智能背光手表設計與實現

程升強 王紅心 湯莉莉 吳沅賽 何晨威 陳泓坤 徐偉 雷濤 王軍

摘 要：本設計是在傳統手表上加入了單片機技術從而實現智能背光的一款手表。通過超聲波傳感器發送超聲波，并且讀取回波使超聲波模塊的芯片產生高電平，根據時間計算人臉距手表的距離，再通過光敏傳感器收集外界光線信息，來判定是否超過預定閾值，然后將收集的信息傳遞給STM32F407芯片，芯片在輸出相應的PWM點亮手表上的LED燈，從而實現智能背光，同時可以根據外界光線亮度來調節LED燈的亮度。

關鍵詞：單片機技術 超聲波 光敏電阻 PWM 輸入捕獲

中圖分類號：TP399 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）12（b）-0133-02

隨著科技日益發展的腳步，手表進一步融入了我們的生活，生活中隨處可見手表的存在，手表能為我們提供準確的時間，方便了我們的日常生活和日常作息安排。但傳統的手表在某些光線昏暗的情況下，卻顯得不那么方便我們獲取時間。為此，我們團隊結合所學單片機知識設計出了這款可實現智能背光的手表，讓我們在光線昏暗的條件下，一抬手腕其上面的手表就可以自動背光，無需向市面上其他的產品一樣還需開啟其他的按鍵才有背光，更加方便我們在這種情況下獲取時間。

智能背光是指利用單片機處理技術，在傳統手表上外接一個單片機最小系統板和其他與本設計所需的傳感器模塊，并通過軟件控制來實現自動開啟LED背光的功能。其原理是利用手表上的超聲波傳感器發送超聲波，并且讀取回波使超聲波模塊的芯片產生高電平時間來計算人臉距手表的距離，再通過光敏傳感器收集外界光線信息，在距人臉一定的距離并且外界光線較昏暗的時候自動開啟LED背光，并且可以通過感應外界光線的強度來自動調節LED燈的亮度，從而實現智能化。

1 系統設計方案

在主控芯片選擇上，我們采用處理信息能力更強大的基于Cortex—M4內核的STM32F407芯片作為主控芯片[1-3]，超聲波傳感器發送超聲波，然后通過定時器輸入捕獲通道捕獲超聲波模塊上傳回的超聲波信息，進而測量人臉與手表的距離，并通過系統光敏電阻傳感器模塊檢測外界光線亮度條件是否達到了預設的閾值，然后將模塊收集到的信息傳遞給主控芯片，芯片再根據收集到的信息，進行相應處理后，通過最小系統板上相應的引腳對手表上的LED燈輸出相應的PWM波[4]來控制燈的亮暗度，當外界光線變化時，手表上的LED燈也能改變相應的亮度。

1.1 硬件設計

硬件部分由單片機最小系統板、電源、穩壓電路、超聲波模塊、光敏傳感器和手表上的LED燈等組成，本設計的系統硬件電路框架圖如圖1所示。

其中，電源通過穩壓電路向STM32最小系統板和系統內各模塊提供持續穩定的電壓。通過定時器的輸入捕獲通道捕獲收集來自超聲波模塊傳回的信息和光敏傳感器的外界光線條件信息，芯片經過處理后，計算出人臉距手表表面的距離，再由定時器的PWM輸出通道向相應的引腳輸出對應的PWM波給手表上的LED燈，進而控制手表上LED燈的開關和亮暗。

1.2 軟件設計

本設計軟件部分是在Keil5軟件上編寫完成的。具體實現框圖如圖2所示。

超聲波傳感器發送超聲波后，系統內STM32F407芯片通過定時器的輸入捕獲通道捕獲來自超聲波模塊信號，來檢測手表距離人臉的距離，并通過光敏傳感器檢測外界光源是否超過設值，主控芯片在通過相應的定時器的PWM輸出通道向相應的引腳輸出對應的PWM波來點亮手表上的LED燈。

2 系統難點及關鍵技術

本設計方案的難點：

（1）超聲波模塊采集信息的條件要求較高（要求有一個光滑且較為完整的平面），且信號采集容易受外界影響不穩定。

（2）通過收集外界光線亮度調節PWM輸出值，根據相應的外界亮度來調節手表上的LED燈有不同的亮度，程序調試過程較繁瑣。

（3）運用到了多個定時器同時工作，且需讓它們工作正常，不互相干擾。

本設計方案的關鍵技術有：

（1）電源穩壓技術，單片機最小系統板和系統內其他模塊工作在最適宜的工作條件需要一個穩定可靠的電壓。

（2）同時運用到了一個定時器的多個通道（輸入捕獲，PWM輸出），且不互相干擾。

（3）運用了STM32F407芯片強大的信息處理能力，實現了對系統內多個模塊的精確控制。

3 系統結果與測試分析

（1）超聲波模塊在大于2cm且小于100cm時可以穩定工作，測量精度較準。

（2）STM32F407芯片定時器的PWM輸出和輸入捕獲功能正常，能較準確地收集超聲波模塊傳回的超聲波信息，能輸出較完整的PWM波送給LED燈。

（3）電源穩壓芯片電路工作正常，能提供給STM32最小系統板和系統內各模塊持續且穩定的電壓。

（4）背光顯示正常，且能實現背光智能化。

4 結語

本智能背光手表通過在傳統手表上加入了單片機技術，可以解決在某些光線昏暗的情況下傳統手表無法獲取時間的情況，且可以實現智能化，在外界光線亮度較弱的條件下，只需抬手就可以自動背光，便于我們獲取時間，更加方便人們的生活。

參考文獻

[1] 蒙博宇.STM32自學筆記[M].北京：北京航空航天大學出版社，2012.

[2] 劉火良，楊森.單片機與嵌入式：STM32庫開發實戰指南[M].北京：機械工業出版社，2013.

[3] 張洋，劉軍，嚴漢宇，等.精通STM32F4：庫函數版[M].北京：北京航空航天大學出版社，2015.

[4] 陳國呈.PWM逆變技術及應用[M].北京：中國電力出版社，2007.