基于STM32的智能学习台灯设计

2016-05-17东华理工大学核应用技术研究所熊志辉王仁波

电子世界 2016年8期

东华理工大学核应用技术研究所熊志辉王仁波

基于STM32的智能学习台灯设计

东华理工大学核应用技术研究所熊志辉王仁波

【摘要】为了给青少年提供良好的学习环境，预防近视﹑驼背，提高学习效率，本项目设计方案采用STM32微控制器和LD3320可编程语音识别控制系统，开发出了一款高端智能学习台灯。智能学习台灯采用了ASR可编程语音识别算法和NRF无线通讯技术，实现了声控和防近视功能；采用人工智能化创新设计理念，开发出了GUI人机交互操控平台。文中介绍了系统设计方案，给出了硬件电路设计方法，同时介绍了GUI软件架构设计的关键技术。

【关键词】智能台灯；语音识别；人机交互；STM32；NRF无线通讯

0　引言

随着教育的发展，青少年学习负担大﹑任务重，常常因环境光线昏暗﹑书写姿势不端正导致近视﹑驼背，严重影响青少年的身心健康。因此，开发一款高端智能学习台灯对于预防近视﹑驼背，提高学习效率，有着十分重要的意义。

目前在智能台灯研究领域，大都是通过手动调节灯光亮度，不能灵活控制灯光色温，没有近视矫正功能，因而对眼睛带来不良影响，容易导致近视﹑驼背。本文设计了基于STM32的智能学习台灯，以应用理论研究为基础，以技术研发为手段，实现智能调节灯光亮度和色温，防近视语音提醒，拥有强大的闹钟管理，提供合理的作息安排，还有音乐功能，缓解学习压力。

1　系统总体结构

智能学习台灯的系统组成如图1所示，主要由STM32F103微处理器﹑触控液晶彩屏﹑LD3320语音识别﹑系统电源控制﹑超声波防近视监测﹑NRF无线传输﹑音乐播放系统﹑灯光控制组件和多路系统电源构成。智能学习台灯采用PWM数字调光和人体红外感应技术，实现灯光亮度﹑色温和模式调节；采用ASR可编程语音识别技术，对语音指令进行编码后，由STM32主控制器对其解析，实现人工智能控制。防近视监测系统采用超声波测距技术，实现书写姿势监测，通过NRF无线传输将数据发送主机进行分析处理，实时校正青少年书写姿势。

图1　智能学习台灯系统结构图

2　灯光控制电路设计

为了满足青少年对灯光的不同需求，灯光控制设计要求达到灯光亮度﹑灯光色温调节以及灯光模式设置，达到最佳的照明效果。LED调光控制方案有两种：一是线性模拟调光，二是PWM数字调光。采用线性模拟调光时，LED光的特性要随着平均驱动电流而偏移，LED发出的主波长会改变，其相关色温也会改变，不符合设计要求。而采用PWM数字调光时，则保证了LED亮度和色温符合设计指标，并可以提高输出电流精度。

灯光控制方案采用PWM数字调光，主要由暖色和白色LED灯珠﹑光耦PC817﹑MOS功率管IRF9530和调理电阻组成，通过MCU控制器控制输出PWM频率来调节LED灯光亮度和灯光色温。灯光控制电路如图2所示。

图2　灯光控制电路

3　系统电源控制电路设计

电源控制模块包括按键触摸电路和电源软启动电路，实现系统电源软开启与关闭，该电路结构主要由组合逻辑电路﹑光电耦合电路﹑MOSFET场效应功率管以及电容触控电路构成。触摸按键后，触摸芯片产生触摸输出信号，经组合逻辑电路过滤干扰信号后，输出开关信号，控制系统电源的开启，系统上电后，则由微控制器控制系统电源开关信号。电源控制电路如图3所示。

图3　电源控制电路

4　音频解码功放电路设计

智能学习台灯有闹钟报时，音乐播放功能。音频播放器采用硬件解码方式，降低开发难度，只需对解码芯片发送操作指令即可。系统采用PAM8403集成功放芯片作为音频放大器，并设计了功放电源控制电路。音频功放控制电路如图4所示。

图4　音频功放控制电路

5　软件设计

智能学习台灯软件系统结构如图5所示，主要包括GUI人机交互界面控制软件﹑API中间层接口软件﹑各个硬件设备底层驱动，其中GUI交互式界面菜单包括灯光模式﹑灯光色温﹑灯光亮度﹑音乐播放﹑音量调节﹑闹钟设置﹑时间设置﹑眼保健擦﹑系统设置和帮助查询。

图5　智能学习台灯软件系统结构图

5.1灯光亮度﹑色温和模式调节

灯光亮度调节和色温调节各分10级，选中灯光亮度调节菜单可以调节灯光亮度，级数越大，灯光亮度就越高。选中灯光色温调节菜单可以调节灯光色温，级数越大，灯光色温就越高。色温级数为负，表示灯光色温偏低，即灯光颜色偏暖；色温级数为正，表示灯光色温偏高，即灯光颜色偏冷。

智能灯光控制系统提供八种灯光情景模式：阅读﹑书写﹑电影﹑游戏﹑办公﹑夜间﹑卧室和自定义。用户可根据当前环境场合选择合适的灯光情景照明模式，再结合人体红外感应和超声波监测技术，实现了灯光智能开关控制功能。

图6　防近视监测控制流程

5.2语音识别

为了实现“傻瓜式”的便捷操作目的，智能学习台灯采用ASR可编程语音识别控制技术，实现灯光开关﹑亮度调节﹑色温调节﹑灯光模式设置以及音乐播放控制。

LD3320是一颗基于非特定人语音识别技术的声控芯片，可把人的语音转化为语音控制命令。ASR语音识别工作原理：在每次识别过程中，就是把用户说出的语音内容，通过频谱转换为语音特征，再和这个关键词语列表中的条目进行一一匹配，最优匹配的一条作为识别结果。处理器对该识别结果进行解析并执行功能控制。

5.3防近视监测

为了达到全方位护眼效果，防止青少年形成驼背，本项目中设计了防近视检测系统。防近视检测系统采用超声波测距技术，实时监测青少年书写姿势，对监测数据分析处理后，再通过NRF无线传输设备将数据发送到主机。若书写姿势不端正，主机会发出语音提醒，实时提醒青少年纠正书写姿势，达到防止青少年形成驼背﹑预防近视的目的。防近视监测控制流程如图6所示。