基于MCU的智能唤醒灯设计

摘 要：本文介绍了一种基于单片机（Micro Controller Unit），结合DS12887日历时钟芯片与人体红外传感器的智能床头灯。以一种更温和，更舒适的方式准时地唤醒睡眠中的人。

关键词：DS12887芯片；STM32F103；智能灯

0 引言

研究表明，深度睡眠时因外界的干扰而惊醒，对记忆力、心理和精神状态都有不同程度的负面作用，因此在被闹钟吵醒的早晨仍会有疲惫的感觉。本文基于单片机设计了一种智能化、人性化的床头灯，智能模拟日出的过程，确保睡眠中的人在柔和变化的光线中自然醒来。本文详细的介绍了智能唤醒灯的工作原理与软硬件设计，尝试使日常生活更加舒适，以此提高生活质量。

1 智能唤醒灯的工作原理

本系统采用STM32F103作为主控芯片，处理传感器与键盘采集到的信息，控制唤醒灯的亮度与液晶显示模块，其原理如图1所示。选取HC-RS501热释电红外传感器进行数据采集，将采集到的数据反馈给单片机。为了使单片机准确地获得时间信息，采用DS12887作为日历时钟芯片。使用者可以通过键盘模块来修改单片机中设定的日期时间。液晶显示模块选用0.96寸OLED显示屏，其体积小、分辨率高、价格低廉等特点是本系统的最佳选择。单片机将时间信息、电池电量、唤醒时间等信息通过OLED显示屏简洁地呈现给使用者。当系统时间与设定的唤醒灯触发时间一致时，单片机控制输出占空比可调的PWM波，调节灯光的亮度，模拟日出的过程，唤醒睡眠中的人。

2 智能唤醒灯的硬件设计

本系统将硬件电路分为多个模块，在方便调试与维护的同时，提供了使用者多样的选择。使用者可以选择性的定制智能唤醒灯的功能。

2.1 热释电红外传感器模块

热释电红外传感器模块电路连接如图2所示。本模块安装有光敏电阻，首先检测环境的亮度来判断所需灯光的亮暗。在环境亮度的基础上，对周边环境进行检测。若无人在其感应范围内，唤醒灯的唤醒功能不进行触发。若有人在其感应范围内，则输出高电平给单片机，配合定时模块达到唤醒功能。本模块同时设定有温度补偿，当夏天温度高至30度以上时，探测距离会有一定程度的缩小，温度补偿可作一定的性能补偿。本模块的功耗极低，静态电流小于50毫安。

2.2 定时模块

定时模块由键盘与DS12887模块构成。键盘共设置有六个按键，包括方向键、确定键与返回键。使用者可以通过键盘设定唤醒灯的工作模式与时间日期设定。

本系统选用美国德拉斯公司的DS12887芯片作为时间日期控制芯片。其具有功耗低、外接电路简单及精度高等方面的优势，在实时时钟场合中被广泛应用。该芯片采用CMOS技术制成，将晶振与外部锂电池相关电路都集中地内置于芯片之中。即使断电十几年，其数据仍是不会丢失的。该芯片所具有的闰年补偿功能也是本系统选用它的一大原因，大大的增加了系统时间日历的精确性。

键盘共设置“向上”、“向下”、“向左”、“向右”、“确定”、“返回”六个独立按键。这边采用了独立按键，因其具有编程简单、寿命长、造价低等优点。通过按键，操作者可以对时间日期、定时信息及灯光亮暗进行控制。六个按键分别置于P3口的0到5端口，STM32F103主控芯片可以随时读取时间日期模块中的信息，进行处理后将需要显示的内容传送至OLED显示屏上。

3 智能唤醒灯的软件设计

程序开始后，先将程序初始化，再开启所有中断：若为中断1，则中断入口，使R=0，发送数据，再调用延时程序TIME0，判断R是否等于7：若不是则R+1返回发送数据，继续程序；若是则中断返回；若为中断0，则中断入口，调用延时程序TIME1，使R=7，发送数据，再调用延时程序TIME0，判断R是否等于0：若不是则R-1返回调用延时程序TIME1，继续程序；若是则中断返回，程序结束。

4 应用前景

本系统操作简单、抗干扰能力强、成本低，集时钟、万年历和定时功能于一体，且采用独立模块组成，应用场合更为广泛。基于本系统，亦可添加多种额外功能。（1）FM收音机与MP3播放功能。唤醒睡眠者的同时可以收听FM广播或者播放音乐。（2）防盗功能。人体红外传感器可以监控一定范围，安装报警装置即可有效反馈达到监控的目的。

参考文献

[ 1] 吴运昌. 模拟电子线路基础[ M] . 广州：华南理工大学出版社， 2004.

[ 2] 阎石. 数字电子技术基础[M] . 北京：高等教育出版社， 1997.

[ 3] 周坚. 单片机轻松入门[ M] . 北京：北京航空航天大学出版社， 2007.

[ 4] Mark I Montrose， 等. 电磁兼容的印制电路板设计（第 2版）[ M] . 吕英华译. 北京：机械工业出版社， 2008.

[ 5] 张正刚， 梁妃学. 家庭睡眠监测仪的研制[ J] . 中国医疗设备， 2009， 24（11）：28- 29， 108.

[ 6] 陈新岗， 胡超， 杜海洋， 等. 基于单片机的智能行驶速度限制、 疲惫唤醒器[J] . 重庆工学院学报：自然科学版，2007， 21（8）：41- 44.

[ 7] 彭伟. 单片机 C 语言程序设计实训 100 例：基于 8051 +Proteus 仿真[ M] . 北京：电子工业出版社， 2009.

[ 8] 马忠梅， 等. 单片机的 C 语言应用程序设计（第 4 版）