基于STM32的智能台灯系统设计与实现

一、项目概述

本项目旨在通过软硬件结合的方式，设计并实现一个基于STM32的智能台灯系统。该系统主要用于提供个性化、智能化的照明解决方案，实现自动调光、色温调节、情景模式等功能，广泛应用于家庭学习、办公照明、阅读休闲等领域。

技术栈关键词

硬件：STM32单片机、BH1750光照传感器、HC-SR501人体感应、WS2812B RGB灯珠、OLED显示屏、语音识别模块
软件：C语言、PWM调光算法、传感器数据处理、通信协议
控制方式：自动调光、情景模式、语音控制、手机APP控制
核心功能：环境光自适应、人体感应、色温调节、健康照明

二、系统架构

系统架构设计

本系统的硬件架构主要包括STM32单片机作为控制核心，光照传感器用于环境光检测，人体感应传感器用于人员检测，RGB灯珠用于照明，OLED显示屏用于状态显示。系统采用I2C、SPI和PWM接口进行各组件之间的数据传输。

系统架构图：

二、系统架构设计

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┌─────────────────┐    ┌──────────────────┐
│   手机APP控制   │◄──►│   语音控制模块   │
│   /微信小程序   │    │   (语音识别)     │
└─────────────────┘    └──────────────────┘
            │                      │
            │ 蓝牙/UART           │ UART
            ▼                      ▼
┌─────────────────────────────────────────────┐
│              STM32主控制器                  │
│  ┌─────────────┬─────────────┬────────────┐  │
│  │  照明控制   │  传感器模块  │  显示模块  │  │
│  │    (PWM)    │   (I2C/ADC) │  (I2C/SPI) │  │
│  └─────────────┴─────────────┴────────────┘  │
└─────────────────────────────────────────────┘
         │              │              │
    ┌────┴─────┐   ┌────┴─────┐   ┌────┴────┐
    │ RGB灯珠  │   │光照/人体 │   │ OLED   │
    │ WS2812B  │   │ 传感器    │   │ 显示屏  │
    └──────────┘   └──────────┘   └─────────┘
组件选择

STM32单片机：选择STM32F103C8T6，性能稳定，PWM输出丰富，适合照明控制
光照传感器：BH1750数字光强传感器，高精度，支持I2C通信
人体感应传感器：HC-SR501红外热释电传感器，灵敏度可调
RGB灯珠：WS2812B智能LED，集成驱动IC，可编程控制
OLED显示屏：0.96寸OLED显示屏，I2C接口，低功耗
语音模块：LD3320语音识别模块，支持中文指令识别
蓝牙模块：HC-05蓝牙模块，支持手机APP通信

三、环境搭建

硬件连接：

BH1750光照传感器 → STM32 I2C接口（PB6-PB7），HC-SR501人体感应 → STM32 GPIO引脚（PA0），WS2812B RGB灯珠 → STM32 PWM引脚（PA8），OLED显示屏 → STM32 I2C接口（PB8-PB9），语音模块 → STM32 UART接口（PA9-PA10），蓝牙模块 → STM32 UART接口（PA2-PA3）

软件环境：

开发环境使用Keil uVision或STM32CubeIDE，安装必要的库文件，如STM32的HAL库、WS2812B驱动库、OLED显示库，配置系统时钟，确保PWM频率稳定

四、代码实现过程

基于STM32的智能台灯系统中各个模块的代码实现过程，包括传感器数据采集、PWM调光控制、自动调光算法、情景模式控制等。每个模块的代码示例将配以详细的代码说明，以确保逻辑清晰、易于理解和维护。

1. 系统初始化模块

系统初始化主要完成各硬件模块的初始化和系统参数的设置。系统状态结构体 ：定义系统运行状态的结构体，包含亮度、色温、工作模式等参数，外设初始化 ：依次初始化GPIO、I2C、PWM、UART等外设接口，传感器初始化 ：初始化光照传感器、OLED显示屏、RGB灯珠等外设，初始状态设置：设置默认的亮度和色温参数

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#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "bh1750.h"
#include "ws2812b.h"
#include "oled.h"
#include "stdio.h"

// 系统状态结构体
typedef struct {
    uint8_t brightness;      // 亮度 0-100%
    uint16_t color_temp;     // 色温 2700-6500K
    uint8_t mode;           // 工作模式
    uint8_t auto_mode;      // 自动模式开关
    uint32_t light_level;   // 环境光照强度
    uint8_t presence;       // 人体存在状态
} SystemStatus;

SystemStatus sys_status = {
    .brightness = 70,
    .color_temp = 4000,
    .mode = 0,
    .auto_mode = 1,
    .light_level = 0,
    .presence = 0
};

// 系统初始化函数
void System_Init(void) {
    // HAL库初始化
    HAL_Init();
    
    // 系统时钟配置
    SystemClock_Config();
    
    // GPIO初始化
    MX_GPIO_Init();
    
    // I2C初始化（光照传感器和OLED）
    MX_I2C1_Init();
    
    // PWM初始化（RGB调光）
    MX_TIM1_Init();
    
    // UART初始化（语音和蓝牙）
    MX_USART1_UART_Init();
    MX_USART2_UART_Init();
    
    // 外设初始化
    BH1750_Init();      // 光照传感器
    OLED_Init();        // OLED显示屏
    WS2812B_Init();     // RGB灯珠初始化
    
    // 初始状态设置
    Set_Brightness(sys_status.brightness);
    Set_Color_Temperature(sys_status.color_temp);
    
    printf("智能台灯系统初始化完成\r\n");
}

2. 光照传感器模块

光照传感器模块负责采集环境光照强度数据，测量模式选择 ：使用一次高分辨率模式，测量精度较高，数据滤波 ：采用一阶低通滤波消除噪声干扰，环境光评估：根据光照强度将环境分为不同等级，用于后续调光决策

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// BH1750光照传感器读取函数
uint32_t Read_Light_Level(void) {
    uint8_t data[2];
    uint32_t lux = 0;
    
    // 发送测量命令（一次高分辨率模式）
    uint8_t cmd = BH1750_ONE_TIME_HIGH_RES_MODE;
    HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, BH1750_ADDR, &cmd, 1, 100);
    
    // 等待测量完成
    HAL_Delay(180);
    
    // 读取测量结果
    if (HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, BH1750_ADDR, data, 2, 100) == HAL_OK) {
        lux = ((data[0] << 8) | data[1]) / 1.2;
    }
    
    // 低通滤波处理
    static uint32_t filtered_lux = 0;
    const float alpha = 0.3;  // 滤波系数
    filtered_lux = alpha * lux + (1 - alpha) * filtered_lux;
    
    sys_status.light_level = filtered_lux;
    return filtered_lux;
}

// 环境光评估函数
uint8_t Evaluate_Ambient_Light(uint32_t lux) {
    if (lux < 50) {
        return LIGHT_LEVEL_DARK;      // 很暗
    } else if (lux < 200) {
        return LIGHT_LEVEL_LOW;       // 较暗
    } else if (lux < 500) {
        return LIGHT_LEVEL_MEDIUM;    // 适中
    } else if (lux < 1000) {
        return LIGHT_LEVEL_BRIGHT;    // 较亮
    } else {
        return LIGHT_LEVEL_VERY_BRIGHT; // 很亮
    }
}

3. 自动调光算法模块

自动调光算法根据环境光照和用户习惯自动调节台灯亮度，光照-亮度映射 ：建立环境光照与目标亮度的对应关系，人体感应影响 ：检测到无人时自动降低亮度节能，平滑过渡 ：采用渐进式调整避免亮度突变，时间因素考虑：根据一天中的不同时间调节色温，符合人体生物钟

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// 自动调光算法
uint8_t Auto_Brightness_Adjust(uint32_t ambient_lux) {
    uint8_t target_brightness = sys_status.brightness;
    
    // 根据环境光照计算目标亮度
    if (ambient_lux < 50) {
        // 环境很暗：需要较高亮度
        target_brightness = 80;
    } else if (ambient_lux < 200) {
        // 环境较暗：中等亮度
        target_brightness = 60;
    } else if (ambient_lux < 500) {
        // 环境适中：较低亮度
        target_brightness = 40;
    } else if (ambient_lux < 1000) {
        // 环境较亮：很低亮度
        target_brightness = 20;
    } else {
        // 环境很亮：最低亮度
        target_brightness = 10;
    }
    
    // 考虑人体存在状态
    if (sys_status.presence == 0) {
        // 无人时自动降低亮度或关闭
        target_brightness = target_brightness / 2;
    }
    
    // 平滑过渡（避免亮度突变）
    static uint8_t current_brightness = 70;
    if (abs(target_brightness - current_brightness) > 5) {
        // 每次调整不超过5%
        if (target_brightness > current_brightness) {
            current_brightness += 5;
        } else {
            current_brightness -= 5;
        }
    }
    
    return current_brightness;
}

// 色温自适应调节
uint16_t Auto_Color_Temperature_Adjust(uint32_t ambient_lux, uint8_t time_hour) {
    uint16_t target_temp = 4000;  // 默认4000K
    
    // 根据时间调节色温
    if (time_hour >= 6 && time_hour <= 9) {
        // 早晨：较高色温提神
        target_temp = 5000 + (time_hour - 6) * 100;
    } else if (time_hour > 9 && time_hour <= 18) {
        // 白天：自然白光
        target_temp = 5500;
    } else if (time_hour > 18 && time_hour <= 21) {
        // 傍晚：逐渐变暖
        target_temp = 4000 - (time_hour - 18) * 200;
    } else {
        // 夜晚：低色温助眠
        target_temp = 3000 - (time_hour - 21) * 100;
        if (target_temp < 2700) target_temp = 2700;
    }
    
    // 根据环境光照微调
    if (ambient_lux < 100) {
        // 环境暗时偏暖色
        target_temp -= 300;
    } else if (ambient_lux > 800) {
        // 环境亮时偏冷色
        target_temp += 200;
    }
    
    return target_temp;
}

4. PWM调光控制模块

PWM调光控制模块负责控制LED的亮度和颜色。PWM控制 ：通过调整PWM占空比控制LED亮，色温-RGB映射 ：将色温值转换为RGB颜色值，平滑过渡：实现亮度渐变的视觉效果，提升用户体验

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// 设置亮度函数
void Set_Brightness(uint8_t brightness) {
    // 限制范围
    if (brightness > 100) brightness = 100;
    
    // 计算PWM占空比
    uint16_t duty_cycle = (brightness * PWM_PERIOD) / 100;
    
    // 设置PWM输出
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, duty_cycle);
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_2, duty_cycle);
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_3, duty_cycle);
    
    // 更新系统状态
    sys_status.brightness = brightness;
    
    printf("亮度设置为: %d%%\r\n", brightness);
}

// 设置色温函数
void Set_Color_Temperature(uint16_t color_temp) {
    // 限制色温范围
    if (color_temp < 2700) color_temp = 2700;
    if (color_temp > 6500) color_temp = 6500;
    
    // 计算RGB值（简化算法）
    float ratio = (color_temp - 2700.0f) / (6500.0f - 2700.0f);
    uint8_t red, green, blue;
    
    // 冷白光 -> 暖白光过渡
    red = 255;
    green = 255 - (uint8_t)(ratio * 80);
    blue = 255 - (uint8_t)(ratio * 150);
    
    // 设置RGB颜色
    Set_RGB_Color(red, green, blue);
    
    // 更新系统状态
    sys_status.color_temp = color_temp;
    
    printf("色温设置为: %dK\r\n", color_temp);
}

// 平滑调光过渡
void Smooth_Brightness_Transition(uint8_t target_brightness, uint16_t duration_ms) {
    uint8_t current = sys_status.brightness;
    uint8_t steps = 50;  // 过渡步数
    uint16_t delay_time = duration_ms / steps;
    
    if (target_brightness > current) {
        // 渐亮
        for (uint8_t i = current; i <= target_brightness; i++) {
            Set_Brightness(i);
            HAL_Delay(delay_time);
        }
    } else {
        // 渐暗
        for (uint8_t i = current; i >= target_brightness; i--) {
            Set_Brightness(i);
            HAL_Delay(delay_time);
        }
    }
}

5. 情景模式控制模块

情景模式控制模块提供多种预设的照明模式，模式定义 ：定义多种实用的照明场景模式，参数预设 ：每个模式都有预设的亮度和色温参数，自动选择：根据时间和环境自动选择合适的情景模式

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// 情景模式定义
typedef enum {
    MODE_READING = 0,     // 阅读模式
    MODE_WORKING,         // 工作模式
    MODE_RELAX,           // 休闲模式
    MODE_SLEEP,           // 睡眠模式
    MODE_MOVIE,           // 观影模式
    MODE_CUSTOM           // 自定义模式
} SceneMode;

// 设置情景模式
void Set_Scene_Mode(SceneMode mode) {
    switch (mode) {
        case MODE_READING:
            // 阅读模式：高亮度，中性色温
            Set_Brightness(90);
            Set_Color_Temperature(5000);
            printf("已切换到阅读模式\r\n");
            break;
            
        case MODE_WORKING:
            // 工作模式：适中亮度，偏冷色温
            Set_Brightness(80);
            Set_Color_Temperature(5500);
            printf("已切换到工作模式\r\n");
            break;
            
        case MODE_RELAX:
            // 休闲模式：较低亮度，暖色温
            Set_Brightness(50);
            Set_Color_Temperature(3500);
            printf("已切换到休闲模式\r\n");
            break;
            
        case MODE_SLEEP:
            // 睡眠模式：渐暗过程，暖色温
            Smooth_Brightness_Transition(10, 3000);
            Set_Color_Temperature(2700);
            printf("已切换到睡眠模式\r\n");
            break;
            
        case MODE_MOVIE:
            // 观影模式：低亮度，避免反光
            Set_Brightness(20);
            Set_RGB_Color(20, 20, 30);  // 微弱的蓝光
            printf("已切换到观影模式\r\n");
            break;
            
        case MODE_CUSTOM:
            // 自定义模式：保持当前设置
            printf("自定义模式\r\n");
            break;
    }
    
    sys_status.mode = mode;
}

// 自动情景模式选择
void Auto_Scene_Selection(uint8_t time_hour, uint32_t ambient_lux) {
    if (time_hour >= 22 || time_hour < 6) {
        // 夜间时段：睡眠模式
        Set_Scene_Mode(MODE_SLEEP);
    } else if (time_hour >= 8 && time_hour <= 17) {
        // 工作时间段：根据环境选择
        if (ambient_lux < 300) {
            Set_Scene_Mode(MODE_WORKING);
        } else {
            Set_Brightness(40);  // 环境较亮时降低亮度
        }
    } else {
        // 其他时段：休闲模式
        Set_Scene_Mode(MODE_RELAX);
    }
}

6. 人体感应控制模块

人体感应控制模块检测人员存在状态，实现智能开关控制。状态检测 ：实时检测人体存在状态，延时判断 ：采用延时判断避免误触发，智能控制 ：根据人员状态自动调节照明，节能设计：无人时自动降低亮度或关闭

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// 人体感应检测
uint8_t Detect_Human_Presence(void) {
    static uint32_t last_detection_time = 0;
    static uint8_t presence_state = 0;
    
    // 读取人体感应传感器状态
    uint8_t current_state = HAL_GPIO_ReadPin(PIR_GPIO_Port, PIR_Pin);
    
    if (current_state == 1) {
        // 检测到人体
        last_detection_time = HAL_GetTick();
        if (presence_state == 0) {
            presence_state = 1;
            printf("检测到人员进入\r\n");
        }
    } else {
        // 未检测到人体
        uint32_t current_time = HAL_GetTick();
        if (presence_state == 1 && (current_time - last_detection_time > 30000)) {
            // 超过30秒未检测到人体，认为人员离开
            presence_state = 0;
            printf("人员已离开\r\n");
        }
    }
    
    sys_status.presence = presence_state;
    return presence_state;
}

// 基于人体感应的智能控制
void Human_Presence_Control(void) {
    if (sys_status.presence == 1) {
        // 有人时：根据环境光自动调节
        if (sys_status.auto_mode) {
            uint8_t target_brightness = Auto_Brightness_Adjust(sys_status.light_level);
            if (abs(target_brightness - sys_status.brightness) > 10) {
                Smooth_Brightness_Transition(target_brightness, 1000);
            }
        }
    } else {
        // 无人时：逐渐降低亮度
        static uint32_t last_presence_time = 0;
        uint32_t current_time = HAL_GetTick();
        
        if (sys_status.brightness > 0) {
            if (current_time - last_presence_time > 60000) {  // 1分钟后
                Smooth_Brightness_Transition(0, 2000);  // 2秒内关闭
                last_presence_time = current_time;
                printf("无人状态，自动关闭台灯\r\n");
            } else if (current_time - last_presence_time > 30000) {  // 30秒后
                Set_Brightness(sys_status.brightness / 2);  // 降低一半亮度
            }
        }
    }
}

7. 用户交互模块

用户交互模块提供多种控制方式，包括触摸按键、语音控制和手机APP控制。多方式控制 ：支持触摸、语音、蓝牙APP多种控制方式，防抖处理 ：按键检测添加防抖处理，命令解析 ：语音和蓝牙命令的解析与执行，状态反馈：向APP发送当前系统状态

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// 触摸按键处理
void Touch_Key_Handler(void) {
    static uint8_t last_key_state[4] = {0};
    uint8_t current_key_state[4];
    
    // 读取触摸按键状态
    current_key_state[0] = HAL_GPIO_ReadPin(KEY1_GPIO_Port, KEY1_Pin);
    current_key_state[1] = HAL_GPIO_ReadPin(KEY2_GPIO_Port, KEY2_Pin);
    current_key_state[2] = HAL_GPIO_ReadPin(KEY3_GPIO_Port, KEY3_Pin);
    current_key_state[3] = HAL_GPIO_ReadPin(KEY4_GPIO_Port, KEY4_Pin);
    
    // 检测按键按下事件
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        if (current_key_state[i] == 0 && last_key_state[i] == 1) {
            // 按键按下
            Process_Key_Press(i);
        }
        last_key_state[i] = current_key_state[i];
    }
}

// 处理按键按下事件
void Process_Key_Press(uint8_t key_index) {
    switch (key_index) {
        case 0:  // 开关/模式切换
            if (sys_status.brightness > 0) {
                Smooth_Brightness_Transition(0, 500);
            } else {
                Smooth_Brightness_Transition(70, 500);
            }
            break;
            
        case 1:  // 亮度增加
            if (sys_status.brightness < 100) {
                Set_Brightness(sys_status.brightness + 10);
            }
            break;
            
        case 2:  // 亮度减少
            if (sys_status.brightness > 10) {
                Set_Brightness(sys_status.brightness - 10);
            }
            break;
            
        case 3:  // 情景模式切换
            sys_status.mode = (sys_status.mode + 1) % 5;
            Set_Scene_Mode(sys_status.mode);
            break;
    }
}

// 语音控制处理
void Voice_Control_Handler(void) {
    uint8_t voice_command = 0;
    
    // 读取语音模块数据
    if (HAL_UART_Receive(&huart1, &voice_command, 1, 10) == HAL_OK) {
        switch (voice_command) {
            case VOICE_CMD_ON:
                Smooth_Brightness_Transition(70, 500);
                printf("语音命令：开灯\r\n");
                break;
                
            case VOICE_CMD_OFF:
                Smooth_Brightness_Transition(0, 500);
                printf("语音命令：关灯\r\n");
                break;
                
            case VOICE_CMD_BRIGHT_UP:
                if (sys_status.brightness < 90) {
                    Set_Brightness(sys_status.brightness + 10);
                }
                printf("语音命令：调亮\r\n");
                break;
                
            case VOICE_CMD_BRIGHT_DOWN:
                if (sys_status.brightness > 10) {
                    Set_Brightness(sys_status.brightness - 10);
                }
                printf("语音命令：调暗\r\n");
                break;
                
            case VOICE_CMD_READING_MODE:
                Set_Scene_Mode(MODE_READING);
                printf("语音命令：阅读模式\r\n");
                break;
        }
    }
}

// 蓝牙APP控制处理
void Bluetooth_Control_Handler(void) {
    uint8_t bluetooth_buffer[32];
    uint8_t data_length = 0;
    
    // 检查蓝牙数据
    if (HAL_UART_Receive(&huart2, bluetooth_buffer, 32, 10) > 0) {
        // 解析控制命令
        if (bluetooth_buffer[0] == 0xAA) {  // 帧头
            uint8_t command = bluetooth_buffer[1];
            uint8_t param1 = bluetooth_buffer[2];
            uint8_t param2 = bluetooth_buffer[3];
            
            switch (command) {
                case BT_CMD_SET_BRIGHTNESS:
                    Set_Brightness(param1);
                    break;
                    
                case BT_CMD_SET_COLOR_TEMP:
                    Set_Color_Temperature(param1 * 100);
                    break;
                    
                case BT_CMD_SET_MODE:
                    Set_Scene_Mode(param1);
                    break;
                    
                case BT_CMD_GET_STATUS:
                    Send_Status_To_App();
                    break;
            }
        }
    }
}

五、项目总结与未来展望

本项目成功设计并实现了一个基于STM32的智能台灯系统，通过软硬件结合的方式，展示了嵌入式系统在智能照明领域的实际应用。系统的主要目标是提供智能化、个性化、健康化的照明解决方案，具备良好的实用性和扩展性。

未来展望

本项目不仅实现了智能台灯的基本功能，还在用户体验、健康保护、节能环保等方面进行了深入设计，具有良好的市场前景和社会价值。

增加Wi-Fi模块：实现远程控制和云服务
集成摄像头：实现人脸识别和坐姿检测
增加环境传感器：CO₂、PM2.5等环境监测
机器学习算法：用户习惯的深度学习优化
太阳能供电：增加太阳能充电功能
组网功能：多台灯组网和协同控制