一種智能臺燈的設計與開發(fā)

馬國強 辛永田 連夢想 于淑卿 薛磊

摘 要：文中設計實現了一種基于PWM調光的智能臺燈。可將單片機技術與PWM調光技術相結合，實現臺燈光強的調節(jié)。在不改變PWM方波周期的前提下，利用單片機控制PWM占空比，從而改變電壓大小，調節(jié)燈光亮度。當人體在臺燈感應范圍內且環(huán)境光線較弱時，臺燈會自動打開，且燈光亮度會隨環(huán)境光線的改變而自動調節(jié)，一旦人體離開臺燈感應范圍后，即紅外熱釋傳感器檢測不到人時，臺燈將在1分鐘后自動熄燈。該設計通過亮度的自動調節(jié)和人體檢測控制臺燈開關來達到綠色節(jié)能的效果。同時為了提高本設計的適用范圍，還加入了手動控制模式，在該模式下，臺燈亮度由按鍵調節(jié)，使得該臺燈對部分特殊情況也具有較好的適應性。

關鍵詞：單片機；智能；PWM；人體感應

中圖分類號：TP274.+4；S817.3 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）01-00-03

0 引 言

隨著全球氣候變暖與能源危機的加重，綠色節(jié)能成為影響人們生活各方面的重要因素，通過不斷的探索，人們開始尋找各種節(jié)能產品。

目前，大多數臺燈功能單一，無法隨心控制臺燈亮度，滿足人們在生活中對電器的智能化要求，更無法進行人體感應，嚴重浪費了資源。而文中設計的智能臺燈則很好地解決了這一問題，能夠在外界環(huán)境光線較暗時自動開啟，使用方便快捷，避免了人們在光線較暗時尋找臺燈的繁瑣，極大地提升了使用便捷度。

隨著智能化時代的到來，智能產品層出不窮，已逐步滲入到人們工作和生活的方方面面。

當前，患有近視眼的人數越來越多，我國近視眼發(fā)病率尤其突出。由于沒有正確使用臺燈，當光線變得昏暗時忘記及時打開臺燈，或者長時間在高亮度的臺燈下工作，久而久之，都會對視力產生一定的影響。雖然市場上已出現了具有調亮功能概念的臺燈，但其仍不具備成熟的自動調亮功能。本設計所制作的智能臺燈具備手動和自動調節(jié)兩種模式，同時還加入了人體檢測功能，可實現人走燈滅。在保護視力的同時，也為節(jié)能環(huán)保做出了一份貢獻。

1 系統(tǒng)總體方案設計

1.1 所需電子器件與軟件開發(fā)環(huán)境

所需電子器件主要包括STC89C52單片機1臺，單片機座子1個，12 MHz晶振1個，30 pF獨石電容2個，10 μF電解電容1個，1 kΩ電阻1個，10 kΩ電阻2個，輕觸開關3個，USB小燈1個，USB燈座1個，光敏電阻1個，ADC0832模數轉換器1個，ADC0832座子1個，綠色LED指示燈1個，S8550（PNP）三極管1個，人體紅外熱釋傳感器1個，熱釋傳感器座子1個，電源開關1個，電源座1個，9×15洞洞板1張，導線若干，電源線1根，下載線1根，30 W電烙鐵1個，焊錫若干。

軟件開發(fā)工具主要包括：Keil，即開發(fā)環(huán)境，可編寫C語言程序，生成hex文件；STC-ISP軟件，即程序燒寫軟件，經下載，可將hex文件燒寫到單片機中；支持串口通信的計算機一臺，可與單片機通過串口通信；Proteus仿真軟件，該軟件可根據原理圖進行實物模擬，觀察效果。

1.2 智能臺燈的主要功能特點

在原有臺燈的基礎上，經過改裝使臺燈變得智能化，實現節(jié)能、環(huán)保的效果。當人體在臺燈范圍內且環(huán)境光線較弱時，臺燈自動感應開燈，且燈光亮度隨著環(huán)境光線的改變自動調節(jié)，一旦人體離開了臺燈感應范圍，即紅外熱釋傳感器檢測不到有人存在時，臺燈將在1分鐘后自動熄滅。該設計通過亮度的自動調節(jié)和人體檢測控制臺燈開關實現了綠色節(jié)能的效果。為了提高本設計的適用范圍，還加入了手動模式控制，在該模式下，臺燈亮度由按鍵調節(jié)。系統(tǒng)總體流程如圖1所示。

1.3 智能臺燈的控制器

采用單片機作為系統(tǒng)控制器。單片機是一種容易編程且可擦除器件[1]，控制能力強，具有高可靠性，便于設計，復用性強，易于編程，趨于小型化，工作時可以采用5 V電源供電，功率較低。

1.4 智能臺燈的顯示方案

普通照明燈具通常采用可控硅進行調光，但這種方法會帶來光色譜的變化，不利于防治近視。本設計采用脈寬調制方式（PWM）調節(jié)光線[2]，PWM將模擬信號轉換為數字編碼，利用波形的占空比調節(jié)信號編碼[3]。PWM是數字信號，優(yōu)勢頗多，通過編程實現較為方便，且調光范圍較廣，精度較高，經調節(jié)后的光線不會產生色差，可以很好地與單片機融合，符合設計要求。

2 設計方法與技術

首先進行可行性分析，之后進行需求分析，并根據需求繪制系統(tǒng)框圖，設計原理圖。通過設計的原理圖進行電路仿真，驗證電路設計的可行性。并根據電路圖焊接電路，完成編碼工作，通過不斷的調試代碼，使單片機滿足最初的需求。最后測試結果的正確性和功能的完善性。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2.1 最小系統(tǒng)模塊

該設計的最小系統(tǒng)如圖3所示，是主要由晶體振蕩器構成的晶振電路，負責產生穩(wěn)定的正弦波與電路起震。在單片機出現故障或者突發(fā)情況導致程序跑飛時，恢復復位電路。

電源部分可用5 V的USB直接供電，如手機充電器，電腦USB口，移動電源等。

2.2 LED照明電路模塊

LED燈照明電路如圖4所示。本設計使用USB小燈作為照明設備，其中6個白色LED燈串聯(lián)6個電阻。使用該USB小燈不僅簡化了設計，且外形更加美觀，更接近實際臺燈的外觀。本設計的LED模塊采用PNP三極管控制[4]，單片機輸出0 V時，LED燈點亮，但需依靠電阻分壓限流來實現。單片機IO口只需輸出一個低電平信號便可控制三極管導通，繼而點亮LED燈。

2.3 光照強度采集電路模塊

光照采集電路模塊的核心是光敏電阻，通過ADC0832將模擬量轉換為數字量，方便單片機直接處理。當外界光線變亮時，光敏電阻自身阻值變大，臺燈變暗。其阻值與外界環(huán)境成反比，較容易采集模擬量，在電路設計中能較好地與ADC0832結合，控制方便。

該智能化設計采集的外界光照為模擬量，不同于單片機可直接處理的數字量，因此需要采用ADC0832模塊進行模數轉換，該模塊內部含有8個端口，CS端為片選端，低電平時有效。CH0和CH1為模擬信號輸入端。該模塊在很多設計中都發(fā)揮出了獨特的優(yōu)勢，將一些不易直接處理的模擬量轉換為數字量，以簡化設計。光照強度采集電路如圖5所示。

3 硬件組裝與調試

3.1 元器件的選擇與測量

本設計的核心為STC89C52，這是一款具有代表性的典型單片機，擁有負責產生正弦波的晶振，限流分壓的電阻，可維護電路穩(wěn)定性并有充放電功能的電容，可控制模式切換的開關，電源開關和亮度增減開關，控制電路導通的三極管和具有指示功能的發(fā)光二極管，進行模數轉換的ADC芯片，可感應人體的紅外熱釋傳感器等。這些元器件的選擇要符合一定規(guī)則，例如電阻和電容的大小都應經過精確的計算，以避免燒毀電路。

3.2 元件的焊接與組裝

使用30 W的電烙鐵根據原理圖焊接電路，在焊接時應充分考慮節(jié)點是否牢固等問題，邊焊接邊測試。焊接時要合理安排布線，仔細辨明元件的正負極，不僅應確保連線排版簡單方便，更要將所有地線連在一起，形成一個公共參考點。焊接時需要細心，有耐心，避免因一點焊接錯誤而導致設計損毀，因此事先應找一些練習器材提前熟悉。電路焊接時應盡量避免虛焊和短路等狀況發(fā)生。

3.3 調試步驟

（1）通電前檢查

電路焊接好后，對比原理圖，查看實物圖是否與原理圖一一對應，元器件之間的連線是否正確，若發(fā)現錯誤則及時改正。也可以請同學幫自己核查。待做好所有準備工作后進行通電測試。

（2）通電觀察

電路焊接好后，在沒有錯誤的情況下，進行通電觀察，上電前檢查連線是否松動，虛連，或存在連線太長等情況。通電后觀察電路中是否有元器件燒壞或短路現象，發(fā)生故障時立即斷電，切勿用手直接觸摸，防止人體自身導電將電路短路。故障排除后再次通電，進行局部功能測試，考察設計是否滿足最初的需求。待系統(tǒng)工作穩(wěn)定后記錄現象。

（3）單元電路調試

單元電路指電路中某一部分具有特定功能的電路，可單獨進行調試。檢測并記錄每部分電路的電壓是否正常，并統(tǒng)一調試，對比每部分電路和整體電路間是否存在誤差，以保證電路順利調試。

（4）整機聯(lián)調

整機聯(lián)調借助整體性思維測試整體功能效果，但該方法存在一些弊端。電路整體性能好，并不代表每一部分電路性能都好。每一部分電路性能好，也不代表整體電路就好。整體聯(lián)調的目的在于解決整體和部分調試時存在的差異，使得電路健壯性更好。

4 結 語

本設計把單片機技術、傳感器技術和PWM調光技術相結合，實現了臺燈光照強度的智能化、自動化調節(jié)，達到了綠色節(jié)能的效果。同時為了擴大使用范圍，加入了手動模式控制，在該模式下，臺燈亮度由按鍵調節(jié)，使得該智能臺燈在一些特殊情況下也能夠使用。

由于單片機采用5 V的電壓供電，因此只適用于帶USB的小燈，對于采用其他方式供電的臺燈則需要轉換。光敏電阻的精度和人體紅外熱釋傳感器的靈敏度會影響設計的效果，尤其對于一些特殊的使用環(huán)境，靈敏度還有待進一步提高。

參考文獻

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