基于藍牙的多功能臺燈控制系統設計*

陶曾杰，袁可可，李世友，付定元

(湖南信息學院電子科學與工程學院，湖南 長沙 410151)

如今，人們對臺燈的要求不再是單一的照明，而是追求照明的個性化和智能化[1].而市面上大部分臺燈只具備簡單的開/關功能，智能式多功能臺燈較少，人離開時若忘記關燈，燈會一直開啟，造成電能的浪費.為了解決這個問題，筆者擬設計一套基于藍牙的多功能臺燈控制系統.

1 系統結構

基于藍牙的多功能臺燈控制系統是通過傳感器檢測周圍環境，再利用微控制器進行分析處理，它不僅可以實現臺燈的自動開/關、亮度調節功能，還可以根據使用者的坐姿和使用時間作出語音提醒.臺燈控制系統的設計框架如圖1所示.

圖1 臺燈控制系統設計框架Fig.1 Block Diagram of Lamp Control System

2 硬件設計

2.1 信號檢測

2.1.1 紅外檢測 紅外檢測電路采用HC-SR501，檢測周圍是否有人.當檢測范圍內有人時，紅外模塊2腳輸出一個高電平，經R14限流后導通三極管，此時三極管集電極接地，即PEOPLE端(與P2.2相連)為低電平，LED D5點亮，單片機根據PEOPLE為低電平判斷有人.R13為上拉電阻，當檢測范圍內無人時，2腳輸出低電平，三極管截止，PEOPLE通過上拉電阻變成高電平.紅外檢測電路如圖2所示.

圖2 紅外檢測電路Fig.2 Infrared Detection Circuit

2.1.2 光感檢測 采用光敏電阻根據外界光照強度進行光感檢測.當周圍環境光照強度發生改變時，光敏電阻兩端電壓也發生相應變化[2].光敏電阻與1個100 kΩ的電阻形成分壓電路，傳輸至單片機，單片機將其值與給定值進行比較分析，判斷光照強度，再通過PWM調節燈光的強弱.

2.1.3 超聲波測距 超聲波測距采用HC-SR04，用來檢測使用者與桌面之間的距離.測距時，主控芯片通過Trig引腳發送1個10 μs的脈沖，啟動超聲波測距模塊，模塊內部會自動發射8個40 kHz的方波，并檢測是否有信號返回.當檢測到返回信號時，Echo引腳會輸出1個高電平，該高電平持續的時間即為超聲波從發射到返回的時間[3].

2.2 信號輸出

2.2.1 語音播報 語音播報采用NY3P035語音芯片，用來進行倒計時結束后的語音提醒，以及使用者使用時間過長、坐姿不正確等提醒.NY3P035內置1組PWM輸出器，可直推喇叭，外圍電路相對簡單，僅需要耦合1個104電容即可.語音播報電路如圖3所示.

圖3 語音播報電路Fig.3 Voice Broadcast Circuit

2.2.2 LED驅動電路 為了方便，LED驅動采用USB接口輸出，用來連接負載.當單片機LED端口輸出低電平時，經過限流電阻，導通三極管，此時J6的+極和三極管的集電極相連，J6+極接入+5 V電源，LED開始工作.當單片機LED端口輸出高電平時，三極管截止，J6不得電，負載停止工作.LED驅動電路如圖4所示.

圖4 LED驅動電路Fig.4 LED Drive Circuit

2.2.3 顯示及報警 顯示采用OLED屏，主要顯示倒計時時間、使用者與臺燈之間的距離、外界光線強度/燈光亮度等.超聲波測量的距離小于預設值時通過蜂鳴器進行報警，提醒使用者注意坐姿.

2.3 藍牙通信

藍牙通信采用HC-05藍牙模塊.燈作為從端設備，可以與手機主控制端建立雙向通信，臺燈OLED屏顯示的數據傳送到手機端并顯示，手機端對燈下達控制命令.

3 軟件設計

3.1 主程序流程設計

系統首先初始化，顯示屏顯示倒計時時間、外界光線強度/燈光亮度、使用者與臺燈之間的距離，然后根據自動模式、手動模式或藍牙控制進行不同的操作.自動模式下，紅外感應傳感器檢測是否有人，有則開啟臺燈并開始倒計時.倒計時結束時喇叭播報提醒休息，此時需要手動復位，關閉臺燈并重置倒計時；若此時使用者已離開，則系統會有1個30 s的延時，延時結束后檢測到無人便自動關燈.手動模式下，使用者通過旋鈕開啟臺燈并調節亮度.藍牙控制下，使用者在手機端開啟臺燈并調節亮度.系統主程序流程如圖5所示.

圖5 系統主程序流程Fig.5 Main Flow Chart of System

3.2 藍牙通信設置

藍牙HC-05模塊用來接收數據并將數據傳輸至單片機，再通過手機上的藍牙串口助手發送數據.將藍牙模塊用TTL線與電腦連接，按模塊上的按鍵再上電，進入AT模式(圖6).打開電腦串口調試器，設置好端口號、波特率，選擇十六進制顯示，就可以對藍牙模塊進行調試了[4].

圖6 AT模式下的測試Fig.6 Test in AT Mode

藍牙控制App為現成的藍牙串口助手，它有12個按鍵，選擇其中4個按鍵作為臺燈的控制按鍵，分別控制臺燈開/關、燈光調亮、燈光調暗和自動/手動模式切換.將串口助手和藍牙模塊進行配對連接，模塊上的LED燈由快閃變為2次/s的閃爍，表示連接成功.

在藍牙調試中，利用串口工具將藍牙模塊與電腦相連，通過串口調試助手對藍牙信息進行檢測和修改.在AT模式下可以查看藍牙地址和配對密碼.手機藍牙串口助手與藍牙模塊配對后就發送數據，調試助手接收并顯示收到的數據，藍牙配對測試如圖7所示.圖8示出了手機藍牙串口助手界面，藍牙控制選擇使用4個按鍵，顯示4段數據.

圖7 藍牙配對測試Fig.7 Bluetooth-Paired Test

圖8 藍牙串口助手界面Fig.8 Bluetooth Serial Port Assistant Interface

4 結語

對硬軟件的整體調試和藍牙端的聯機測試后，上電開始實際使用.使用者通過按鍵切換自動/手動模式，并設置定時時間、超聲波閾值等.手動模式下，使用者可以直接調節燈光亮度；自動模式下，紅外感應檢測到人就自動開燈，再根據外界光線強度的變化調節燈光亮度，當超聲波的測量距離小于預設值時會進行報警提醒.當手機藍牙終端與臺燈控制系統連接成功后，藍牙終端通過發送開/關燈信號和調節燈光亮/暗信號來控制臺燈.基于藍牙的多功能臺燈控制系統彌補了現有臺燈功能單一、浪費電能的不足.考慮到該系統中手機控制端App界面利用的是藍牙串口助手界面，界面顯示不夠豐富，因此筆者之后將對手機控制端App采用安卓系統設計出人性化功能更強大的界面.