智能LED臺(tái)燈的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

成鳳敏

(唐山學(xué)院 信息工程系，河北 唐山 063000)

智能LED臺(tái)燈的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

成鳳敏

(唐山學(xué)院 信息工程系，河北 唐山 063000)

為解決傳統(tǒng)臺(tái)燈耗電量大，易造成視覺(jué)疲勞，無(wú)護(hù)眼功能等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種多功能智能LED臺(tái)燈，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)檢測(cè)用戶(hù)而自動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉、亮度調(diào)節(jié)以及用戶(hù)坐姿提醒等功能。

LED；智能臺(tái)燈；單片機(jī)；紅外傳感器；PWM

0 引言

臺(tái)燈的光源一般有白熾燈和熒光燈。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，白熾燈只有5%的電耗用于發(fā)光照明，其他全都被轉(zhuǎn)換成熱能消耗掉，夏天使用甚至?xí)谷擞凶茻岣?。由于白熾燈燈絲發(fā)光較集中，因此其功率稍大就會(huì)產(chǎn)生眩光，反之，又會(huì)造成亮度不夠。普通熒光燈的臺(tái)燈，由于供電方式的原因?qū)е缕淞炼炔豢烧{(diào)節(jié)，易造成能源浪費(fèi)。同時(shí)，因其供電電源頻率為50 Hz，屬于低頻率的頻閃光，會(huì)使人眼的調(diào)節(jié)器官處于緊張狀態(tài)，易導(dǎo)致視覺(jué)疲勞[1]。

針對(duì)這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種基于LED的智能臺(tái)燈。LED被認(rèn)為是21世紀(jì)的照明光源。其光效高、工作電壓低、能耗低、無(wú)輻射，同樣亮度下能耗為白熾燈的10%、熒光燈的50%。智能LED臺(tái)燈的設(shè)計(jì)，符合家電的低碳設(shè)計(jì)理念，同時(shí)具備智能化與人性化。

1 方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，采用LED新型照明方式，比傳統(tǒng)照明更加節(jié)能環(huán)保，也更加便捷。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。方案設(shè)計(jì)如下。

(1)通過(guò)光敏電阻，采集環(huán)境光線(xiàn)強(qiáng)度，據(jù)此改變PWM信號(hào)占空比，進(jìn)而控制LED驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)臺(tái)燈亮度，實(shí)現(xiàn)5級(jí)PWM調(diào)光控制，以便于人機(jī)交互設(shè)置信息。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

(2)通過(guò)熱釋電紅外傳感器1(放置在臺(tái)燈的燈柱上)對(duì)人體紅外線(xiàn)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)用戶(hù)是否存在，以便控制LED臺(tái)燈的開(kāi)啟或關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)人來(lái)燈亮，不必摸黑開(kāi)燈，人走燈關(guān)，使設(shè)計(jì)更加節(jié)能與人性化。

(3)若用戶(hù)存在，通過(guò)熱釋電紅外傳感器2(放置在臺(tái)燈的底座上)檢測(cè)用戶(hù)到桌面的距離。當(dāng)用戶(hù)坐姿不正確時(shí)，可通過(guò)語(yǔ)音提醒用戶(hù)糾正坐姿。

(4)具備智能調(diào)光和手動(dòng)調(diào)光兩種工作方式。智能調(diào)光根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)自動(dòng)調(diào)節(jié)臺(tái)燈照明亮度，使臺(tái)燈產(chǎn)生合理光強(qiáng)；手動(dòng)調(diào)光通過(guò)人為調(diào)節(jié)，使臺(tái)燈保持合適光強(qiáng)。兩種調(diào)光方式可起到保護(hù)視力的作用。

2 硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)主要包括臺(tái)燈模塊、單片機(jī)模塊、紅外感應(yīng)模塊、液晶顯示模塊、按鍵模塊等。按照?qǐng)D2，各模塊設(shè)計(jì)如下。

圖2 主控系統(tǒng)電路圖

2.1 臺(tái)燈模塊

采用20個(gè)LED作為發(fā)光源，為了節(jié)省I/O口資源，LED全部采用并聯(lián)方式，并和1 kΩ電阻串聯(lián)來(lái)限流。當(dāng)工作在智能調(diào)光模式下時(shí)，需要光敏電阻感應(yīng)外界光照強(qiáng)度來(lái)調(diào)節(jié)自身亮度。在有人的情況下，若室內(nèi)照度X>200 lx(勒克斯)，LED臺(tái)燈不開(kāi)；若室內(nèi)照度X<200 lx，LED臺(tái)燈開(kāi)啟，LED釋放到室內(nèi)的平均照度E=200-X。當(dāng)工作在手動(dòng)調(diào)光模式下時(shí)，通過(guò)用戶(hù)調(diào)節(jié)PWM輸出來(lái)調(diào)整亮度。

2.2 單片機(jī)模塊

采用STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，P0口外接10 kΩ上拉電阻，P0.0-P0.7作為液晶顯示器1602的數(shù)據(jù)接口。P2.0-P2.2分別連接1602的數(shù)據(jù)/命令選擇端RS，讀/寫(xiě)選擇端RW，使能端EN。P1.3作為PWM信號(hào)的輸出端，用于PWM調(diào)光控制。P3.4，P3.5，P3.6，P3.7分別連接S8-S11按鍵(按鍵功能見(jiàn)2.5)。

2.3 紅外感應(yīng)模塊

人體紅外感應(yīng)模塊通過(guò)熱釋電紅外傳感器、集成電路BISS0001和菲涅爾透鏡共同控制。BISS0001是一款具有較高性能的傳感信號(hào)處理集成電路[2]。1腳接電源VCC，3腳接地，2腳通過(guò)NPN型的三極管接至單片機(jī)的P3.2口。由于該傳感器帶負(fù)載的能力較弱，可加一個(gè)三極管作為驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)P3.2口為低電平時(shí)有效。檢測(cè)距離通過(guò)軟件調(diào)節(jié)。為了提高探測(cè)器的靈敏度以及增大探測(cè)距離，在探測(cè)器的前方裝設(shè)一個(gè)菲涅爾透鏡，它和放大電路相配合，可將信號(hào)放大70 dB以上，可以測(cè)出10～20 m范圍內(nèi)人的行動(dòng)[3]。

2.4 液晶顯示模塊

采用專(zhuān)門(mén)用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊LCD1602。1602指顯示的內(nèi)容為16*2，即可以顯示兩行，每行16個(gè)字符。采用并行操作方式，第一行顯示工作模式，工作在外部感應(yīng)模式時(shí)，第一行顯示“OUT”字樣；工作在手動(dòng)模式時(shí)，第一行顯示“HAD”字樣。第二行顯示亮度，分別為：20%，40%，60%，80%，100%，共5個(gè)等級(jí)。

2.5 按鍵模塊

由S8-S11 4個(gè)按鍵組成，其中S8為開(kāi)關(guān)鍵，S9為模式調(diào)節(jié)，S10為亮度調(diào)節(jié)數(shù)值減小鍵，S11為亮度調(diào)節(jié)數(shù)值增大鍵。

3 程序設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)初始化并檢測(cè)各按鍵狀態(tài)。當(dāng)S8按下時(shí)，PWM由初始化的0取反，變?yōu)?，則LED燈呈現(xiàn)20%的亮度。之后檢測(cè)S9是否按下，按下之后，Num即會(huì)加1。當(dāng)Num=1時(shí)，為自動(dòng)模式；當(dāng)Num=2時(shí)，進(jìn)入手動(dòng)模式。手動(dòng)模式中，包含加減按鈕，可通過(guò)增加或減少PWM值改變LED燈亮度。5級(jí)亮度對(duì)應(yīng)的PWM值分別為1，2，3，4，5。

3.2 紅外感應(yīng)程序設(shè)計(jì)

當(dāng)用戶(hù)在熱釋電紅外的探測(cè)范圍內(nèi)活動(dòng)并且環(huán)境光強(qiáng)較弱時(shí)，臺(tái)燈逐漸點(diǎn)亮。當(dāng)用戶(hù)離開(kāi)，延時(shí)一段時(shí)間后臺(tái)燈逐漸熄滅。在程序中體現(xiàn)為PWM控制，在自動(dòng)控制模式下，當(dāng)有人在1 m范圍內(nèi)，PWM不為0，燈始終亮，超出范圍1 min后PWM=0，LED燈自動(dòng)熄滅。具體程序代碼如下：

sbit IR1=P3^2；//紅外人體

sbit IR2=P2^5；//距離感應(yīng)

CA_PWM0=0x00；//控制占空比的第九位為0

PCA_PWM1=0x00；//控制占空比的第九位為0

PCA_PWM0=0x00；//控制占空比的第九位為0

PCA_PWM1=0x00；//控制占空比的第九位為0

//CCAPM0=0x42；//允許P13作為PWM輸出

//CCAPM1=0x42；//允許P14作為PWM輸出

CR=1；//啟動(dòng)PCA計(jì)數(shù)器

CCAP0H=0；

CCAP1H=0；

3.3 PWM調(diào)光程序設(shè)計(jì)

PWM脈沖信號(hào)高低電平?jīng)Q定LED的通斷狀態(tài)。將定時(shí)器溢出中斷定為1/2 500 s，每5次脈沖作為一個(gè)周期，即頻率為500 Hz。這樣，在每1/500 s的方波周期中，通過(guò)改變方波的占空比，實(shí)現(xiàn)5級(jí)亮度調(diào)節(jié)，即LED亮度等級(jí)由每個(gè)周期內(nèi)的高電平脈沖數(shù)目決定。當(dāng)高電平脈沖數(shù)目為1時(shí)，占空比為1/5，LED亮度最低；當(dāng)高電平脈沖數(shù)目為5時(shí)，占空比為1，LED亮度最高。具體代碼如下：Void pwmint()

{

CCON=0； //PCA初始化

CL=0； //PCA的16位計(jì)數(shù)器低八位

CH=0； //PCA的16位計(jì)數(shù)器高八位

CMOD=0x00；

f=sysclk/256/12；///12為計(jì)數(shù)脈沖，PWM的頻率

CCAP0H=0X00；//占空比控制

CCAP0L=0x00；

CCAP1H=0x00；//占空比控制

CCAP1L=0x00；

PCA_PWM0=0x00；//控制占空比的第九位為0

PCA_PWM1=0x00；

ADC_Power_On()； //開(kāi)AD電源

P1M0|=0x01； //設(shè)P1_0為開(kāi)漏模式 如：P1_0=#00000000B

P1M1|=0x01；

ADC_CONTR=0xe0； //設(shè)置P1.0為輸入AD轉(zhuǎn)換口

delay(50)；

pwmint()；

CCAPM0=0x42；

num=0；

swfl=0；

4 結(jié)論

系統(tǒng)簡(jiǎn)單易行，實(shí)用性較強(qiáng)。采用LED能提供安全優(yōu)質(zhì)的光環(huán)境，提升照明系統(tǒng)的光效，并且沒(méi)有紅外和紫外的成分，可改善眩光，減少和消除光污染，同時(shí)保護(hù)用戶(hù)眼睛。當(dāng)房間亮度不夠且有人在附近時(shí)，LED智能多功能臺(tái)燈便會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟，省去了黑暗中找開(kāi)關(guān)的麻煩。

[1] 金衡，鄧松坤，宛錚，等.LED智能多功能臺(tái)燈[J].科技視界，2012，4(11)：36-37.

[2] 周景雷.新型多功能控制LED臺(tái)燈[J].電子技術(shù)，2011(5)：43-44.

[3] 位永輝，楊威.基于BISS0001的智能臺(tái)燈設(shè)計(jì)[J].電子元器件應(yīng)用，2010(7)：32-34.

(責(zé)任編校：白麗娟)

Design and Implementation of the Intelligent LED Desk Lamp

CHENG Feng-min

(Department of Information Engineering， Tangshan College， Tangshan 063000， China)

In order to remedy the shortcomings of traditional lamps， such as heavy power consumption， visual fatigue， and no eye protection， the author of this paper has designed a multi-functional intelligent LED lamp， which automatically turns on or off by detecting whether the user is close by ， adjusts the brightness and reminds the user about his sitting positions automatically.

LED； intelligent desk lamp； MCU； infrared sensor； PWM

TN312.8

A

1672-349X(2015)03-0034-02

10.16160/j.cnki.tsxyxb.2015.03.012