基于STC89C51單片機(jī)的鄉(xiāng)村家用智能臺燈系統(tǒng)設(shè)計*

李 玲，郭泓序，田真子

（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，河南 鄭州 450046）

自從19世紀(jì)末，電作為一種新能源進(jìn)入到千家萬戶的生活以來，到如今人們的生活與電息息相關(guān)。一個又一個的電器用品也是從那時被發(fā)明出來，并且在以后的社會生活和科技發(fā)展中，不斷地被充實(shí)和完善。21世紀(jì)進(jìn)入了一個科技高速發(fā)展的時代，信息技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，帶來了一次次的科技革命以及技術(shù)的革新。隨著新農(nóng)村建設(shè)的逐步深入，人們對生活品質(zhì)的要求也隨之不斷地提高，開始追求快捷、高效的生活方式，為了適應(yīng)物質(zhì)生活的需求，智能家電應(yīng)運(yùn)而生，而這些智能家電普遍有一個共同的標(biāo)志，就是遠(yuǎn)程控制。

當(dāng)下家電的智能化正逐漸應(yīng)用在人們的生活中，針對家電遠(yuǎn)程控制技術(shù)及智能家電的使用現(xiàn)狀，安全性及普及性都有待提高，此外價格過高也是亟待解決的問題。目前由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展等各方面的原因，智能家電在農(nóng)村的應(yīng)用和普及還很困難。但是由于學(xué)習(xí)所需，臺燈又是一件必需品。本次設(shè)計的智能臺燈使用STC89C51單片機(jī)，借助ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換、傳感器等裝置，是一臺智能臺燈，它不僅可以根據(jù)環(huán)境光線自動調(diào)節(jié)亮度，而且還可以實(shí)現(xiàn)坐姿報警、學(xué)習(xí)時間定時等功能，對于在農(nóng)村的學(xué)生以及工作族來說，具有預(yù)防近視的良好效果，而且它的制作成本較低，因此具有良好的實(shí)用性和普及性。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

本系統(tǒng)主要由STC89C51單片機(jī)、ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)碼管、傳感器、蜂鳴器、LED燈等元件組成。該系統(tǒng)是基于感應(yīng)人體紅外信號的熱釋電紅外傳感器的設(shè)計。它采用ADC0809作為模數(shù)轉(zhuǎn)換和信號處理電路，由STC89C51單片機(jī)進(jìn)行處理，并發(fā)出控制指令來實(shí)現(xiàn)相關(guān)的控制目的。

圖1 智能臺燈系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示，其中箭頭的指向代表了動作的方向，由框圖可見，系統(tǒng)的主要組成包括如下部分：

（1）傳感器包括：熱釋電紅外傳感器、紅外測距傳感器、光敏電阻；這是系統(tǒng)信號檢測與處理系統(tǒng)的主要組成部分。

（2）以STC89C51單片機(jī)和ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成的系統(tǒng)微處理器模塊，用于處理信號并發(fā)出相應(yīng)的程序控制命令。

（3）LED燈光亮度控制電路部分：根據(jù)STC89C51單片機(jī)給出的指令來相應(yīng)地控制燈光亮滅和調(diào)整亮度。

（4）蜂鳴器報警部分：用于到達(dá)學(xué)習(xí)設(shè)定時間時的報警，以及坐姿矯正的報警。

由于需要感知周圍是否有人在，因此在設(shè)計中采用了熱釋電紅外傳感器。因?yàn)樵搨鞲衅鲗θ梭w波長約10μm的紅外輻射極其敏感，而其他物體的熱輻射不會引起探頭移動。所述臺燈頂部的光敏電阻能夠感知LED臺燈周圍環(huán)境的光強(qiáng)，從而自動調(diào)節(jié)臺燈的亮度;該系統(tǒng)微控制單元采用STC89C5l單片機(jī)，其主要功能是接收來自傳感器的返回信號，并控制經(jīng)過處理的數(shù)碼管顯示、蜂鳴器報警、LED燈等電路;蜂鳴器單元主要是根據(jù)單片機(jī)單元發(fā)出的命令給出報警信號;光的控制由晶體管驅(qū)動，通過單片機(jī)的I/O口輸出相應(yīng)的PWM脈沖。達(dá)到控制燈具亮度的效果。顯示部分使用4位1體共陽極數(shù)碼管，由9012三極管驅(qū)動。坐姿校正傳感器使用紅外測距傳感器來測量人體與傳感器系統(tǒng)之間的距離。當(dāng)距離小于報警距離時，蜂鳴器報警。

2 系統(tǒng)硬件模塊簡介

2.1 STC89C51單片機(jī)簡介

STC89C51單片機(jī)系統(tǒng)的引腳與接線圖如圖2所示：

圖2 STC89C51單片機(jī)引腳與接線圖

STC89C51單片機(jī)是本次使用單片機(jī)作為系統(tǒng)的主要中心控制單元，對系統(tǒng)起到了極其重要的作用。單片機(jī)的主要任務(wù)是接收光敏傳感器和人體感應(yīng)傳感器傳輸進(jìn)來的數(shù)字信息，并對數(shù)字信息的大小以及相應(yīng)的模式進(jìn)行處理，進(jìn)而發(fā)送控制指令。控制的對象主要有光敏LED的開啟和亮度、蜂鳴器報警以及數(shù)碼管顯示等多種功能。所以，對于單片機(jī)I/O口的應(yīng)用較為豐富。在單片機(jī)的左下方是晶振電路，為單片機(jī)提供工作脈沖。這個脈沖也就是單片機(jī)的工作速度。在設(shè)計中使用的晶振是12MHz，即工作速度為每秒12M。左上部為復(fù)位電路，供單片機(jī)復(fù)位使用。

2.2 ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置

由于系統(tǒng)需要感應(yīng)人體的靠近與否，它是一個模擬信號。但是，由于單片機(jī)只能處理數(shù)字信號，因此，ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器就起到了極其重要的作用，通過它與單片機(jī)和外設(shè)兩端的連接，即可進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，該模塊在系統(tǒng)中也起到了橋梁的作用。

圖3 ADC0809模塊接線圖

如圖3所示，即為ADC0809模塊的接線圖，在需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時，只需在IN-0至IN-7這8個模擬輸入信號口中選擇一個端口即可，所以在設(shè)計階段，作者選用了IN-0接口，接入模擬信號，而將其他口關(guān)閉。經(jīng)模塊的模數(shù)轉(zhuǎn)換后，右側(cè)端口輸出AD數(shù)字信號，與單片機(jī)相連，進(jìn)行相關(guān)的指令動作。

2.3 傳感器和信號檢測與處理部分

傳感器在本次設(shè)計中發(fā)揮了重要作用。由傳感器組成的信號檢測與處理部分的電路原理如圖4所示。

圖4 傳感器和信號檢測與處理部分組成圖

信號檢測與處理部分主要由人體感應(yīng)模塊、紅外接近傳感器以及蜂鳴器等元件組成。其核心部件是一個熱釋電紅外傳感器，因其對人體輻射的10μm左右紅外波長極其敏感，所以它可以靈敏地檢測到周圍環(huán)境是否有人，進(jìn)而做出相應(yīng)的動作。它的探針是兩個電極化完全相反的熱釋電元件，當(dāng)周圍沒有人時，二者放電效應(yīng)可相互抵消，因此就不會引發(fā)單片機(jī)指令帶動蜂鳴器報警；但是當(dāng)它感受到周圍有人體的熱輻射時，相應(yīng)電極的熱釋電單元就會吸收人體熱輻射，進(jìn)而導(dǎo)致兩單元的熱釋電性產(chǎn)生不同，即電勢差改變，它不能偏移，所以會輸出檢測信號，此時單片機(jī)會發(fā)出命令動作，使蜂鳴器產(chǎn)生報警。

此外，除了需要檢測人體信號外，由于臺燈報警時，是達(dá)到一定的距離后才會報警的，因此需要一個測距傳感器。本設(shè)計選用的測距傳感器本質(zhì)上就是一種光電傳感器，即將光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕淖兓?，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)信號的反饋與控制（見圖5）。

圖5 紅外測距模塊電路圖

這個裝置的電子感應(yīng)器件主要是發(fā)射裝置、接收器和檢測電路。發(fā)射器發(fā)出的光源通常是一種半導(dǎo)體光源，如發(fā)光二極管（LED）等。這些光源會不停地發(fā)出，也可能改變其脈沖寬度。接收器由光電二極管、光電晶體管和光電池組成。同時接收器前還帶有像透鏡和光圈等光學(xué)器件。在接收裝置后面有檢測電路能把有效信號濾出鎖定起來并有效利用。

這個設(shè)計使用的多個傳感器，通常會在通電后輸出高電平。但當(dāng)人體被確認(rèn)在附近時，就將變成低電平信號傳送出去，然后將低電平信號傳送到單片機(jī)中處理。最終實(shí)現(xiàn)該燈具的設(shè)計目的即進(jìn)行測距和報警。

2.4 光敏電阻LED燈光控制電路

系統(tǒng)的LED燈光控制電路如圖6所示。

圖6 LED燈光控制電路

圖6是由LED以及光敏電阻等組成的燈光控制電路。系統(tǒng)的所有LDE燈采用并聯(lián)連接，之后將并聯(lián)后的LED燈組的正極接在三極管Q8的集電極上，燈組的負(fù)極是接地的。當(dāng)單片機(jī)的IO端口LED輸出高電平時，晶體管Q7被打開，Q8的基極被拉低。此時Q8打開，并聯(lián)LED燈的陽極連接到電源上，燈亮；當(dāng)單片機(jī)的IO口LED輸出低電平時，晶體管Q7被切斷，Q8的基極被上拉電阻R12拉起。此時Q8被切斷，并聯(lián)LED的正極未接電源，燈滅。當(dāng)IO口的頻率變化非?？鞎r，可以通過調(diào)節(jié)PWM占空比來控制燈的亮度。

本次設(shè)計的臺燈最終可實(shí)現(xiàn)以下功能：在自動模式下，臺燈能根據(jù)周圍環(huán)境光線的明暗與是否檢測到周圍有人來判斷是否開啟臺燈。并且能夠根據(jù)周圍環(huán)境的明暗自動調(diào)節(jié)亮度。當(dāng)人體太靠近臺燈時，臺燈會感應(yīng)到并對此發(fā)出警告，提醒人們要調(diào)整到正確的坐姿。并且我們可以自己設(shè)定時間，當(dāng)工作學(xué)習(xí)的時間到了設(shè)定的時長后，臺燈發(fā)出提醒，提醒設(shè)定時間到了，適當(dāng)休息一下。另外在手動模式下，手動調(diào)節(jié)亮度。可以設(shè)置學(xué)習(xí)時間，按下設(shè)置鍵后可通過加減鍵調(diào)節(jié)分和秒。

3 系統(tǒng)軟件部分簡介

在Kile5軟件中,編寫相關(guān)的控制程序，本系統(tǒng)的主程序如下：

最終，將調(diào)試好的程序燒錄到制作好的硬件電路板中，即可實(shí)現(xiàn)本設(shè)計的相關(guān)功能，智能臺燈的設(shè)計就成功了。制作出的智能臺燈系統(tǒng)實(shí)物如圖7所示。

圖7 基于STC89C51單片機(jī)的智能臺燈實(shí)物圖

4 結(jié)束語

以上就是本設(shè)計的全部內(nèi)容，本系統(tǒng)主要依靠單片機(jī)原理以及通信、物聯(lián)網(wǎng)控制等技術(shù)，結(jié)合了多種控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)選擇了家電遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的硬件部分，最終完成了硬件電路的設(shè)計制作以及軟件的編程與寫入。

系統(tǒng)利用單片機(jī)領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對智能臺燈控制系統(tǒng)的設(shè)計，與傳統(tǒng)的臺燈相比，不僅節(jié)約了能源，也為人們的日常生活提供了極大的便利。它不僅能夠根據(jù)環(huán)境光線自動調(diào)節(jié)亮度，而且人體感應(yīng)裝置還可以根據(jù)坐姿，進(jìn)行檢測和報警。其中的數(shù)碼管和按鍵設(shè)置能夠?qū)W(xué)習(xí)時間進(jìn)行定時，起到提醒功能。總的來說，這一設(shè)計不僅方便實(shí)用，而且對于在農(nóng)村學(xué)習(xí)的人們來說，也是一個良好的預(yù)防近視的設(shè)計。相信，在新農(nóng)村的建設(shè)，以及鄉(xiāng)村振興的道路上，諸如此類經(jīng)濟(jì)實(shí)用的智能家電，能夠越來越多地走進(jìn)千家萬戶，方便人們的生活，為新農(nóng)村建設(shè)添磚加瓦。