基于單片機的多功能護眼燈

艾生輝+王澤華+溫軍+韓丁

摘 要：隨著經(jīng)濟以及互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，手機以及更多的電子產(chǎn)片進入到人們的生活中來，近視問題變得尤為嚴重。多功能護眼燈通過紅外檢測傳感器檢測是否有人在使用護眼燈，通過光強度傳感器檢測周圍亮度然后自動調(diào)節(jié)成最適合人眼的燈光亮度，減輕近視眼的患病機率。護眼臺燈的研究，可以極大程度上減輕近視人口的比例，可以方便人們的生活，讓人們的身心更加健康，防止了由于經(jīng)常忘關(guān)臺燈造成的能源浪費，可以減輕當下尤為嚴重的近視問題，以互聯(lián)網(wǎng)為載體，帶給人們快樂，帶給人們不一樣的感受。

關(guān)鍵詞：單片機；護眼燈；節(jié)能

中圖分類號：TS956.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）30-0025-02

1 概述

21世紀是信息時代，物聯(lián)網(wǎng)的時代，所以，任何東西都將與網(wǎng)絡(luò)息息相關(guān)，因此我們的“智能”臺燈將緊跟時代的步伐，讓它與網(wǎng)絡(luò)緊緊的靠在一起，它可以具備電腦的功能，由App軟件控制，手機就相當于它的遙控器。從能源方面而言，能源的浪費和不可再生是一個很重要的問題，我們應(yīng)該抓住這一點，使“智能”臺燈做到真正意義上的節(jié)能減耗，做到“有人我開，無人我關(guān)”的地步。我國人口近視發(fā)生率為33%，是世界平均水平22%的1.5倍，近視眼疾病同樣是個不可忽視的問題。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

針對當今國內(nèi)外科技的發(fā)展，智能臺燈在國外漸漸興起，國內(nèi)也步步緊逼，例如：在國外，一款名為Ario的智能臺燈進入Kickstarter眾籌，受到廣泛支持。國內(nèi)也幾乎同時開始在此領(lǐng)域取得了初步成果，例如前不久發(fā)布的小米智能臺燈，在節(jié)能、護眼、物聯(lián)網(wǎng)、App等方面做的也很考究。相信在不久的將來這樣類似的科技成果將會越來越多，誰又能說小科技不會帶來大變革？當今科學(xué)研究正在步入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)所引領(lǐng)的時代，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將會賦予這些生活上的小科技更大的活力與前景。但是仍然有許多的問題亟需解決，經(jīng)濟發(fā)展中低碳環(huán)保、節(jié)約資源是重中之重，而研制過程中卻必不可少造成一些資源、材料浪費；同時，社會發(fā)展仍然不是很平衡，產(chǎn)品價格的是否合理將直接決定該產(chǎn)品能否普及，這就涉及到了研發(fā)時要保證低能耗、低浪費等問題。因此要想使此項產(chǎn)品具有更加廣闊的發(fā)展前景，這些問題亟需解決，如此，才能更加便民，有利于營造更加舒適、健康、環(huán)保的生活。而我們的“智能”臺燈，則主要以減輕當下尤為嚴重的近視問題為主，以互聯(lián)網(wǎng)為載體，帶給人們快樂，帶給人們不一樣的感受。

3多功能護眼燈設(shè)計

3.1 人體的狀態(tài)分析

當人坐在臺燈前方時，人的坐姿坐態(tài)極大程度上影響了人的健康。人的頭部、頸部以及胸部都與臺燈有一定的距離，這就是所謂的安全距離。為了解決學(xué)習(xí)者，特別是青少年兒童的錯誤坐姿，國內(nèi)已有許多學(xué)者和科研人員做了深入研究?？v觀目前市場上的產(chǎn)品，大部分都是通過物理類的矯正器，如耳掛式坐姿矯正器、脊椎矯正器等來對人體坐姿進行強行矯正，這是從物理角度起到預(yù)防近視的目的。但是，這類矯正器使用非常不便，要求學(xué)生長期佩戴才能起到一定的效果，而長時間佩戴矯正器可能會導(dǎo)致孩子們的不適甚至厭煩。

針對上述問題，本文設(shè)計并開發(fā)了基于單片機的多功能護眼燈，在不需要任何物理器具輔助的情況下，通過單片機智能檢測人體坐姿。當距離過近時，臺燈就會發(fā)出報警提示，提示使用人規(guī)范自己的姿勢，直至達到我們所預(yù)定的安全距離。通過這種方法可以在一定程度上更好地使使用人規(guī)范姿勢。

3.2 紅外檢測傳感器

正確的坐姿主要包括兩方面的要求，一方面是雙肩位置不能歪斜，要坐立端正；另一方面要求學(xué)習(xí)者的身體與桌面保持合適的距離，以使眼睛保持在舒適的狀態(tài)。為了避免物理矯正帶來的麻煩，本文采用了非接觸式的紅外傳感器作為檢測元件。紅外測距傳感器首先將紅外信號發(fā)射出去，遇到障礙物后紅外信號將被部分反射回來，障礙物離光源距離越近，反射強度越大，因而可以進行障礙物遠近的檢測。考慮到人體可能穿著不同反射特性的衣服，以及周圍環(huán)境的不穩(wěn)定因素，紅外測距傳感器同時利用其傳播時間來精確計算學(xué)習(xí)者到臺燈之間的距離。

本文的方案是在臺燈上安裝三個紅外傳感器用于檢測人體坐姿，如圖1所示。其中1與2兩個區(qū)域分別檢測使用者的坐姿，3檢測其距離。當距離過近時，臺燈會發(fā)出相應(yīng)的語音提示，提醒學(xué)習(xí)者向后調(diào)整位置；反之，當學(xué)習(xí)者距離臺燈過遠時，臺燈也會發(fā)出相應(yīng)的語音提示。三個傳感器直接配合達到調(diào)整坐姿的目的。當三個都沒有檢測到的時候，說明沒有人使用它，自動關(guān)閉臺燈減少能耗。

3.3 周圍光照強度檢測

考慮到不同的環(huán)境需要不同的光照強度來適應(yīng)人們的眼睛，因為我們的臺燈的照明方式選擇的是直流供電，在其內(nèi)部選擇加入直流電源。要實現(xiàn)LED燈亮度的智能自動控制，就需要提前計算出一個適合學(xué)習(xí)的亮度，然后輸入到寄存器中作為參考亮度。另外還需要一個外界光照傳感器來對這個控制系統(tǒng)進行反饋。當檢測到內(nèi)部直流電源變化或者是周圍環(huán)境的光照強度的改變時，微處理器通過對傳感器穿來數(shù)值的分析和計算，計算出LED燈應(yīng)該提供多少亮度的光照補償，進行補償后，再由傳感器將數(shù)據(jù)傳回，再分析，如此循環(huán)反復(fù)，以達到一個及時監(jiān)控和將亮度維持的效果。具體原理如圖2所示。

3.4 PWM調(diào)光控制

智能臺燈須在LED全亮和熄滅之間顯示許多不同亮度。LED亮度控制方法可分為模擬調(diào)光和PWM調(diào)光兩種。模擬調(diào)光通過改變LED電流來調(diào)整亮度，簡單的模擬調(diào)光機制只能滿足一般照明的要求而無法滿足學(xué)習(xí)者對臺燈的智能燈光控制。

本文采用了PWM調(diào)光控制方案。PWM調(diào)光通過開啟和關(guān)閉LED來改變正向電流導(dǎo)通時間以達到亮度調(diào)整效果，這種技術(shù)既能降低亮度，又能精確調(diào)節(jié)亮度。LED以最大電流導(dǎo)通，避免出現(xiàn)色偏移問題。通過100Hz以上頻率的PWM波來控制LED電流，避免造成燈光閃爍。當需要調(diào)節(jié)LED亮度時，只需要旋轉(zhuǎn)臺燈的按鍵來改變PWM的占空比，即可輕易實現(xiàn)臺燈亮度調(diào)節(jié)。我們的眼睛可平均LED的導(dǎo)通和截止時間，以造成LED變暗的感覺，其亮度則與LED導(dǎo)通負載周期成正比，脈沖導(dǎo)通電流可以很好地實現(xiàn)精確亮度控制。

4 結(jié)束語

本項目不僅具有一般燈具所具有的護眼功能，更是加入了智能控制，能夠使用移動手持設(shè)備進行多功能操作，例如播放音樂，設(shè)置鬧鈴，時鐘顯示，智能感應(yīng)，改變光的氛圍等等。目前市面上所出現(xiàn)的燈具大多都是節(jié)能護眼燈，價格具有普遍性，在市場上沒有太多的優(yōu)勢，只有少數(shù)商家生產(chǎn)的智能燈，功能強大，在市場上獨占一席，但售價不菲。

現(xiàn)在人們的壓力都很大，所以減壓功能是一個必不可少的利器，比如增加音樂播放功能，視頻播放功能以及人機對話功能，極大程度上做到減輕壓力。身為父母，我們肯定不希望自己的子女將來有近視眼的疾病。對于成年人而言，我們的護眼燈同樣有用，適用于各種階段的人群，其節(jié)能的特點更是符合當代潮流發(fā)展，并且符合市場的需求，有很大的發(fā)展空間。

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