75+77.

[13]周媛珍.基于51单片机的智能台灯的设计[J].电子制作,2018(02):8-10.

[14]高云,田世鹏,黎煊等.基于FPGA的智能台灯机器人系统[J].微型机与应用,2014,33(04):38-40+44.

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[17]张启龙,陈湘萍.基于STM32的智能互联台灯设计[J].智能计算机与应用,2019,9(03): 151-155+158.

[18]王东,莫先.基于STM32和HC-SR501智能家居的智能照明系统设计[J].重庆理工大学学报(自然科学),2016,30(06):135-142.

[19]侯羽,张黔.基于Arduino开发平台下智能台灯的设计[J].科教导刊(上旬刊),2017(05):53-55+57.

[20]陈炳飞,周朝霞,邱义,陈清福,肖杨凡.亮度自适应的智能台灯设计[J].物联网技术,2018,8(07):98-101.