STM32项目实战：基于STM32F103的智能台灯控制

LCG元2026-04-29 9:50

文章目录

    • 一、前言
      • [1.1 技术背景](#1.1 技术背景)
      • [1.2 应用场景](#1.2 应用场景)
      • [1.3 读者收获](#1.3 读者收获)
      • [1.4 技术栈](#1.4 技术栈)
    • 二、环境准备
      • [2.1 硬件要求](#2.1 硬件要求)
      • [2.2 模块连接](#2.2 模块连接)
    • 三、核心实现
      • [3.1 PWM调光驱动](#3.1 PWM调光驱动)
      • [3.2 人体感应与自动调光](#3.2 人体感应与自动调光)
      • [3.3 触摸按键](#3.3 触摸按键)
      • [3.4 主控程序](#3.4 主控程序)
    • 四、系统架构
    • 五、测试验证
      • [5.1 功能测试](#5.1 功能测试)
      • [5.2 性能测试](#5.2 性能测试)
    • 六、故障排查
      • [6.1 LED闪烁](#6.1 LED闪烁)
      • [6.2 人体感应误触发](#6.2 人体感应误触发)
    • 七、总结
      • [7.1 核心知识点](#7.1 核心知识点)
      • [7.2 扩展方向](#7.2 扩展方向)

一、前言

1.1 技术背景

智能台灯是现代智能家居的重要组成部分，不仅提供基本的照明功能，还集成了亮度调节、色温控制、定时开关、人体感应等智能化功能。通过环境光感应和人体存在检测，智能台灯可以实现自动开关和亮度调节，提供更加舒适和节能的照明体验。

STM32F103系列微控制器凭借其丰富的外设接口、较高的性价比和完善的生态系统，成为智能台灯控制系统的理想选择。

1.2 应用场景

  • 学习办公：自动亮度调节，护眼模式
  • 卧室床头：人体感应，夜间模式
  • 儿童房间：定时关闭，防近视提醒
  • 智能家具：语音控制，APP远程控制

1.3 读者收获

完成本教程后，你将掌握：

  • PWM调光技术
  • 人体红外感应（PIR）
  • 环境光检测（光敏电阻/BH1750）
  • 触摸按键设计
  • 定时器应用
  • 低功耗设计

1.4 技术栈

硬件平台：

  • 主控芯片：STM32F103C8T6
  • 人体感应：HC-SR501 PIR模块
  • 环境光检测：BH1750 / 光敏电阻
  • 调光方式：PWM + MOS管
  • 显示模块：OLED12864
  • 通信模块：ESP8266 WiFi

软件工具：

  • IDE：Keil MDK-ARM / STM32CubeIDE
  • 固件库：STM32Cube HAL库

二、环境准备

2.1 硬件要求

系统框图：
通信模块
LED驱动
传感器组
STM32F103主控
电源系统
PWM1
PWM2
AC 220V
DC 5V
DC 3.3V
TIM2

PWM输出
ADC
I2C1
GPIO
USART1
HC-SR501

人体感应
BH1750

光照强度
触摸按键
冷白光

LED
暖白光

LED
MOS管1
MOS管2
OLED显示
ESP8266

WiFi

硬件清单：

  • STM32F103C8T6最小系统板 × 1
  • HC-SR501人体感应模块 × 1
  • BH1750光照传感器 × 1
  • 触摸按键模块 × 3
  • 冷白LED灯带 × 1
  • 暖白LED灯带 × 1
  • IRF540N MOS管 × 2
  • OLED12864显示屏 × 1
  • ESP8266 WiFi模块 × 1
  • 5V电源适配器 × 1
  • 杜邦线若干

2.2 模块连接

PWM输出：

  • PA0（TIM2_CH1）→ 冷白LED驱动
  • PA1（TIM2_CH2）→ 暖白LED驱动

传感器连接：

  • PIR输出 → PA2
  • BH1750 SCL → PB6
  • BH1750 SDA → PB7

三、核心实现

3.1 PWM调光驱动

📄 创建文件：Inc/led_pwm.h

c 复制代码 
/* led_pwm.h - LED PWM调光驱动 */
#ifndef __LED_PWM_H
#define __LED_PWM_H

#include "main.h"

#define PWM_MAX     1000    /* PWM最大值 */

/* 函数声明 */
void LED_PWM_Init(void);
void LED_SetCold(uint16_t brightness);
void LED_SetWarm(uint16_t brightness);
void LED_SetColorTemp(uint16_t cold, uint16_t warm);
void LED_SetBrightness(uint16_t brightness);
void LED_SetColorTempPercent(uint8_t percent);
void LED_Off(void);

#endif /* __LED_PWM_H */

📄 创建文件：Src/led_pwm.c

c 复制代码 
/* led_pwm.c - LED PWM调光驱动实现 */
#include "led_pwm.h"

extern TIM_HandleTypeDef htim2;

/**
 * @brief PWM初始化
 */
void LED_PWM_Init(void)
{
    TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
    
    htim2.Instance = TIM2;
    htim2.Init.Prescaler = 71;      /* 72MHz / 72 = 1MHz */
    htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim2.Init.Period = PWM_MAX - 1;  /* 1kHz PWM频率 */
    htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    HAL_TIM_PWM_Init(&htim2);
    
    /* 配置通道1 - 冷白LED */
    sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
    sConfigOC.Pulse = 0;
    sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
    sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
    
    /* 配置通道2 - 暖白LED */
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_2);
    
    /* 启动PWM */
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_2);
}

/**
 * @brief 设置冷白LED亮度
 */
void LED_SetCold(uint16_t brightness)
{
    if (brightness > PWM_MAX) brightness = PWM_MAX;
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, brightness);
}

/**
 * @brief 设置暖白LED亮度
 */
void LED_SetWarm(uint16_t brightness)
{
    if (brightness > PWM_MAX) brightness = PWM_MAX;
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_2, brightness);
}

/**
 * @brief 设置混合色温
 */
void LED_SetColorTemp(uint16_t cold, uint16_t warm)
{
    LED_SetCold(cold);
    LED_SetWarm(warm);
}

/**
 * @brief 设置总亮度（保持色温比例）
 */
void LED_SetBrightness(uint16_t brightness)
{
    static uint16_t current_cold = 500;
    static uint16_t current_warm = 500;
    
    if (brightness > PWM_MAX) brightness = PWM_MAX;
    
    /* 按比例调整 */
    uint32_t total = current_cold + current_warm;
    if (total == 0) total = 1;
    
    uint16_t new_cold = (uint32_t)brightness * current_cold / total;
    uint16_t new_warm = brightness - new_cold;
    
    LED_SetCold(new_cold);
    LED_SetWarm(new_warm);
}

/**
 * @brief 设置色温比例（0-100，0=最冷，100=最暖）
 */
void LED_SetColorTempPercent(uint8_t percent)
{
    if (percent > 100) percent = 100;
    
    uint16_t warm = (uint32_t)percent * PWM_MAX / 100;
    uint16_t cold = PWM_MAX - warm;
    
    LED_SetColorTemp(cold, warm);
}

/**
 * @brief 关闭LED
 */
void LED_Off(void)
{
    LED_SetColorTemp(0, 0);
}

3.2 人体感应与自动调光

📄 创建文件：Src/auto_control.c

c 复制代码 
/* auto_control.c - 自动控制 */
#include "main.h"
#include "led_pwm.h"
#include "bh1750.h"

#define PIR_PIN     GPIO_PIN_2
#define PIR_PORT    GPIOA

#define LIGHT_THRESHOLD_LOW     50      /* 低于此值开灯 */
#define LIGHT_THRESHOLD_HIGH    200     /* 高于此值关灯 */
#define DELAY_OFF_TIME          30000   /* 无人后30秒关灯 */

/* 状态 */
typedef enum {
    MODE_MANUAL,    /* 手动模式 */
    MODE_AUTO       /* 自动模式 */
} LampModeTypeDef;

static LampModeTypeDef lamp_mode = MODE_MANUAL;
static uint8_t lamp_on = 0;
static uint32_t last_pir_time = 0;
static uint16_t target_brightness = 500;

/**
 * @brief 初始化PIR
 */
void PIR_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    
    GPIO_InitStruct.Pin = PIR_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLDOWN;
    HAL_GPIO_Init(PIR_PORT, &GPIO_InitStruct);
}

/**
 * @brief 检查PIR状态
 */
uint8_t PIR_Check(void)
{
    return HAL_GPIO_ReadPin(PIR_PORT, PIR_PIN) == GPIO_PIN_SET;
}

/**
 * @brief 自动亮度调节
 */
void Auto_Brightness_Adjust(void)
{
    uint16_t light;
    uint16_t brightness;
    
    /* 读取环境光 */
    if (BH1750_ReadLight(&light) != 0) {
        return;
    }
    
    /* 根据环境光计算目标亮度 */
    /* 环境光越暗，台灯越亮 */
    if (light < LIGHT_THRESHOLD_LOW) {
        brightness = PWM_MAX;  /* 最亮 */
    } else if (light > LIGHT_THRESHOLD_HIGH) {
        brightness = 0;        /* 关闭 */
    } else {
        /* 线性插值 */
        brightness = PWM_MAX * (LIGHT_THRESHOLD_HIGH - light) / 
                    (LIGHT_THRESHOLD_HIGH - LIGHT_THRESHOLD_LOW);
    }
    
    target_brightness = brightness;
    
    /* 平滑过渡 */
    static uint16_t current_brightness = 0;
    if (current_brightness < target_brightness) {
        current_brightness += 10;
        if (current_brightness > target_brightness) {
            current_brightness = target_brightness;
        }
    } else if (current_brightness > target_brightness) {
        current_brightness -= 10;
        if (current_brightness < target_brightness) {
            current_brightness = target_brightness;
        }
    }
    
    LED_SetBrightness(current_brightness);
}

/**
 * @brief 自动控制任务
 */
void Auto_Control_Task(void)
{
    if (lamp_mode != MODE_AUTO) {
        return;
    }
    
    /* 检测人体 */
    if (PIR_Check()) {
        last_pir_time = HAL_GetTick();
        
        if (!lamp_on) {
            lamp_on = 1;
            DEBUG_PRINT("检测到人体，开灯\r\n");
        }
    }
    
    /* 无人检测 */
    if (lamp_on && (HAL_GetTick() - last_pir_time > DELAY_OFF_TIME)) {
        lamp_on = 0;
        LED_Off();
        DEBUG_PRINT("长时间无人，关灯\r\n");
        return;
    }
    
    /* 自动调光 */
    if (lamp_on) {
        Auto_Brightness_Adjust();
    }
}

/**
 * @brief 设置模式
 */
void Lamp_SetMode(LampModeTypeDef mode)
{
    lamp_mode = mode;
    if (mode == MODE_MANUAL) {
        DEBUG_PRINT("切换到手动模式\r\n");
    } else {
        DEBUG_PRINT("切换到自动模式\r\n");
    }
}

/**
 * @brief 手动开关灯
 */
void Lamp_Toggle(void)
{
    if (lamp_on) {
        lamp_on = 0;
        LED_Off();
        DEBUG_PRINT("手动关灯\r\n");
    } else {
        lamp_on = 1;
        LED_SetBrightness(500);
        DEBUG_PRINT("手动开灯\r\n");
    }
}

3.3 触摸按键

📄 创建文件：Src/touch_key.c

c 复制代码 
/* touch_key.c - 触摸按键 */
#include "main.h"

#define KEY_POWER_PIN   GPIO_PIN_3
#define KEY_UP_PIN      GPIO_PIN_4
#define KEY_DOWN_PIN    GPIO_PIN_5
#define KEY_PORT        GPIOA

#define KEY_DEBOUNCE    20
#define KEY_LONG_TIME   1000

typedef enum {
    KEY_NONE,
    KEY_POWER,
    KEY_UP,
    KEY_DOWN
} KeyTypeDef;

typedef enum {
    KEY_STATE_IDLE,
    KEY_STATE_PRESS,
    KEY_STATE_HOLD
} KeyStateTypeDef;

/* 函数声明 */
void TouchKey_Init(void);
KeyTypeDef TouchKey_Scan(void);
void TouchKey_Process(void);

static KeyStateTypeDef key_state = KEY_STATE_IDLE;
static uint32_t key_press_time = 0;
static KeyTypeDef last_key = KEY_NONE;

/**
 * @brief 初始化触摸按键
 */
void TouchKey_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    
    GPIO_InitStruct.Pin = KEY_POWER_PIN | KEY_UP_PIN | KEY_DOWN_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLDOWN;
    HAL_GPIO_Init(KEY_PORT, &GPIO_InitStruct);
}

/**
 * @brief 扫描按键
 */
KeyTypeDef TouchKey_Scan(void)
{
    if (HAL_GPIO_ReadPin(KEY_PORT, KEY_POWER_PIN) == GPIO_PIN_SET) {
        return KEY_POWER;
    }
    if (HAL_GPIO_ReadPin(KEY_PORT, KEY_UP_PIN) == GPIO_PIN_SET) {
        return KEY_UP;
    }
    if (HAL_GPIO_ReadPin(KEY_PORT, KEY_DOWN_PIN) == GPIO_PIN_SET) {
        return KEY_DOWN;
    }
    return KEY_NONE;
}

/**
 * @brief 处理按键
 */
void TouchKey_Process(void)
{
    KeyTypeDef key = TouchKey_Scan();
    uint32_t current_time = HAL_GetTick();
    
    switch (key_state) {
        case KEY_STATE_IDLE:
            if (key != KEY_NONE) {
                key_state = KEY_STATE_PRESS;
                key_press_time = current_time;
                last_key = key;
            }
            break;
            
        case KEY_STATE_PRESS:
            if (key == KEY_NONE) {
                /* 短按释放 */
                key_state = KEY_STATE_IDLE;
                
                /* 执行短按操作 */
                switch (last_key) {
                    case KEY_POWER:
                        Lamp_Toggle();
                        break;
                    case KEY_UP:
                        /* 增加亮度 */
                        LED_SetBrightness(target_brightness + 100);
                        break;
                    case KEY_DOWN:
                        /* 降低亮度 */
                        LED_SetBrightness(target_brightness - 100);
                        break;
                    default:
                        break;
                }
            } else if ((current_time - key_press_time) > KEY_LONG_TIME) {
                /* 长按 */
                key_state = KEY_STATE_HOLD;
                
                /* 执行长按操作 */
                if (last_key == KEY_POWER) {
                    /* 长按电源键切换模式 */
                    Lamp_SetMode(lamp_mode == MODE_MANUAL ? MODE_AUTO : MODE_MANUAL);
                }
            }
            break;
            
        case KEY_STATE_HOLD:
            if (key == KEY_NONE) {
                key_state = KEY_STATE_IDLE;
            } else if (last_key == KEY_UP) {
                /* 长按增加亮度 */
                LED_SetBrightness(target_brightness + 50);
                HAL_Delay(50);
            } else if (last_key == KEY_DOWN) {
                /* 长按降低亮度 */
                LED_SetBrightness(target_brightness - 50);
                HAL_Delay(50);
            }
            break;
    }
}

3.4 主控程序

📄 创建文件：Src/main.c

c 复制代码 
/* main.c - 智能台灯主程序 */
#include "main.h"
#include "led_pwm.h"
#include "bh1750.h"

/* 函数声明 */
void System_Init(void);

/**
 * @brief 系统初始化
 */
void System_Init(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    
    /* 初始化外设 */
    MX_GPIO_Init();
    MX_TIM2_Init();
    MX_I2C1_Init();
    MX_USART1_UART_Init();
    
    /* 初始化模块 */
    LED_PWM_Init();
    BH1750_Init();
    PIR_Init();
    TouchKey_Init();
    
    DEBUG_PRINT("\r\n===========================\r\n");
    DEBUG_PRINT("智能台灯控制系统启动\r\n");
    DEBUG_PRINT("===========================\r\n");
}

/**
 * @brief 主函数
 */
int main(void)
{
    uint32_t last_auto_time = 0;
    
    System_Init();
    
    while (1) {
        /* 处理触摸按键 */
        TouchKey_Process();
        
        /* 自动控灯任务（每100ms） */
        if (HAL_GetTick() - last_auto_time >= 100) {
            last_auto_time = HAL_GetTick();
            Auto_Control_Task();
        }
        
        HAL_Delay(10);
    }
}

四、系统架构

短按电源
长按电源
上下键
无按键
有人
无人
是
否
开始
系统初始化
主循环
扫描按键
按键处理
开关灯
切换模式
调节亮度
自动控灯任务
更新显示
检测人体
检测环境光
超时?
自动调光
关灯

五、测试验证

5.1 功能测试

  • PWM调光：0-100%亮度调节
  • 色温调节：冷白到暖白切换
  • 人体感应：检测范围5米
  • 自动调光：根据环境光自动调节

5.2 性能测试

  • PWM频率：1kHz（无频闪）
  • 响应时间：<100ms
  • 功耗：<5W

六、故障排查

6.1 LED闪烁

排查：

  1. 提高PWM频率
  2. 检查电源滤波
  3. 增加MOS管驱动能力

6.2 人体感应误触发

优化：

  1. 调整PIR灵敏度
  2. 增加延时判断
  3. 优化安装位置

七、总结

7.1 核心知识点

  1. PWM调光：频率与占空比控制
  2. 人体感应：PIR原理与应用
  3. 自动调光：环境光反馈控制
  4. 触摸按键：电容触摸原理

7.2 扩展方向

  • 添加WiFi远程控制
  • 集成语音控制
  • 添加定时功能
  • 实现场景模式

💡 提示：PWM频率建议>1kHz，避免人眼可见频闪。

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