【《基于STM32的智能卧室多功能型台灯系统设计》19000字（论文）】

第一章绪论1.1论文研究背景及意义1.1.1研究背景随着智能化时代的到来，智能家居已经逐渐成为人们生活中不可或缺的一部分。与此同时，电力是当今世界上最重要的终端能源，随着人类对电能需求的日益增长，供用电的不可再生资源日益增多，造成地球资源紧张问题日益严重。所以，LED照明取代传统照明已成为历史必然。作为第四代光源，LED照明不仅节能、低功耗，且可与PWM调光技术相结合，与传统的白炽灯相比来说，具有更低的功率因数和更高的效率，更符合绿色环保的发展理念。LED产品市场的扩张，也带动了国内LED照明产品的市场需求提升。高工产研LED研究所的历年数据显示，2015年，我国LED驱动模块的产值为172亿元，2018年就增长为280亿元，同比增长了14.3%。LED照明产品市场持续发展，呈现出良好的发展态势。到2021年底，国内市场上LED驱动模块的需求量有望达到384亿元，依此情况看来，未来中国LED驱动模块产值占世界比重持续增长，也能够进一步拉动国内的需求。1.1.2研究意义物联网技术的应用是第四代工业革命最伟大的发明，完全改变了人们的生活方式，把与人类的日常生活息息相关的，通过蓝牙、WiFi、ZigBee等无线通信的方式连接起来，实现远程控制，在智能家居、智能农业、智能环保、智能交通、智能医疗等方面都已经有了一定的成绩，极大地便捷了人们的生活。本智能卧室多功能型台灯系统也是利用物联网技术进行开发的。相对于传统智能台灯照明系统，体现了节能环保、绿色健康的理念。第一，手机APP端为用户提供了对整个照明系统的整体调节和控制，符合智能化照明的发展思路。第二，系统采用STM32单片机控制LED模块，各功能参数均为开放的，可随时调节，根据需求进行改变。第三，在技术应用上，利用LED照明的无频闪特性，可以保护视力，降低近视、散光等疾病的发生，智能开关灯再加上亮度调节模式可节省大量电能，既便利了人们的学习和工作，又达到了节能的目的。在我看来，智能家居的发展方向是应用简单并且可靠的系统，通过高智能的精确控制与协作，使生活更轻松、更省心。根据这个想法，我想设计一款智能多功能型台灯。1.1.3研究目的就我国当今社会而言，智能台灯这一新兴行业经济发展起步较晚，一些相应的生产工艺和质量标准还没有真正得到严格规范，再加之不少商家盲目跟风而已，并不能保证质量，导致了智能台灯行业的产品质量参差不齐、不能保证，市场上的产品鱼目混珠，在选择上带来一定的困难，也使得广大消费者的合法权益受到侵害。除此之外，智能生活时代的人离不开电，人们对电能的需求越来越大，消耗的供用电的不可再生资源也越来越多，加速造成了地球资源枯竭的问题。所以，设计一种性能价格比高、低功耗、时尚便捷的智能台灯就显得十分必要。于是我以此为课题，开始进行毕业设计。1.2国内外发展现状1.2.1国外发展现状智能家居是在信息技术发展的产物，因此，在智能家居的物联网中，网络通信技术、综合布线技术、安全防护技术、智能控制技术、语音识别、音频识别等技术起到了重要作用，甚至一个手机就能控制家中的所有电器，空调、台灯、窗帘、淋浴等，人们的生活因此变得更方便舒适，也能节省大量需要去接触控制的时间，不仅如此，系统还能通过大数据分析、收集并分析用户的数据记录，通过大数据分析出用户的习惯爱好以及需求，提供细心周到的个性化服务。上个世纪末，国外就提出了智能照明系统的概念，美国、日本、德国、澳大利亚等发达国家已经早早开始了对这一概念的研究，最早是90年代，美国对舞台照明系统的开展的研究，并制定了相应的协议和规定。随着科技的不断发展，发达国家的智能照明系统发展愈加迅速，智能照明系统的发展也扩展到各种领域，如家庭照明和工业照明。具有代表性的智能控制系统有：美国的X-10协议、日本的HBS系统、德国的EIB标准和澳大利亚的C-Bus系统，将原本单一化、分散式的控制方式往多样化、集散式的控制形式转变，逐渐改善传统照明系统的短板REF_Ref18932\r[1]。1.2.2国内发展现状古时候就有凿壁偷光、囊萤取光的故事，到近现代灯的发明，再到现在智能照明的流行，照明和人们的生活息息相关，也随着科技的进步而不断发展。从普通照明转向智能照明控制，使照明在不断地切合人类经验的同时，也变得更加智慧，更能理解人的需要。同时，它也是未来智能照明发展的前进方向。我国引入智能家居的概念就经历了6年的时间，由于发展起步比起国外已经较晚了，有相当一部分的人，与互联网接触不多，因此对智能家居还不够了解，再加上研究智能家居的企业缺乏市场资金的支持，开发技术不够成熟，发展也较慢。近十年来，我国无线通信技术和物联网技术的速度如坐火箭般迅速发展着，市场上已经出现了不少的智能产品。在这个快节奏的时代，人们上网已十分方便，有什么新信息都能及时了解到，于是对智能家居也开始深入了解。另外，尽管国外的智能家居起步较早，但由于当时的技术还不成熟，都需要采用总线的布线方式实现，显然是很不方便的，我国的智能设备在吸取总结经验后，均采用蓝牙、Wi-Fi这类无线的方式实现连接的，连接方式简单，不依赖墙内总线布线，就能实现一般家居的智能化。再随着无线通信技术、布线技术以及大规模电路集成技术的发展优化，使得各个设备之间的信息共享不断增加，整个系统安装起来将更加很方便，使用起来也更加灵活。20世纪90年代，智能照明系统进入中国市场，延续到今天，经历了从集中式→集散式→分布式三个发展阶段，我国与发达国家之间的差距正逐步缩小。目前，我国对智能照明系统展开研究的公司有百度、华为和中兴等，都设有科研机构专门研究开发智能照明产品。此外，无线通信技术日趋成熟，各种智能终端设备也将广泛应用。因此，智能照明已经逐步进入人们的生活，被应用于越来越多的场所，例如楼道灯、路灯、景观灯以及交通信号等，变得更日常化。目前我国台灯的普及率很高，市场上的台灯也是品种多样，基本上每个人家里都有一个以上数量的台灯。台灯作为家居的一部分，不同种类的台灯产品在技术上和功能上都存在着较大的差异，与其它的照明产品有异，人们对台灯的多功能方面有着较高的追求，也需要其同时具备时尚元素。所以，智能LED台灯的设计需要融入智能家居的设计理念，以科学智能化、个性多样化以及绿色可持续作为研究和设计的方向。1.3论文章节安排本文是一篇基于STM32技术的智能卧室多功能台灯系统与设计说明书，在进行大量文献资料整理和国内外相关文献资料研读后，开展毕业设计的完成工作。各个章节的具体内容安排如下：第一章是绪论部分，主要论述了与智能家居、智能照明等相关的研究背景，本智能卧室多功能型台灯系统设计的研究目的、研究意义以及与智能台灯相关的国内外发展现状。第二章是开发工具及技术简介，对本次设计用到的相关开发工具及设计的技术知识概括性地介绍一下。第三章是系统总体设计思路和方案，首先对本智能卧室多功能型台灯系统做一个总体需求分析，然后从经济、技术、应用三方面进行的可行性分析。第四章是系统硬件设计与实现过程，主要介绍了本智能卧室多功能型台灯系统中的硬件电路设计部分，包括STM32F103C8T6单片机模块、HC-05蓝牙模块、光敏电阻传感器模块、红外传感器模块、LED驱动电路等各个模块的具体设计过程。第五章是系统软件设计与实现，首先介绍了手机APP端的界面和系统架构设计，然后介绍了蓝牙通信设计的具体实现过程。第六章是系统设备调试，先是说明了系统的软硬件环境配置，然后通过使用测试工具对系统的软硬件各个模块进行测试。第七章是总结与展望，首先是进行论文的整体工作的总结，然后提出该系统设计中存在的可进一步改进之处，最后论述一下本智能台灯系统未来可能的研究方向。第二章开发工具及技术简介这一章主要是对智能台灯系统所涉及到的各种技术进行介绍和阐述，在实现具体功能的过程中离不开每一项关键技术，对相关技术的理解和熟练运用是前期工作的关键。本章介绍了本课题主要使用的开发工具，并对其中涉及的关键技术进行了分析和阐述。2.1Keil简介Keilu5是一款C语言的软件开发系统，功能强大，使用非常方便方便，同时它还拥有编译器安装程序包和调试跟踪等功能，其中主要新增的SWD支持LWIP，而Keilu5的SWD下载速度是Keilu4的5倍，给用户带来全新的体验。u5版本是向后兼容Keilu4的，以前的项目同样可以在Keilu5上开发，而Keilu5则可以为STM32单片机开发提供更好的支持。本Keilu5软件提供多种协议和各种应用程序、标准的USB设备和USB主机栈；适合用于嵌入式开发，提供了GUI库以支持为带有图形用户界面的嵌入式系统；使用这个软件编译程序的过程方便且安全，因为其能实时分析运行中的应用程序，并且可以对指令的每次执行都进行记录，对于程序运行的全部代码覆盖率信息，通过执行分析工具和性能分析器优化程序。另外，通过大量的项目例程可以快速熟悉MDK-ARM的内部特性，这与Cortex单片机软件接口标准是一致的REF_Ref25398\r[2]。2.2AndroidAPP开发工具简介基于Android的开发工具有很多，例如：AndroidStudio是最好的安卓开发工具，也被称为谷歌安卓操作系统的正式开发环境，它拥有数不清的强大功能，包括视觉布局、智能代码编辑器、APK分析器、模拟手机仿真器和实时分析器等等。Eclipse是一个跨界的IDE框架，它支持多种插件，比其他IDE软件更加灵活，因此，在安卓开发过程中，需要预先安装插件。AndroidIDE是AIDE的一种，它可以在手机和平板上进行安卓应用开发，并且支持JavaScript、HTML和CSS等编程语言。InstaBug有很强的错误测试功能，比如录音、截屏注释、日志记录以及屏幕录制测试，并且还提供了详细的解释。B4A是一款简化编程的开发工具，使用BASIC编程语言来进行应用程序的开发，编程也比较简单，用普通的英语就能写出代码，还包含了一些有趣的功能，比如蓝牙调试，可视化编辑。2.3蓝牙技术原理以及开发2.3.1基本技术原理介绍换一种解释方式，蓝牙技术是一种无线通信协议，通过使用此协议，就可以与其它支持蓝牙的设备进行交互通信，比如手机、耳机、音响等支持蓝牙的设备。在最开始的时候，蓝牙技术被称作为一种电线替换技术，把配有蓝牙模块的计算机称作“无绳计算机”，由计算机的多个均配备有蓝牙设备组成，例如笔记本电脑、鼠标、打印机、扫描仪等，通过蓝牙，使它们之间的通信无缝无线，即用无线通信代替有线通信。蓝牙技术可以实现点对点和点对多的通信。和其他通信协议一样，如http、ftp、smtp或imap，其主要特点是耐用性强、复杂度低、消耗低、成本低REF_Ref26612\r[3]。蓝牙的技术原理也被称为跳频扩频技术，是一种无线电技术，首先分割要传输的数据，然后在指定的一个蓝牙信道上传输，保证在可允许的误差下跳到相同的频率。初期蓝牙调制频率使用的调制方法是高斯频移键控方法，发射端的信号通过调制和扩频，接收端再以约定好的方式进行扩解和解调，让其恢复原来的信号，而且因为干扰信号也被扩频了，所以干扰信号的功率密度会大幅度减小，最后在接收端解扩的时候被过滤掉，降低干扰信号的强度，以保证蓝牙通信的安全REF_Ref26612\r[3]。2.3.2基本硬件设置蓝牙系统结构如图2-1所示蓝牙系统结构分为两个模块，射频模块和基带控制模块，射频模块即无线收发单元主要组成，基带控制模块主要分为链路控制单元和链路管理及主机I/O口单元，基带链路控制单元的功能主要处理数字信号以及语言信号的转化过程，链路管理单元的功能主要负责在蓝牙互相通信时，建立验证配置。图2-1蓝牙系统结构蓝牙模块的硬件接口必须为USB接口或RS323接口才能实现数据传输，但是RS323接口的宽带不足会造成数据传输受到一定的影响，理论上USB的传输速率可以达到12Mb/sREF_Ref26612\r[3]，能够满足日常的数据传输，不会在传输速率上出现问题。而拥有USB接口的蓝牙模块可以和单片机或者其他拥有USB接口的设备连接，不需要考虑复杂的串口协议，只要把USB的驱动放到配有储存器的蓝牙中，就可以很简单的对蓝牙模块进行开发。2.3.3蓝牙的扩展开发蓝牙模块使用USB接口时，更具灵活性和便捷性，使用PCM接口和UART串口时，用户可以设置任意一个接口，根据自己的需要即可，从而更方便地进行单片机程序的编写与调试。当条件不允许的情况下，完全可以用蓝牙开发平台模拟该功能，能够极大地缩短蓝牙应用产品的开发时间。除此之外，蓝牙模块还配备有一个独立的3.3V供电模块，3.3V也就是蓝牙模块的额定工作电压，如果接入的电源电压达到5V时，蓝牙的电源模块也可以将输入电压稳定在3.3V。2.4光敏电阻简介光敏电阻传感器是以内光电效应为基础。一种半导体感光材料，其两端与电极引线相接，用透明管封装来达到提高感光的目的，通常有两个电极，作梳齿。光敏电阻传感器在黑暗环境中电阻值较高，受光照时，光敏电阻值降低，光照越强，光敏电阻值越低，光照消失后，光敏电阻阻值也随之减小。再将感光电阻两端的金属电极与电压结合后，受光照射，电流随光强增大而增大，这就是一个光电变换过程。光电阻不具有极性，在使用中既可直接施加直流电压，也可施加交流电压REF_Ref32115\r[4]。从光谱特性方面，光敏电阻可分为三种：红外光敏电阻器，广泛用于红外通信、红外光谱、非接触测量、导弹制导、天文探测等国防、科学研究和工农业生产中；紫外光敏电阻器，对紫外线较灵敏，通常用于探测紫外线；可见光光敏电阻器，在涉及到光电控制的系统中应用广泛，例如光电计数器、可见光探测器、精密零件的厚度检测，也应用于自动开关控制系统，例如楼道感应灯等照明产品的自动开关、光电感应门的自动开关、照相机的自动曝光装置，还有安防方面的应用，如烟雾报警器等。表2-1光敏电阻的主要参数序号参数说明1光电流在一定的外加电压下，当有光照射时，流过的电流称为光电流。2暗电流在一定的外加电压下，当没有光照射的时候，流过的电流称为暗电流。3亮电阻外加电压与光电流之比称为亮电阻。4暗电阻外加电压与暗电流之比称为暗电阻。5灵敏度光敏电阻暗电阻与亮电阻的相对变化值称为灵敏度。6光谱响应光敏电阻在不同波长的单色光照射下的灵敏度。7光照特性指光敏电阻输出的电信号随光照度而变化的特性，在大多数情况下，是非线性的。8伏安特性曲线光敏电阻的外加电压与光电流的关系曲线，其光电流随外加电压的增大而增大。9温度系数指电阻值会随温度的变化而改变。10额定功率电路中时所允许消耗的确定数值的功率，温度升高，消耗功率就降低。2.5红外传感器简介热释放式红外传感器主要由热电系数大的材料制成的。每台检测器加一、二个检测器，并串接两个检测器元件，通常在探测器前装有一个菲涅尔透镜，利用透镜的特殊光学原理，提高探测器的探测灵敏度。人体会产生9~10um的红外辐射中心波长，红外传感器的检测元件对0.2~20um的波长灵敏度范围基本稳定REF_Ref1231\r[5]。该红外传感器感应器顶部有一个窗口，其中装有滤光镜，可透过光的波长范围为7~10um，能够把其他波长的红外线吸收掉，检测到人体红外辐射。2.6开发板简述STM32F103C8T6单片机包含7个定时器，2个ADC，9个通信接口，一个32位的ARM核心，1个微控制器USB等。在通过软件编程时，STM32单片机自由度大、灵活性高、计算功能强大，并且成本低、功耗低、体积小、技术成熟，在计算机配件、家居电器、智能报警器等方面有着广泛的开发应用。表2-2STM32的主要优点序号优点说明1内核ARM32位的Cortex™-M3CPU；最高72MHz工作频率，在存储器的0等待周期访问时可达1.25DMips/MHz。2存储器闪存程序存储器为64K或128K字节。3时钟、复位和电源管理晶体振荡器4～16MHz、可编程的电压监测器(PVD)、RC振荡器8MHz、32kHz的RTC振荡器并带有校准功能，I/O引脚2.0～3.6V。4低功耗有睡眠、停机和待机三种模式。52个模数转换器具有双采样和保持功能，能在1μs的转换时间完成模数转换，转换范围为0V~3.6V。6DMA有7个通道，支持定时器、ADC、SPI、I2C和USART等外设。7I/O端口所有都可以映像到16个外部中断，且几乎都能承受5V信号。87个定时器四个带有4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道的定时器；一个PWM高级控制定时器；两个看门狗定时器。99个通信接口两个支持SMBus/PMBus的I2C接口；三个支持ISO7816接口、IrDA接口和调制解调控制USART接口。在相同的平台上进行应用实践时，STM32F103C8T6优势最大。原因是：第一，使用少量的存放空间和引脚，就能在更多的存放空间和引脚得到应用。第二，在使用性能要求较高的应用时，只需要电源供电就能应用。第三，它只需要使用简单一般的程序，就能开发出较高层次的应用。第四，它具有较高程度的兼容性质以及多方面的灵活性质，可以以原来的框架结构为基础，稍加修改，就能将应用升级，使应用拥有更多的存放空间。2.7本章小结本章节主要说明了本智能卧室多功能型台灯系统的总设计思路，然后介绍了使用到的关键性蓝牙技术的相关知识，包括蓝牙的硬件方面的设置、蓝牙的扩展方面的应用以及使用蓝牙相关程序的过程完成了大致详细的分析。再对项目中起到关键性作用的光敏电阻传感器和红外传感器的相关知识进行了概括性的讲述，最后介绍了此次选用的STM32F103C8T6开发板的相关知识。第三章系统总体分析上一章已经介绍了完成毕设工作中涉及到的理论知识，下面开始进行本智能卧室多功能型系统具体完成过程。当进行设计时，需要对其进行全面的分析。本章首先对本系统总体设计需求进行详细分析，然后明确列出本系统的设计目标，最后对此系统进行了全面的可行性分析。3.1系统总体设计需求本次设计的智能卧室多功能型台灯系统采用STM32F103C8T6单片机为主要的处理单元。并且通过红外传感器、光敏传感器和LED驱动芯片辅助控制系统，实现多功能照明的功能。同时通过蓝牙技术进行与设备的通信，用户可以通过手机APP端发送控制指令，实现系统的手机遥控功能。图3-1系统总体设计图环境光感知模块：采用光敏二极管对外界环境的光强变化进行感知的特性，传感器检测到环境的光感强度变化后，反馈给单片机，单片机进行数据处理，来控制和调节台灯的亮度，从而实现台灯的调光功能。红外传感器模块：用来实现智能模式的功能，可以监测台灯附近是否有出现人，台灯点亮时如果使用者离开，则台灯自动设置灭灯；夜晚需要用灯，台灯检测到感应范围内有人活动则自动亮灯，也是降低台灯电能的消耗，达到节能的目的。手机Android端智能控制台灯模块：利用AndroidStudio软件为手机安卓客户端编写APP应用程序，通过蓝牙模块与STM32主控芯片建立通信，达到通过手机APP远程遥控台灯的开关、调节亮度、定时开关灯以及智能睡眠等模式。图3-2硬件部分设计框架图3.2设备可行性分析3.2.1经济可行性如果想要开发一款产品，前期投入一定要充足，通过经济可行性分析，才能保证该设备真正具有开发价值。近年来，资源日益枯竭，环境危机日益突出，需要发现新能源和节约现有的资源，因此，当应用环保性能的材料对台灯开始实验时，以合理使用光学理论为基础，最后使灯具的光能利用率最大化。通过这种方式可以以最低的成本研究出比较经济实惠的产品。既节约能源又可以高效使用的照明产品也是台灯设计发展的新的未来道路。伴随着我国电子行业的蓬勃发展和物联网技术的日趋成熟，这种设备的成本已成为大多数家庭可以承受的。3.2.2技术可行性需要进行技术可行性分析是因为设备能否成功开发关键在于当前的技术手段能否支撑设备的研发。本文智能卧室多功能台灯系统设备以STM32开发板为主，采用蓝牙5.0技术，并通过AndroidStudio编写的手机应用程序对此进行控制。以我国目前的技术发展水平，是完全支持的。3.2.3应用可行性本系统主要是因为现在智能台灯这一新兴行业在我国的发展起步较晚，智能台灯行业产品质量参差不齐，除此之外，人类对电能的需求也越来越大，而用于供用电的不可再生资源也越来越多，造成了地球资源枯竭的问题，从而设计进一步新颖的、更智能化、功能更多样化、更节能的台灯，很符合目前我国的社会环境。3.3系统设计目标本次智能卧室多功能台灯设计系统选择STM32F103C8T6为核心的单片机开发板作为主要的开发芯片，结合红外传感器模块以及光敏传感器模块等外接硬件，与传统台灯功能简单的不足之处不同，本系统采用物联网技术对这款智能台灯的照明及控制系统进行详细地研究和设计。具体需要实现以下功能：1、开灯关灯。这是每一个台灯具备的基本功能，就不需要过多介绍了。2、台灯的亮度调节。出于保护视力的目的，此功能可以调节灯的不同亮度，在较暗环境下调暗一点，较亮环境下调亮一点，可以最舒适的使用台灯。3、定时功能：可设定一定时间后自动关灯。当需要在有光的环境下入睡时，可以结合上一个功能，调节到最弱的光强，设定需要的时间，这样可以在安心地入睡后，台灯自动关闭，也达到了节能的目的。此外，当睡觉前想再看半个小时书或者浏览手机再睡，就可以设定半个小时后自动关灯，也达到一个类似闹钟提醒的目的。4、灯光切换：暖光即黄光、冷光即白光切换，满足不同情况下的需要。黄光较白光而言更保护眼睛，当在学习或看书等需要集中用眼的时候可以切换到暖光；白光较黄光而言更节能一点，当不需要集中用眼且需要台灯时可以切换到冷光。5、智能模式：在黑暗环境下，有人靠近时，自动亮灯，否则，灯灭。开启智能功能模式后，不需要手动去开关灯，当黑暗环境下如晚上进入房间时，台灯感应到人进入房间后自动开灯，人离开后自动关灯，方便又节能。6、手机APP端遥控：上述功能模式均可通过手机端控制。手机遥控时智能时代的重要体现之一，只需要手指轻轻一点，各种功能随心所欲，以无线的方式通过手机控制台灯，使人们的生活更加方便、快捷和时尚。3.4本章小结本章首先对这款智能卧室多功能型台灯系统应用了全部相关功能方面的需求分析，然后介绍了本设计系统的总体设计思路，再从经济、技术及应用三个方面对整套系统进行了可行性分析，最后简单介绍了已经确定的目标功能。第四章系统硬件设计及实现系统的硬件设计是实现系统各项功能的基础，几乎所有软件系统都需要在相应的硬件平台系统上进行实现。一个稳定可靠的硬件平台才能保障整个系统能正常平稳地运行。因此，在进行硬件的选型时，一定要将根据系统的目标定位、结合设计要求、设计成本的计算比较综合起来考虑。4.1硬件选型在进行智能卧室多功能台灯系统的设计时，开始时就选择适合研究方向使用到的硬件模块。能够实现设备既定目标功能的设计方式有很多种，选择时就依据本智能卧室多功能台灯的需求来进行硬件的选型。本次系统设计板子用到了肖特基整流器、DC插座、双排2列插针、7列插针、串口、灯条、三极管、贴片电阻8050、开关、STM32F103C8T6、HC-05蓝牙模块、光敏电阻传感器、红外传感器等元器件进行焊接的，如图4-1系统封装图所示。图4-1系统设计封装图具体的元器件说明如表4-1所示。表4-1元器件清单序号名称元件符号元件封装类型元件类型数量1肖特基整流器D1DO-214AC_L4.3-W2.7-LS5.3-FDDiode11DQ0312DC插座DC2DC-470-2.1GP-duplicateDC-470-2.1GP13双排2列插针P5HDR2X2Header2X2147列插针P6HDR1X7Header715串口P7HDR1X4Header416灯条P4CONN-TH_2P-P5.00_WJ128V-5.0-2PHeader217三极管Q1、Q2SOT-23RNPN28贴片电阻8050R1、R2、R3、R4、R5、R60805Res269开关S1、S2、S3、S4、S5KEY_MSW-PB510STM32F103C8T6MCUstm32-portStm32f103c8t6_Board111HC-05蓝牙模块U2LYLY112光敏电阻传感器U3GMGM14.1.1开发板选用本次智能卧室多功能台灯系统设计选用的开发板是单片机STM32F103C8T6，如图4-2，其拥有高性能的ARM内核处理器；72MHz的工作频率、丰富的I/O端口、最多128K字节闪存和SRAM的高速存储器内置以及连接到两个APB总线的外部接口。同时满足了先进的中断系统响应能力和优异的计算能力，还为提供了低成本的平台来实现MCU的需求，减少了引脚数量。ARM的RISC处理器，它提供了更高的代码效率，并且它兼容所有的ARM工具和软件，拥有丰富的片内资源，完全满足系统的设计需要REF_Ref9147\r[6]。而且我也比较熟悉这款芯片，因此采用STM32F103C8T6开发板构成系统控制部分。图4-2STM32F103C8T6开发板本次毕业设计选用的单片机芯片为

STM32F103RCT6，其原理图如图4-3所示。图4-3STM32F103C8T6原理图4.1.2蓝牙模块选用本系统选用的是HC-05蓝牙串口模块，该模块是主从一体结构的，就可以不需要通过蓝牙内部的通信协议，直接把蓝牙当做串口使用。用户通过向模块发送各种AT指令来发布控制命令，此时蓝牙模块处于命令响应模式。这种工作模式是HC-05蓝牙模块的两种工作方式之一。另一种工作方式就是自动连接的工作模式，此情况下，模块可分为三种方式：主模式下，蓝牙模块会主动搜索并连接其它的蓝牙模块，执行数据传输的过程；从模式下，蓝牙模块会被其它蓝牙模块连接，执行数据传输的过程；回环模式，指模块将接收的数据原样返回给远程的主设备。图4-4HC-05蓝牙模块蓝牙模块采用的是HC-05蓝牙模块，详细说明如表4-2所示。表4-2HC-05蓝牙模块说明项目说明模块尺寸37*15.6mm，不含针脚。引脚KEY（AT指令设置脚，和按键功能相同）、VCC、GND、RXD、TXD、STATE（未连接时输出0，连接时输出1）。按键相当于拉高或拉低34脚的操作，配合AT指令使用。电压输入电压为3.2~6V，电源自带防反接功能。状态指示状态灯快速闪亮表明主机还没有记录从机地址，且从机未连接；慢速闪亮表明主机已经记录从机地址。连线后，主机从机都是LED两闪一停的情况。接口诸如C51、ARM等单片机均可使用

，也可以直接连接5V单片机。不经过MAX232芯片时也可直接连接单片机串口。通信距离有效距离为10米，且需要保证在空旷的环境下，通信大于10米后通信质量就不能保证。通信格式配对成功后，可做为全双工串口使用，不需借助任何蓝牙协议。默认常用通讯格式:

9600，1，N主从机设置为主从一体，默认为从机模式，可以通过AT指令切换为主机模式。手机APP端与蓝牙建立通信，通过蓝牙串口数据接受、发送数据包，单片机进行判别数据，系统确认传输信息后，进而控制实现台灯的亮灭、亮度调节、定时功能、灯光切换、开启智能模式等功能。图4-5蓝牙模块原理图4.1.3光敏电阻模块选用本系统选用该光敏电阻传感器是因为其灵敏度是可调控的，检测周围环境的亮度和光强的灵敏度也较高，而且此模块没有固定的螺栓孔，安装也很方便。表4-3模块接口说明序号接口说明1VCC外接3.3V-5V电压2GND外接GND3DO数字量输出接口4AO模拟量输出接口使用时要注意，光敏电阻传感器在没有光的环境下，或当光的强度不及预定值时，DO口输出1，当外界环境光强超过设定值时，DO口输出0。通过DO口与单片机直接相连，单片机就可以测试到输出值高电平还是低电平，应用这种方法来检查环境光照强度是否有变化。图4-6光敏电阻传感器模块原理图4.1.4LED模块按键2：LED灯条的开启、关闭，通过按键2实现，根据按键扫描，当按下按键2时，开启LDE灯条，再次按下时，PWM占空比为0，从而关闭LED灯条亮度。按键3：调节LED灯条的亮度，此功能应用按键3完成，根据PWM输出控制LED灯条的亮度，按键3每按一次，PWM占空比增加10%，亮度就更亮一点，最大占空比为百分之一百，当达到最大的占空比时，会回到初始的亮度值，以实现在不同光亮环境下调节为不同光亮强度的功能。按键5：暖光灯、白灯进行切换，通过按键5实现，系统按键扫描识别，当按键5第一次按下时，进行暖光灯照亮，再次按下后白灯照亮切换。控制方式是通过单片机IO口控制电频，实现LED灯光的切换。图4-7LED模块原理图4.1.5红外感应模块智能模式功能中，有一部分是感应台灯周围有没有人出现，因此需要用到一块红外传感器来实现。红外测距的工作性质是三角测距。红外传感器通过红外线测量到台灯到人的距离低于一定距离，就表明有人出现了。具体的测量过程是传感器上的发射器以一定角度向外发射红外线，在遇到人或物体后，红外线会反射回来，然后传感器上的感应器探测到反射光后，基于几何原理算出模块到人或物体的距离，通过距离大小来判断是否有人靠近台灯系统。常用的红外传感器测量距离较近，并有最小距离限制。近似黑色的或透明的物体几乎不能反射红外线的，因此，红外传感器不能探测到这类物体的距离。本系统中只需要红外传感器能够检测出设备前是否有人出现，完全能够满足要求。图4-9红外传感器本系统选用的红外传感器配备有一个红外线发射管和一个红外线接收管，传感器模块展开探测，显示经发射管发出红外线，当探测方向的红外线遇到人的时候，就会反射回来，被传感器接收管接收，并将反射的信号由比较器电路处理，模块上的绿色指示灯点亮则表明处理完成，同时输出一个低电平信号，系统接收到这个低电平信号，就会执行开灯的命令。表4-3红外传感器模块接口说明序号接口说明1VCC外接3.3V-5V电压2GND外接GND3OUT数字量输出接口4电流工作电流，10ma以内图4-10红外传感器电路图在选择红外发射接收电路时，有四个方案可以选择，并且都进行了调试比较，如表4-3所示。表4-4方案选择说明序号具体方案结果一利用40KHz的晶振作为震荡源不选择二使用三脚的红外接收器不选择三用高速CMOS型四重二输入“与非”门74HC00组成RC震荡电路不选择四选用通用音调译码器LM567的5输出38KHz频率选择由表4-4所示，第一个方案中红外线所收到的频率通常为38kHz，但还是很难匹配的。第二个方案在加上接收器的选频功能和解调功能后，就很难用单片机来判断其接收的信号。第三个方案，虽然波形比较准确完整，但是匹配就比较困难。第四个方案红外发射部分没有特殊的信号发生电路，通过8脚输入红外接收器接收到的信号，使得线路及调试工作简单化，也能够防止通过环境的变化、元件参数的变化而造成的收发频率也发生变化，让电路能够稳定可靠，大大增强传感器的抗干扰性能。综上所述，最终选择第四个方案。信号通过LM567的5脚输出的38KHz中心频率输出给三极管Q1，三极管放大信号输出给红外发射器J2，再由红外接收器J3接收，由于LM567的锁相中心频率为8脚输出，而8脚输出由高电平变为低电平，所以该电路通过运算放大器反相放大后输出给输入3脚。LED的电压很低，因此信号指示灯亮，证明前面有人，同时8脚的信号输出给单片机，反映出电平的变化。4.2智能模式实现按键1：开启智能模式，开启后单片机系统通过红外感应传感器采集信号，当红外传感器I/O口接收到一个低电平信号时，判断为有人，否则就判断为没人。当系统感应到有人时，单片机马上开启光敏电阻传感器，光敏电阻传感器根据环境光照强度输出不同的电压值，再通过STM32F103C8T6的自带的ADC转换器，将环境光量化为数字量，得到外界光照强度值，外界的光照强度值低于设定的值时，即表明现在是黑夜，需要开灯，再由系统通过PWM输出控制LED灯条，实现智能模式的自动开灯功能。如果用户不使用智能模式，再次按下按键1时就可以关闭智能模式，同时也关闭红外传感器采集、ADC通道采集，用户可以根据自己实际情况智能模式是否开启。图4-11智能模式功能流程图4.3开关灯功能实现开关灯功能，通过按键2实现，台灯系统最基本的功能，在灯关闭状态下，按一下开，再按一下灭，以此类推。图4-12开关灯功能流程图4.4调光功能实现亮度调节功能，通过按键3实现。通过调节PWM占空比实现LED灯光亮度的调节，每按一次增加10%占空比，上限为100%。此功能可满足在不同光环境下台灯亮度需求，以达到节能和护眼的目的。图4-13亮度调节功能流程图4.5定时功能实现定时功能，通过按键4实现，运用定时器计时，每进入一次定时5秒，时间到达退出定时器，实现定时关灯功能。本系统中程序的定时设定是5秒一次，方便演示。图4-14定时功能流程图4.6灯光切换功能实现冷暖光切换功能，通过按键5实现。本系统选用LED双色灯条来满足两种色光的需求。在灯开启状态下，每按一次键，即可切换为另一种色光，分为冷光和暖光两种，在学习或者工作的时候，选择暖光模式，来达到台灯护眼的目的。图4-15灯光切换功能流程图图4-16（a）冷光图4-16（b）暖光4.7本章小结本章首先详细地讲述了如何选用设备的硬件模块，接着描述了设备各方面性能的具体实现过程，并且附上了实现部分功能的主要代码。接下来开始介绍软件部分的主要设计以及实现过程。第五章系统软件设计及实现本章主要介绍了智能卧室多功能台灯手机APP端的设计和具体实现过程。首先介绍了手机App端的界面设计和总体结构，然后能够实现的功能，接着详细介绍了蓝牙模块的通信设计与实现，最后对进行了总结。5.1APP设计5.1.1界面设计本APP主要用来控制智能台灯的一系列功能，因此界面设计的比较简洁明了，主要分为显示区和按键区。上方显示区用来显示是否与设备蓝牙连接上，若成功连接则显示设备名称；下方按键区，共5个按键，智能模式、开关、亮度、定时、灯光切换，分别实现本系统的主要功能，也对应了硬件设备板上的按键1~5，如图5-1所示。图5-1手机APP界面5.1.2APP结构设计本智能卧室台灯遥控APP通过蓝牙与设备交互，建立通信，来达到APP控制台灯的目的，如图5-2所示。当手机APP端与设备建立连接后，共用一个通道，APP端发送数据，LED模块设备就可以接收到数据。图5-2系统结构图APP系统的工作流程为：首先进行硬件初始化，手机打开蓝牙后，设备开始识别，识别并连接到正确的蓝牙，即可开始根据不同的指令发送不同的命令。硬件模块再根据接收到的命令信号执行相应的功能。图5-3APP工作流程图当APP与设备成功连接时，手机通过蓝牙发送不同的数据命令，即可实现对应功能，如表5-1所示：表5-1APP实现功能按键数据命令实现功能智能模式01开启/关闭智能模式开关02开灯/关灯亮度03调节光光亮度定时04开启/关闭定时灯光切换05冷光/暖光切换5.2组网协议设计本系统设备之间通信方式是通过HC-05蓝牙模块进行的，HC-05是主从一体的蓝牙串口模块，就可以不需要通过蓝牙内部的通信协议，直接把蓝牙当做串口使用。5.2.1通信报文说明由图5-4可知，低功耗蓝牙设备的广播报文结构是由前导、接入地址、协议数据单元和校验四个部分组成的，用来接收蓝牙设备发送的带有蓝牙地址的广播报文。协议数据单元又分为报头、长度和数据三个部分，接收到的蓝牙地址就存放在协议数据单元中。图5-4广播报文结构5.2.2状态切换及组网过程APP与蓝牙通信的过程可以概括为，首先蓝牙设备将入网请求进行广播，APP开始扫描，如果扫描到设备的请求，就可以选择与设备开始配对，成功配对了就是APP成功连接蓝牙了。然后APP端发送命令，通过蓝牙转化为广播指令，设备系统接收到广播指令后执行对应的操作控制。其中，蓝牙设备广播入网请求的过程称为蓝牙设备的广播状态。广播出去的入网请求被APP扫描到之后的过程，被称为蓝牙设备的配对状态。APP成功与蓝牙配对连接后的过程，被称为蓝牙设备的绑定状态。在APP端执行完操作后，就可以关闭蓝牙，与设备的连接断开，此时蓝牙设备又重新进入广播状态。三种状态依次轮流切换。5.3蓝牙通信功能设计5.3.1声明蓝牙权限在AndroidStudio中进行蓝牙相关APP应用的开发时，要先依次声明用于请求连接和传送数据的BLUETOOTH权限和用于蓝牙设置和启动设备的BLUETOOTH_ADMIN权限，再添加ACCESS_COARSE_LOCATION和ACCESS_FINE_LOCATION权限，放开这些权限之后，再进行蓝牙主要程序的编写。5.3.2启动和关闭蓝牙接下来开始撰写启动和关闭蓝牙相关的程序，先写启动蓝牙相关代码，在这之前，要先获取蓝牙适配器，获取到之后检测设备是否支持蓝牙，不支持则返回空。然后调用isEnable()函数来检查判断当前的蓝牙是否打开了，如果返回FALSE，则表明蓝牙没有打开，需要打开蓝牙，否则表明蓝牙已打开。蓝牙没有打开的情况下，就需要调用enable()函数来打开蓝牙。在蓝牙打开后，才可以进行下一步设计。5.3.3发现蓝牙设备1、打开蓝牙的可见性因为安卓设备蓝牙默认是不可见的，就需要调用startActivity()函数，参数为BluetoothAdapter.ACTION_REQUEST_DISCOVERABLE，来提交一个开启蓝牙可见的请求。设备可以通过EXTRA_DISCOVERABLE_DURATION来自定义一个间隔时间，或者使用默认的120秒时间，设置设备可以被搜索的时间，如果设置为0秒，则表示设备可以一直被搜索。2、设备搜索蓝牙上一步操作完成后，设备才能成功扫描到蓝牙。然后开始搜索蓝牙，调用startDiscover()函数来实现搜索蓝牙，并在调用之后通过广播返回搜索对象。3、注册广播为了能连接到正确的蓝牙，手机扫描到的所有蓝牙名称都要显示出来，再选择自己用的蓝牙模块名字的蓝牙进行连接，这个过程需要注册广播，来获取蓝牙搜索的情况。然后调用blueadapter.startDiscovery()函数实现搜索蓝牙。要显示蓝牙的名称，得先存放蓝牙的名称，因此需要定义一个控件列表来存放蓝牙设备的地址，然后将搜索到的蓝牙地址在控件列表上显示出来。由于成功注册后的广播对象会在其他地方被强行引用，不解除注册的话，就会占用activity资源，所以设备搜索的过程完成后，要进行解除注册广播的操作。4、动态申请位置权限除了最开始添加的那些蓝牙权限操作外，还要加一个动态获取位置权限的操作。显示搜索蓝牙的结果，成功请求到显示“打开蓝牙成功”，不选择继续连接显示“放弃打开蓝牙”，其他情况则显示“蓝牙异常”。5.3.4配对蓝牙设备1、作为客户端连接首先要获取代指远程设备BluetoothDevice的对象，再用该对象调用connect()函数建立连接，来获取一个BluetoothSocket对象。

蓝牙连接在子线程中执行整个过程，并且需要再开一个新的子线程专门执行socket.connect()函数，否则放在同一个子线程中，会一直报错。在获得socket的时候，使用的是已经配对过了的连接设备，通过反射的方式，能够自动提示配对，这种方式更适合手机间通信。注册广播时，需要把device作为参数传进线程中，否则会出现空指针异常。然后取消蓝牙设备的扫描，再请求进行蓝牙设备连接的操作，才能成功连接。2、作为服务端连接服务端是要为客户端保存数据、提供资源等服务的，因此需要实现监听连接操作，这个操作用BluetoothServerSocket类来实现，当系统接收到连接后，BluetoothSocket对象将被返回，用于与客户机通信。5.3.5客户端发送数据当APP端成功与蓝牙模块连接之后，开始进行数据传送，用BluetoothSocket对象来实现这个操作。使用getOutputStream()方法获取到输出流。在判定输出流不是空的之后，调用write()函数强制提交其中的数据。为避免只能发送一次数据，在输出流中的数据提交后，还需要关闭输出流。

5.3.6服务端接收数据使用服务端接收数据时，从客户端向服务端发起连接，在接收到连接请求之后，返回一个BluetoothSocket对象，先调用getInputStream()函数获取输入流来处理传输；然后调用read()函数读取接收到的数据；最后调用close()函数关闭输入流。完整的蓝牙通信过程如图5-5所示。图5-5蓝牙通信流程图5.4本章小结本章主要对系统软件部分的设计与实现进行了详细的介绍。首先论述了手机APP端的界面设计的系统架构设计。然后介绍了蓝牙Mesh组网方案通过对通信报文的部分自定义、组网状态切换以及组网流程的实现完成。最后介绍了手机APP端的软件在AndroidStudio应用开发平台上开发的具体过程。第六章设备调试上面已经把系统相关的硬件和软件设计过程中的主要部分详细论述了一遍，以下是关于整个毕业设计的所有调试相关内容分析，不管进行什么产品开发，在完成后都需要进行调试，保证开发出来的产品可以正常安全使用。6.1测试环境搭建在动手进行毕业设计的调试前，需要做好实验的环境准备，即测试环境的搭建，这样进行设备调试时才会比较顺利，减少不必要的麻烦。由于本系统设计是软硬结合的，需要分为硬件方面和软件方面分别各自进行。6.1.1硬件环境配置本次智能卧室多功能台灯系统的设计，首先需要一台能够正常上网使用的电脑，其次，本系统的硬件具体组成部分，包括STM32F103C8T6开发板、HC-05蓝牙模块、红外感应模块、光敏电阻模块、电源等等。6.1.2软件环境配置当配置软件环境的过程中，本系统应该在装备有Keilu5软件和AndroidStudio软件的条件下展开研究。除此之外，还应该装备串口调试助手以完成蓝牙串口通信的测试，USB_TTL或者ST-LINK驱动，用来支持程序的编写过程以及完成信息的传出。表6-1测试环境配置环境需求硬件STM32F103C8T6开发板、HC-05蓝牙模块、红外感应模块、光敏电阻模块、LED灯条软件Keilu5、AndroidStudio、WIN10操作系统、HID转串口小助手6.2系统硬件的调试本智能卧室多功能型系统所应用的硬件包括STM32F103C8T6开发模块、红外光电反射模块、光敏电阻模块、HC-05蓝牙等。基于电路原理图，找出STM32F103C8T6芯片的所有引脚与开发基板的接入点是否有错误。特别要查看电源的接入点，因为STM32F103C8T6芯片引脚数目非常多，每个模块之间的接入点比较密集，很难发现少接或接错的问题，需要细心一点。在确定连线没有问题后，接下来需要进行供电观测，检查系统能否正常工作。其中包括LED能否有效地响应系统状态；芯片是否处于非正常高温状态；开关是否异常闭合等。在调试过程中特别应注意以下几点：1.检测前先测量单片机的电压，蓝牙模块的电压，在保证安全的电压下进行检测，否则会烧坏芯片或其它模块，造成不必要的损失。2.系统测试前，对蓝牙模块进行测试，确保蓝牙模块能正常接收到数据指令。用“HID转串口小助手”测试软件，打开手机蓝牙，连接成功后，模块指示灯两闪一停，就可以进行数据传输了，如图6-1所示。图6-1蓝牙串口通信3.在电路板所有模块连接完成后，获得电源的每一个接入点电压数为：①单片机的38引脚电压数值是5V。②单片机的19、20和39引脚电压数值是0V。当遇到有引脚没有连接，但是它是应该串联上拉电阻的，就可能影响系统的正常运行，导致开发失败。4.对使用的各模块电源VCC，GND进行测量。5.硬件实物连接如图6-1所示。图6-2硬件实物图6.测试下载功能（成功下载到程序）。6.3系统整体调试1.对光敏电阻模块、LED模块、红外感应模块、定时功能、蓝牙模块等每一个模块进行单独的调试，再对装备完成的设备开展全方位调试。2.用串口调试单片机工作是否正常。3.根据作品功能一个一个组合实现调试。4.最后综合调试，并依据调试结果，修改相应的代码内容细节。这一阶段设备的各项功能调试工作已基本完成，基本功能得到验证，达到了预期的效果下面是测试各项功能的总体记录。表6-2各功能测试记录表序号测试功能测试结果1光敏电阻模块能够正常感知环境光的变化，即能够识别白天和黑夜2LED模块能够正常亮灯、亮度变化、冷暖光切换3红外感应模块能够正常识别有人出现4定时功能能够实现一定时间后自动熄灯5蓝牙通信模块能够与APP建立连接，并通过手机控制此系统6.4本章总结本章首先讲述了系统的软件及硬件环境配置。然后按照软硬件分别对系统的各个模块都完成了部分和全方位的测试过程。分开测试是为了当遇到问题时能够较快找到错误的地方。就这样，一部分一部分地完成各个模块的调试，就可以找出所有模块的大多数漏洞，从而避免遇到出人意料的情况。第七章总结与展望7.1本文总结随着社会的进步，人们的生活水平不断提高，以前一般的家居已经不能满足现在人们的生活了，在这种社会现状下，智能家居开始广泛应用。在我们平时的生活里，接触到智能家居的方面太少。引起此类情况的因素有不少，首先，大家对智能家居的认识并不全面。其次，市场上现在有的智能家居产品一般售价不低。综上，导致了我国的智能家居市场并没有很完善。因为使用LED的产品效率高，又能节约大量能源，而且能够运行很长时间，被作为照明灯具的主力材料。人们对照明系统的追求也不仅仅是简单的照明设备而已了，而是想要追求更智能化、个性化的照明产品。结合目前国内外对于LED电源安全性高、成本低、使用效率高等实际要求以及对于可调光乃至智能控制的潜在需求，本毕设说明书是以蓝牙技术为主的的控制系统研究，进行基于STM32F103C8T6芯片的智能卧室多功能型台灯系统的开发。毕设说明书开始部分写了国内和国外与智能台灯的研究现状，下面写了智能卧室多功能型台灯系统的总设计思路，设计应用的技术知识，详细的硬件设计过程和软件设计过程，最后成功完成了本智能卧室多功能型台灯系统设计。与通常的智能台灯相比，本系统应用了LED灯条、HC-05蓝牙模块等硬件设备，功耗更低，手机APP端可以通过蓝牙连接设备，满足不同需求的控制。本智能卧室多功能型台灯系统设计的主要工作如下：（1）硬件元器件的选择和设计。再查阅相关资料后，从成本、功耗和性能等方面来考虑，经过多方对比后，最后选择内部资源丰富、功能强大的STM32F103C8T6作为本系统的主芯片，结合红外传感器、光敏传感器和LED双色条形成了整体的单片机系统。选用HC-05蓝牙串口模块，因为该蓝牙模块具有较高的稳定性和极低的功耗，让所有的系统设备的初期预算更加低，经济实惠，能被广大用户接受。（2）系统的整个系统的程序设计过程。使用Keilu5软件来进行STM32的程序编入和测试的开发，再把完成编入的程序烧录至STM32单片机里。使用AndroidStudio软件完成手机APP端的程序，再进行手机上的下载。（3）系统的调试与检测。系统的硬件电路和软件程序都已经完成后需要对系统的功能进行检测，首先需要仔细检查一下开发板上所有的引脚的焊接点是否都焊接正确了，然后检测各个模块功能是否正常工作，再通过串口助手检测一下蓝牙能否正常通信，最后经过检测，系统达到了预期的基本目标。图7-1智能卧室多功能台灯系统设计7.2后续工作展望鉴于蓝牙技术的低成本、低功耗、高传输速度以及普及性广的特点，与其它无线通信技术相比，在智能家居中的技术选择中具有更大的优势。本系统以蓝牙技术为支撑，实现了智能家居的低成本且智能的控制，科学技术的发展相当迅速的现状，相信未来的蓝牙技术将会有更进一步的发展，到那时蓝牙技术相关的智能家居会拥有更加广阔的发展空