基于单片机智能照明灯设计

智能照明灯设计文档

1. 项目开发背景

随着科技的发展和智能家居的普及，传统的照明系统已逐渐无法满足现代人的需求。智能照明系统的出现使得灯光控制更加智能化、个性化和高效化。智能照明不仅仅依赖于人工操作，还能够根据环境、人体感应、光线变化等多种因素自动调节。尤其在现代家庭和办公环境中，智能灯具能够为人们提供更加舒适、便捷的光照体验。

本项目旨在设计一个基于单片机的智能照明灯系统，采用STM32F103RCT6为主控芯片，结合超声波传感器进行坐姿检测，利用蓝牙与手机APP进行远程控制，提供更加个性化和智能化的灯光解决方案。系统将具备多种控制方式，如人体感应控制、外界光线调节、定时控制等，并具备低功耗设计，通过锂电池供电，减少对外接电源的依赖，确保系统的灵活性与便捷性。

2. 设计实现的功能

本项目的智能照明灯设计实现了以下主要功能：

1. 1. 智能感应：通过人体感应模块检测是否有人员进入照明范围，自动控制LED灯条的亮灭。
2. 2. 智能调光：根据环境光线变化，自动调节LED灯条的亮度，以保证舒适的照明效果。
3. 3. 启动控制：通过按键控制LED灯条的开关，方便手动操作。
4. 4. 亮度控制：通过按键调节LED灯条的亮度，实现个性化的照明需求。
5. 5. 定时控制：按键控制灯条的定时关灯功能，定时自动关闭灯光，避免浪费能源。
6. 6. 灯色控制：通过按键切换三种灯光颜色（白色、黄色、亮色），适应不同的使用场景。
7. 7. OLED显示屏：显示当前灯光模式、亮度、灯条状态及坐姿检测状态，提供实时反馈。
8. 8. 坐姿监测：利用超声波传感器检测坐姿是否正确，若坐姿不正确，启动蜂鸣器进行提示；当坐姿正确时，关闭蜂鸣器。
9. 9. 手机APP远程控制：通过蓝牙通讯，用户可以在手机APP端控制灯具的开关、亮度、定时、灯光颜色切换、模式选择及坐姿监测功能。
10. 10. 锂电池供电：系统采用锂电池作为电源，不需要外接220V电源，支持USB充电，并通过LED指示灯显示电池电量。

3. 项目硬件模块组成

项目的硬件设计涉及多个模块，具体组成如下：

• • 主控芯片：STM32F103RCT6
• • 作为本系统的核心控制单元，负责系统的所有控制逻辑、数据处理及通讯任务。
• • 人体感应模块：PIR传感器
• • 用于检测是否有人员进入照明区域，从而自动控制LED灯条的亮灭。
• • 环境光感应模块：光敏电阻
• • 检测周围环境的光线强度，自动调节LED灯条的亮度以适应环境光照条件。
• • 超声波传感器：HC-SR04
• • 用于检测坐姿的正确性，通过测量距离来判断坐姿是否符合标准。
• • LED灯条：RGB LED
• • 提供不同的光线颜色和亮度，用户可以根据需求进行调节。
• • OLED显示屏：0.96寸OLED显示模块
• • 显示当前工作模式、光线亮度、灯条状态及坐姿检测状态。
• • 蓝牙模块：HC-05
• • 提供蓝牙通讯功能，使得用户可以通过手机APP远程控制灯具。
• • 蜂鸣器：小型蜂鸣器
• • 用于在坐姿不正确时发出声音提示，提醒用户调整姿势。
• • 电源管理：锂电池及充电电路
• • 提供系统所需的电力，支持USB充电，确保系统的持续运行。

4. 设计思路

本系统的设计思路围绕智能化、低功耗、便捷性展开。为了实现各项功能，系统采用STM32F103RCT6作为主控芯片，具有较强的计算能力和丰富的外设接口。具体设计步骤如下：

1. 1. 硬件选型与电路设计：根据各模块的需求，选择合适的传感器、显示模块和通信模块。通过合理的电路设计，使得各个模块能够高效、稳定地协同工作。
2. 2. 软件开发与调试：在STM32上进行软件编程，完成传感器数据采集、LED控制、按键输入、蓝牙通讯、坐姿监测等功能的实现。通过调试确保系统的稳定性和准确性。
3. 3. 用户界面设计：使用Qt (C++)开发手机APP，通过蓝牙实现远程控制功能。APP界面简洁直观，操作便捷，用户可以轻松控制灯具的各项功能。
4. 4. 电池管理：通过锂电池供电，采用USB充电设计，保证系统的低功耗运行，并提供电池电量显示，提醒用户充电。
5. 5. 测试与优化：进行功能测试、稳定性测试、用户体验测试等，确保系统满足设计要求，并对性能进行优化。

5. 系统功能总结

6. 技术方案

• • 硬件平台：STM32F103RCT6，具有较高的处理能力和丰富的接口，适用于本项目的各种传感器和模块的连接。
• • 开发语言与工具：使用C语言进行嵌入式编程，Qt (C++)进行手机APP开发，采用STM32CubeMX进行硬件配置。
• • 通讯方式：蓝牙（HC-05模块）用于与手机APP进行远程控制，USB充电接口用于锂电池充电。
• • 电源管理：系统采用锂电池供电，支持USB充电，具有低功耗设计，确保长时间运行。

7. 使用的模块技术详情介绍

1. 1. STM32F103RCT6：32位微控制器，支持多种外设接口，适合复杂控制任务。
2. 2. PIR传感器：用于人体运动检测，输出低电平表示检测到运动，输出高电平表示未检测到运动。
3. 3. 光敏电阻：根据周围光照强度变化，调整LED灯条的亮度，确保节能。
4. 4. HC-SR04超声波传感器：通过发送超声波并接收回波，计算距离，从而判断坐姿是否符合标准。
5. 5. OLED显示屏：小尺寸、低功耗、高对比度，适合显示实时数据。
6. 6. HC-05蓝牙模块：支持蓝牙串口通讯，能够与手机APP进行数据交换。
7. 7. 蜂鸣器：用于声音提示，提醒用户进行调整。

8. 预期成果

1. 1. 实现一个功能完整的智能照明灯系统，能够根据人体感应、环境光照变化、定时控制等自动调整灯光。
2. 2. 设计并实现一款手机APP，支持远程控制灯光设置、坐姿检测等功能。
3. 3. 系统具有低功耗设计，能够通过锂电池独立供电，适用于不同场景的照明需求。
4. 4. 提供清晰的OLED显示，便于用户查看当前状态和模式。
5. 5. 系统稳定性高，操作简便，用户体验良好。

9. 总结

本项目设计的智能照明灯系统实现了多种智能控制功能，能够自动根据环境和人体感应调整照明状态，且具有良好的用户交互体验。通过结合现代的传感技术、智能控制技术和蓝牙通信，本系统在确保照明效果的同时，极大提高了系统的能效，提供了更为便捷的操作方式，具有很高的实用价值。

系统的创新点在于：

1. 1. 智能感应与自动调节功能：系统不仅具备基于人体感应的自动开关灯功能，还能根据环境光照强度智能调节LED灯条的亮度，达到节能的效果。
2. 2. 坐姿监测：系统集成了超声波传感器进行坐姿监测，具有健康管理功能，能够实时检测坐姿不当并通过蜂鸣器发出警告，提醒用户保持正确坐姿，有助于提升用户的身体健康。
3. 3. 远程控制与个性化设置：用户可以通过手机APP远程控制灯光的亮度、颜色、定时、模式等，操作灵活方便。同时，灯具的个性化设置可以通过多种按键控制和APP交互来实现。
4. 4. 低功耗设计：系统采用锂电池供电，支持USB充电设计，不依赖外部电源插座。通过电池电量显示和智能电源管理功能，能够确保长期稳定运行。
5. 5. 实时状态反馈：OLED显示屏能够清晰地显示系统的当前状态，如灯光模式、亮度、灯条状态及坐姿监测的实时反馈，方便用户查看和调整。

本设计通过STM32F103RCT6为核心控制芯片，结合超声波、光敏电阻、PIR传感器等多种传感技术，成功实现了一个多功能智能照明系统。系统不仅具有自动调光、定时控制、灯色切换等功能，还结合坐姿监测提供健康提醒，并通过蓝牙与手机APP进行远程控制。系统具有低功耗、高效率和较好的用户体验，满足了智能家居的多样化需求。

随着未来智能家居行业的不断发展，本项目的设计可以不断优化和完善，继续推动智能家居技术的应用，提升人们的生活质量。

10. STM32设计

下面是 STM32F103RCT6 控制的智能照明灯系统的 main.c 文件。这段代码包括了主控制流程、各个模块的初始化与协作，以及基本的控制逻辑。

main.c 示例代码

#include "stm32f10x.h"
#include "stdio.h"
#include "oled.h"
#include "pwm.h"
#include "sensor.h"
#include "bluetooth.h"
#include "buzzer.h"
#include "led.h"
#include "button.h"
#include "timer.h"
#include "lcd.h"

// 定义常量
#define LIGHT_MODE_WHITE   1
#define LIGHT_MODE_YELLOW  2
#define LIGHT_MODE_BRIGHT  3

// 全局变量
uint8_t light_mode = LIGHT_MODE_WHITE;  // 当前灯光模式
uint8_t light_brightness = 50;          // 当前亮度（50%）
uint8_t motion_detected = 0;            // 人体感应状态
uint8_t sit_correct = 0;                // 坐姿监测状态

// 函数声明
void SystemInit(void);
void Initialize(void);
void UpdateLight(void);
void UpdateSitPosition(void);
void DisplayStatus(void);
void ButtonControl(void);
void TimerControl(void);

int main(void)
{
    // 初始化系统
    SystemInit();
    Initialize();

    // 主循环
    while (1)
    {
        // 按键控制（亮度、定时、灯光颜色等）
        ButtonControl();

        // 更新灯光状态
        UpdateLight();

        // 更新坐姿检测
        UpdateSitPosition();

        // 显示状态信息
        DisplayStatus();

        // 定时任务处理
        TimerControl();

        // 可加入睡眠模式等其他低功耗处理（根据需要）
    }
}

// 初始化各个模块
void Initialize(void)
{
    // 初始化OLED显示屏
    OLED_Init();

    // 初始化PWM（用于LED亮度控制）
    PWM_Init();

    // 初始化PIR传感器
    PIR_Init();

    // 初始化光敏电阻（用于自动调节亮度）
    LightSensor_Init();

    // 初始化超声波传感器（用于坐姿检测）
    Ultrasonic_Init();

    // 初始化蓝牙模块
    Bluetooth_Init();

    // 初始化蜂鸣器
    Buzzer_Init();

    // 初始化按键控制
    Button_Init();

    // 初始化定时器（定时控制）
    Timer_Init();
}

// 更新灯光控制状态
void UpdateLight(void)
{
    // 根据人体感应状态控制灯光
    motion_detected = PIR_Read();
    if (motion_detected)
    {
        // 人体感应到则点亮灯光
        LED_On();
    }
    else
    {
        // 没有人体感应时，判断定时是否关闭灯光
        LED_Off();
    }

    // 根据环境光强度自动调节亮度
    int light_level = LightSensor_Read();
    light_brightness = map(light_level, 0, 1023, 0, 100);  // 映射光照值到亮度百分比

    // 设置LED亮度
    PWM_SetDutyCycle(light_brightness);

    // 根据当前的灯光模式选择颜色
    switch (light_mode)
    {
        case LIGHT_MODE_WHITE:
            LED_SetColor(WHITE);  // 设置为白色
            break;
        case LIGHT_MODE_YELLOW:
            LED_SetColor(YELLOW); // 设置为黄色
            break;
        case LIGHT_MODE_BRIGHT:
            LED_SetColor(BRIGHT); // 设置为亮色
            break;
        default:
            break;
    }
}

// 更新坐姿检测状态
void UpdateSitPosition(void)
{
    // 读取超声波传感器的数据来检测坐姿
    sit_correct = Ultrasonic_Read();
    if (!sit_correct)
    {
        // 坐姿不正确时，开启蜂鸣器发出声音提示
        Buzzer_On();
    }
    else
    {
        // 坐姿正确时，关闭蜂鸣器
        Buzzer_Off();
    }
}

// 显示当前状态信息
void DisplayStatus(void)
{
    // 在OLED上显示当前的灯光模式、亮度、坐姿状态等
    OLED_Clear();
    OLED_SetCursor(0, 0);

    // 显示灯光模式
    if (light_mode == LIGHT_MODE_WHITE)
        OLED_Print("Mode: White");
    else if (light_mode == LIGHT_MODE_YELLOW)
        OLED_Print("Mode: Yellow");
    else
        OLED_Print("Mode: Bright");

    // 显示亮度
    OLED_SetCursor(0, 1);
    OLED_Print("Brightness: ");
    OLED_PrintNum(light_brightness);

    // 显示坐姿状态
    OLED_SetCursor(0, 2);
    if (sit_correct)
        OLED_Print("Sit: Correct");
    else
        OLED_Print("Sit: Incorrect");
}

// 按键控制（控制灯光的开关、亮度、定时等）
void ButtonControl(void)
{
    // 检查按键输入，控制灯光开关、亮度、灯光颜色等
    if (Button_Pressed())
    {
        if (Button_Read() == BUTTON_MODE_CHANGE)
        {
            // 切换灯光模式（白色、黄色、亮色）
            light_mode++;
            if (light_mode > LIGHT_MODE_BRIGHT)
                light_mode = LIGHT_MODE_WHITE;
        }
        else if (Button_Read() == BUTTON_BRIGHTNESS_UP)
        {
            // 增加亮度
            if (light_brightness < 100)
                light_brightness += 10;
        }
        else if (Button_Read() == BUTTON_BRIGHTNESS_DOWN)
        {
            // 降低亮度
            if (light_brightness > 0)
                light_brightness -= 10;
        }
    }
}

// 定时控制（实现定时关灯、定时任务等）
void TimerControl(void)
{
    static uint32_t last_time = 0;
    uint32_t current_time = GetSysTickCount();

    // 定时控制灯光关闭
    if (current_time - last_time > 10000) // 10秒定时关闭灯光
    {
        last_time = current_time;
        LED_Off();  // 关闭灯光
    }
}

// 映射函数（将传感器输入映射到指定范围）
int map(int value, int from_low, int from_high, int to_low, int to_high)
{
    return (value - from_low) * (to_high - to_low) / (from_high - from_low) + to_low;
}

代码说明：

1. 1. 主控逻辑：
• • main() 函数中进入主循环，定期调用 ButtonControl()、UpdateLight()、UpdateSitPosition()、DisplayStatus() 等函数来处理按键控制、灯光控制、坐姿监测和状态显示。
2. 2. 模块初始化：
• • Initialize() 函数用于初始化所有硬件模块，包括OLED显示、PIR传感器、环境光传感器、超声波传感器、蓝牙模块等。
3. 3. 灯光控制：
• • 根据人体感应和环境光线强度，自动调整灯光状态（开/关、亮度、颜色）。使用PWM控制亮度，并根据光线强度动态调整亮度。
4. 4. 坐姿监测：
• • 使用超声波传感器来检测坐姿是否正确，若检测到坐姿不正确，则启用蜂鸣器进行提示。
5. 5. 按键控制：
• • 按键控制灯光的模式切换、亮度调节等操作。
6. 6. 定时控制：
• • 使用系统定时器进行定时控制功能，比如10秒后自动关闭灯光。