智能臺燈的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

佟星 劉熾輝

摘要：該文主要從“人來燈亮，人走燈滅”的自動控制及節(jié)能等方面加以闡述智能臺燈的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程。并集合了室內(nèi)溫度檢測、時(shí)間顯示及多級調(diào)光等功能，真正實(shí)現(xiàn)了一燈多用的綜合型與智能型臺燈。

關(guān)鍵詞：智能臺燈；設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)

中圖分類號：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）07-0169-02

智能臺燈的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，本智能臺燈在研發(fā)過程中，作者經(jīng)過了多次的修改與論證，最終實(shí)現(xiàn)了集多功能于一體的智能化產(chǎn)物，并利于市場的推廣，有一定的實(shí)用價(jià)值。下面就智能臺燈的實(shí)現(xiàn)過程加以闡述，并給想親手制作臺燈的學(xué)習(xí)者提供一個(gè)可以借鑒的平臺。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

經(jīng)過多次論證與實(shí)踐，本系統(tǒng)最終采用了以AVR單片機(jī)ATmega16作為智能控制核心，發(fā)送并時(shí)時(shí)處理系統(tǒng)信息； 利用DS18B20溫度傳感器檢測室內(nèi)溫度，DS13022時(shí)鐘模塊進(jìn)行時(shí)間的實(shí)時(shí)采集；結(jié)合人體紅外感應(yīng)及實(shí)現(xiàn)可視化的人機(jī)接口界面與智能控制。其系統(tǒng)圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)過程中采用模塊化設(shè)計(jì)，把每一個(gè)功能點(diǎn)作為一個(gè)功能模塊來實(shí)現(xiàn)，最后進(jìn)行整合。本系統(tǒng)通過核心控制器單片機(jī)整合時(shí)鐘系統(tǒng)模塊、溫度采集系統(tǒng)模塊、人體紅外識別模塊及顯示模塊最終實(shí)現(xiàn)了作者所需要的功能。制作過程中主要從以下幾方面進(jìn)行。

1）單片機(jī)與時(shí)鐘芯片的通訊系統(tǒng)模塊

在單片機(jī)與時(shí)鐘芯片通信系統(tǒng)模塊中，經(jīng)過論證后采用經(jīng)濟(jì)實(shí)惠價(jià)格合理的通用時(shí)鐘芯片DS1302 與單片機(jī)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘系統(tǒng)模塊，時(shí)鐘系統(tǒng)模塊主要是實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前時(shí)間，本系統(tǒng)中以年、月、日、時(shí)、分、秒的格式進(jìn)行時(shí)間顯示，且采用24小時(shí)制；利用單片機(jī)與時(shí)鐘芯片的通信動態(tài)采集當(dāng)前時(shí)間并處理，傳送給液晶模塊進(jìn)行顯示。在硬件焊接中用DS1302的數(shù)據(jù)端口I/O與ATmega16單片機(jī)的P2.1端口相連接，實(shí)現(xiàn)物理數(shù)據(jù)傳輸及時(shí)間的采集，進(jìn)而完成本系統(tǒng)的功能。如圖2 所示。

2）DS18B20溫度傳感模塊的實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)的溫度采樣元件經(jīng)過論證后，使用數(shù)字溫度傳感器DS18B20芯片，本芯片所具有的各項(xiàng)功能已充分滿足本系統(tǒng)需要。DS18B20采用僅有3只引腳的小體積封裝形式，包括共用地線、外供電源線和單線數(shù)據(jù)傳輸總線端口。數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)化方面，采用二進(jìn)制數(shù)字最低位變化 1，代表溫度變化 0.0625 度的映射關(guān)系。當(dāng) 0 度的時(shí)候，那就是0x0000，當(dāng)溫度125度的時(shí)候，對應(yīng)十六進(jìn)制是 0x07D0，當(dāng)溫度是零下 55 度的時(shí)候，對應(yīng)的數(shù)字是 0xFC90，通過十六進(jìn)制代碼的轉(zhuǎn)換使其與溫度對應(yīng)起來。并通過單片機(jī)對溫度傳感模塊DS18B20的初始化、位寫與位讀的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，保證當(dāng)前溫度的實(shí)時(shí)采集與顯示，以達(dá)到系統(tǒng)所需功能。

3）熱釋電紅外傳感模塊功能實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)中熱釋電紅外傳感模塊，經(jīng)過論證與實(shí)踐后采用HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊來實(shí)現(xiàn)。HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊是采用一種高熱電系數(shù)的材料制成的人體紅外探測元件，利用其前端安裝的菲涅爾透鏡，大大提高了探測靈敏度和探測距離。人體紅外感應(yīng)模塊主要由光學(xué)濾波鏡、場效應(yīng)管、紅外感應(yīng)源、偏置電阻、EMI電容等元件組成（器件內(nèi)部電路框圖如圖3所示），其優(yōu)點(diǎn)在于在紅外采集過程中，允許人體發(fā)出的10um紅外波長通過并被采集使用，阻止其他紅外波的通過，實(shí)現(xiàn)了干擾技術(shù)的處理，不需要在增加其他抑制干擾設(shè)施，大大降低了使用成本。紅外感應(yīng)模塊的感應(yīng)源部分由兩個(gè)熱釋電元件進(jìn)行串聯(lián)或者并聯(lián)組成，因?yàn)楦袘?yīng)源內(nèi)熱釋電元件極性相反，兩個(gè)熱釋電元件與環(huán)境背景輻射具有幾乎相同的作用，使其產(chǎn)生的熱釋電效應(yīng)相互抵消，使輸出信號接線為零。 因此紅外模塊把經(jīng)過探測區(qū)內(nèi)人體輻射出的10um的紅外波長進(jìn)行接收并轉(zhuǎn)化為微弱的電壓信號，微弱的電信號經(jīng)人體紅外模塊內(nèi)部具有的功能進(jìn)行放大處理后輸出單片機(jī)可識別與處理的信號，單片機(jī)接收與處理后的電信號會根據(jù)系統(tǒng)要求輸出控制外圍硬件電路，并最終實(shí)現(xiàn)“人在燈亮、人走燈滅”的功能。

本設(shè)計(jì)中采用的人體紅外感應(yīng)模塊檢測是否有人，其1腳接電源，2腳數(shù)據(jù)端口I/O接NPN三極管后，三極管的發(fā)射極與單片機(jī)ATmega16的P2.6腳連接，如圖4所示。

4）液晶模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)顯示上經(jīng)過了幾次改版，首先用的是數(shù)碼管顯示，但為了增加其直觀性，改成了液晶顯示；在液晶顯示的選擇上考慮了其顯示內(nèi)容、格式，造價(jià)及成品后的美觀性，最終確定了16*2的顯示兩行、每行16個(gè)字符的1602LCD液晶模塊。此液晶模塊既可以顯示數(shù)字又可以顯示字符，剛好滿足溫度及時(shí)間顯示的需要。同時(shí)本模塊自身還具備了國際標(biāo)準(zhǔn)ASCⅡ碼中160個(gè)字符字模的字符庫，整個(gè)字符庫已固化在液晶模塊中，只需要在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，把需要顯示的字符ASCⅡ碼數(shù)據(jù)送入顯示數(shù)據(jù)庫，液晶控制器就會自動生成需顯示的字符字模并在顯示屏上顯示出來。

5）電源模塊與LED驅(qū)動模塊的設(shè)計(jì)

為了穩(wěn)定的系統(tǒng)電源，本系統(tǒng)中電源模塊中采用12V電壓輸入，用LM7805電壓芯片進(jìn)行穩(wěn)壓，再經(jīng)過濾波處理后得到適用于系統(tǒng)的電壓。LED驅(qū)動模塊中主要問題點(diǎn)在于燈亮度的調(diào)節(jié)，這里面在實(shí)際操作過程中我們使用了PWM脈沖調(diào)制技術(shù)，通過PWM脈沖的輸出寬度來控制LED光源亮度的調(diào)節(jié)。硬件連接中我們把LED驅(qū)動模塊中的I/O口3腳與單片機(jī)的P1.0連接，2腳和3腳與LED燈連接，很好地實(shí)現(xiàn)了物理連接與數(shù)據(jù)通信。電源與驅(qū)動模塊的接線如圖5所示。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)過程中，在了解本系統(tǒng)硬件組成的基礎(chǔ)上，清晰地掌握數(shù)據(jù)的傳輸過程與信號的控制流程。為了使思路更加清晰，根據(jù)本系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能，畫出了系統(tǒng)流程圖，如圖6所示。

在分析完硬件和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ)上，利用程序流程圖的指引，使用移植性較好的C語言進(jìn)行編程，編程過程中主要是先實(shí)現(xiàn)各個(gè)子程序，然后進(jìn)行聯(lián)調(diào)，并最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

4 結(jié)束語

在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程中，遇到了各種各樣的問題，也許是軟件問題，也許是硬件問題，不管怎樣遇到困難時(shí)，一定要靜下心來慢慢的查找，并堅(jiān)信自己一定能實(shí)現(xiàn)所需功能，查找出一個(gè)錯(cuò)誤，解決一個(gè)問題，就是一種巨大的收獲。

臺燈是一種生活必需品，但是由于忘記關(guān)燈而造成巨大的能源浪費(fèi)，在國家大力提倡低碳生活，節(jié)約能源的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了集節(jié)能與多功能化的智能臺燈。經(jīng)過一系列的調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)時(shí)間顯示、溫度顯示、燈光調(diào)節(jié)及自動開關(guān)燈等功能 ?？傊鞠到y(tǒng)在設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程中集合了各種實(shí)用功能于一體，作者設(shè)想新穎，構(gòu)思巧妙是一款可以大力推廣實(shí)用型的智能化臺燈。

參考文獻(xiàn)：

[1] 金建設(shè)，于曉海.單片機(jī)原理及其應(yīng)用技術(shù)[M].清華大學(xué)出版社，2014.

[2] 文武松.單片機(jī)實(shí)戰(zhàn)寶典：從入門到精通[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[3] 郭天祥.新概念51單片機(jī)C語言教程[M].電子工業(yè)出版社，2009.

[4] 林雪梅.熱釋電紅外傳感器及其應(yīng)用[M].甘肅科技縱橫，2005.

[5] 黃賢武.傳感器原理及其應(yīng)用[M].電子科技大學(xué)出版社，1999.

[6] 張曉東.電子制作從想法到現(xiàn)實(shí)[M].福建科技出版社，2009.

[7] 胡宴如.模擬電子技術(shù)[M]3版.高等教育出版社，2008.