基于人體感應(yīng)的智能臺燈設(shè)計

王 健， 高 靖， 武 政， 張兆穎

（1 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 呼和浩特010053； 2 內(nèi)蒙機(jī)械動力研究所， 呼和浩特010053；3 中國鐵路呼和浩特局集團(tuán)公司車輛部， 呼和浩特010053）

0 引 言

隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展和用戶需求的提升［1］，家用電器越來越智能化，給我們的生活帶來了極大的便利［2］。 在日常生活中，不管是工作還是學(xué)習(xí)，臺燈的使用非常普遍。 出于節(jié)能和護(hù)眼考慮，目前市場上許多臺燈具有亮度調(diào)節(jié)的功能，但大多通過手動來實現(xiàn)，如旋鈕調(diào)節(jié)或觸摸調(diào)節(jié)；且亮度調(diào)節(jié)使用的器件為光敏電阻，電能利用率低，同時也不具備人體感應(yīng)和人體姿態(tài)檢測功能。

本文設(shè)計的基于人體感應(yīng)的智能臺燈，通過感應(yīng)燈前有人，自動開啟，且隨著環(huán)境亮度的變化，采用PWM 無極調(diào)壓方式自動調(diào)節(jié)亮度，使得光線均勻，達(dá)到適宜閱讀使用的需求；若無人使用或使用者處于趴著的姿態(tài)，則延時關(guān)閉，大大減少了電能的浪費(fèi)。 設(shè)計中采用大容量鋰聚合物電池為系統(tǒng)電路及照明電路供電。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計包括各模塊電路設(shè)計和PCB 設(shè)計。 其中，各模塊電路包括主控模塊、LED 驅(qū)動電路、電源電路和傳感器接口電路，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計方案框圖Fig.1 Block diagram of design scheme of system

1.1 主控模塊

選用單片機(jī)STC89C52 作為控制芯片，由晶振時鐘電路和按鍵復(fù)位電路組成單片機(jī)最小系統(tǒng)，如圖2 所示。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)Fig.2 Minimum System of microcomputer

1.2 LED 驅(qū)動電路

設(shè)計中選用USB 接口的LED 燈作為光源，額定工作電流為240 mA。 驅(qū)動電路選用NMOS 作為驅(qū)動開關(guān)器件，型號為IRF840，驅(qū)動電流可達(dá)50 A，電路如圖3 所示。

圖3 LED 驅(qū)動電路Fig.3 Drive circuit of LED

1.3 傳感器接口電路

傳感器采用模塊化設(shè)計，接口電路如圖4 所示，光照度傳感器模塊采用IIC 通訊，人體紅外感應(yīng)模塊與紅外接近開關(guān)采用典型的開關(guān)量傳感器接口。

1.4 電源管理電路

選用3.7 V 鋰聚合物電池供電，硬件電路要求供電電壓為5 V，需電源管理電路實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換及充放電控制功能。 如圖5 所示，模塊BAT＋、BAT－接鋰電池的正負(fù)極，VOUT＋和VOUT－接負(fù)載，VIN＋和VIN－接充電電源。

1.5 電源指示電路

電源指示電路包括電源開關(guān)電路和指示燈兩部分組成，如圖6 所示。

圖4 傳感器接口電路Fig.4 Interface circuits of sensor

圖5 電源管理電路Fig.5 Power management circuit

圖6 電源指示電路Fig.6 Power indicator circuit

2 軟件設(shè)計

2.1 主程序設(shè)計

圖7 為主程序流程圖，初始化完成后，采集環(huán)境光照強(qiáng)度，判斷是否適宜閱讀和書寫（250－500 lux［3］），檢測是否有人坐在臺燈前，若有人，根據(jù)環(huán)境照度調(diào)節(jié)臺燈亮度，否則繼續(xù)檢測。 使用過程中實時檢測人是否離開或者趴在桌上，若是，則延時15s 關(guān)閉［4］。

2.2 光照度采集子程序設(shè)計

如圖8 所示為讀光照強(qiáng)度子程序，傳感器與單片機(jī)采用IIC 通訊。 讀取兩字節(jié)光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，合并成16 位數(shù)據(jù)，因傳感器未標(biāo)定，讀出的數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)有所偏差，需進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)償，得到實際光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)［5］。

2.3 亮度調(diào)節(jié)子程序設(shè)計

燈光亮度的調(diào)節(jié)采用PWM 控制脈寬的方式，通過判斷高電平脈寬與脈沖周期（頻率為1 kHz）的關(guān)系，輸出相應(yīng)的電平或開始下一個脈沖的輸出［6］，如圖9 所示。

圖7 主程序流程圖Fig.7 Flow chart of main program

圖8 光照采集子程序流程圖Fig.8 Flow chart of illumination collection subroutine

圖9 亮度調(diào)節(jié)子程序流程圖Fig.9 Flow chart of brightness control subroutine

3 性能測試

智能臺燈實物如圖10 所示。 可通過紅色指示燈亮的個數(shù)判斷電源的剩余量，充滿電后，理論上可工作33 小時。

早上8 點，環(huán)境光照強(qiáng)度滿足寫作需求，有人使用時，此時臺燈無需工作，一直處于關(guān)閉狀態(tài)，如圖11 所示。

圖10 智能臺燈Fig.10 Intelligent Table Lamp

圖11 環(huán)境光較亮?xí)r臺燈工作情況Fig.11 Working condition of table lamp when ambient light is brighter

中午12 點，環(huán)境光較暗，有人使用時，臺燈從關(guān)閉狀態(tài)轉(zhuǎn)換為工作狀態(tài)，如圖12 所示。

圖12 環(huán)境光較暗時臺燈工作情況Fig.12 Working condition of table lamp when ambient light is dim

使用中，紅外接近開關(guān)檢測到人的姿態(tài)為趴著，臺燈從工作狀態(tài)延時工作15s 后關(guān)閉，如圖13 所示。

圖13 人體姿態(tài)為趴著時臺燈工作情況Fig.13 Working condition of table lamp when the human body posture is lying down

使用中，體紅外感應(yīng)模塊檢測到人已離開，臺燈從工作狀態(tài)延時工作15 s 后關(guān)閉，如圖14 所示。

圖14 人離開前、后臺燈工作情況Fig.14 Working condition of table lamp Before and after people leaving

4 結(jié)束語

基于人體感應(yīng)的智能臺燈在感應(yīng)人體的基礎(chǔ)上，采用PWM 無極調(diào)壓方式實現(xiàn)亮度的自動連續(xù)調(diào)節(jié)，光線調(diào)整均勻，使用者不會因光線突然變化產(chǎn)生刺眼的感覺。

智能臺燈采用紅外接近開關(guān)檢測人體的姿態(tài)，通過判斷使用者是坐著還是趴著，來調(diào)整臺燈的工作情況，若趴著則延時15 s 關(guān)閉，進(jìn)而提示使用者保持正確的坐姿。

智能臺燈使用鋰聚合物電池供電，具有充電功能。