程升强 王红心 汤莉莉 吴沅赛 何晨威 陈泓坤 徐伟 雷涛 王军
摘 要：本设计是在传统手表上加入了单片机技术从而实现智能背光的一款手表。通过超声波传感器发送超声波，并且读取回波使超声波模块的芯片产生高电平，根据时间计算人脸距手表的距离，再通过光敏传感器收集外界光线信息，来判定是否超过预定阈值，然后将收集的信息传递给STM32F407芯片，芯片在输出相应的PWM点亮手表上的LED灯，从而实现智能背光，同时可以根据外界光线亮度来调节LED灯的亮度。
关键词：单片机技术 超声波 光敏电阻 PWM 输入捕获
中图分类号：TP399 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）12（b）-0133-02
随着科技日益发展的脚步，手表进一步融入了我们的生活，生活中随处可见手表的存在，手表能为我们提供准确的时间，方便了我们的日常生活和日常作息安排。但传统的手表在某些光线昏暗的情况下，却显得不那么方便我们获取时间。为此，我们团队结合所学单片机知识设计出了这款可实现智能背光的手表，让我们在光线昏暗的条件下，一抬手腕其上面的手表就可以自动背光，无需向市面上其他的产品一样还需开启其他的按键才有背光，更加方便我们在这种情况下获取时间。
智能背光是指利用单片机处理技术，在传统手表上外接一个单片机最小系统板和其他与本设计所需的传感器模块，并通过软件控制来实现自动开启LED背光的功能。其原理是利用手表上的超声波传感器发送超声波，并且读取回波使超声波模块的芯片产生高电平时间来计算人脸距手表的距离，再通过光敏传感器收集外界光线信息，在距人脸一定的距离并且外界光线较昏暗的时候自动开启LED背光，并且可以通过感应外界光线的强度来自动调节LED灯的亮度，从而实现智能化。
1 系统设计方案
在主控芯片选择上，我们采用处理信息能力更强大的基于Cortex—M4内核的STM32F407芯片作为主控芯片[1-3]，超声波传感器发送超声波，然后通过定时器输入捕获通道捕获超声波模块上传回的超声波信息，进而测量人脸与手表的距离，并通过系统光敏电阻传感器模块检测外界光线亮度条件是否达到了预设的阈值，然后将模块收集到的信息传递给主控芯片，芯片再根据收集到的信息，进行相应处理后，通过最小系统板上相应的引脚对手表上的LED灯输出相应的PWM波[4]来控制灯的亮暗度，当外界光线变化时，手表上的LED灯也能改变相应的亮度。
1.1 硬件设计
硬件部分由单片机最小系统板、电源、稳压电路、超声波模块、光敏传感器和手表上的LED灯等组成，本设计的系统硬件电路框架图如图1所示。
其中，电源通过稳压电路向STM32最小系统板和系统内各模块提供持续稳定的电压。通过定时器的输入捕获通道捕获收集来自超声波模块传回的信息和光敏传感器的外界光线条件信息，芯片经过处理后，计算出人脸距手表表面的距离，再由定时器的PWM输出通道向相应的引脚输出对应的PWM波给手表上的LED灯，进而控制手表上LED灯的开关和亮暗。
1.2 软件设计
本设计软件部分是在Keil5软件上编写完成的。具体实现框图如图2所示。
超声波传感器发送超声波后，系统内STM32F407芯片通过定时器的输入捕获通道捕获来自超声波模块信号，来检测手表距离人脸的距离，并通过光敏传感器检测外界光源是否超过设值，主控芯片在通过相应的定时器的PWM输出通道向相应的引脚输出对应的PWM波来点亮手表上的LED灯。
2 系统难点及关键技术
本設计方案的难点：
（1）超声波模块采集信息的条件要求较高（要求有一个光滑且较为完整的平面），且信号采集容易受外界影响不稳定。
（2）通过收集外界光线亮度调节PWM输出值，根据相应的外界亮度来调节手表上的LED灯有不同的亮度，程序调试过程较繁琐。
（3）运用到了多个定时器同时工作，且需让它们工作正常，不互相干扰。
本设计方案的关键技术有：
（1）电源稳压技术，单片机最小系统板和系统内其他模块工作在最适宜的工作条件需要一个稳定可靠的电压。
（2）同时运用到了一个定时器的多个通道（输入捕获，PWM输出），且不互相干扰。
（3）运用了STM32F407芯片强大的信息处理能力，实现了对系统内多个模块的精确控制。
3 系统结果与测试分析
（1）超声波模块在大于2cm且小于100cm时可以稳定工作，测量精度较准。
（2）STM32F407芯片定时器的PWM输出和输入捕获功能正常，能较准确地收集超声波模块传回的超声波信息，能输出较完整的PWM波送给LED灯。
（3）电源稳压芯片电路工作正常，能提供给STM32最小系统板和系统内各模块持续且稳定的电压。
（4）背光显示正常，且能实现背光智能化。
4 结语
本智能背光手表通过在传统手表上加入了单片机技术，可以解决在某些光线昏暗的情况下传统手表无法获取时间的情况，且可以实现智能化，在外界光线亮度较弱的条件下，只需抬手就可以自动背光，便于我们获取时间，更加方便人们的生活。
参考文献
[1]蒙博宇.STM32自学笔记[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012.
[2]刘火良，杨森.单片机与嵌入式：STM32库开发实战指南[M].北京：机械工业出版社，2013.
[3]张洋，刘军，严汉宇，等.精通STM32F4：库函数版[M].北京：北京航空航天大学出版社，2015.
[4]陈国呈.PWM逆变技术及应用[M].北京：中国电力出版社，2007.
