STC89C52單片機的智能人體感應(yīng)臺燈

塔里木大學(xué)信息工程學(xué)院 趙德福 張楠楠 張 曉

智能護眼臺燈的設(shè)計是基于STC89C52單片機，該設(shè)計的軟件部分采用的是C語言編程。通過中央控制單元處理熱釋電紅外傳感器、紅外線光電開關(guān)以及光敏電阻檢測到的信號和光強信號，并控制提醒電路和照明控制電路做出相應(yīng)的動作，以保證整個系統(tǒng)的正常運行。此次設(shè)計具備低成本、較高性價比、護眼等優(yōu)點。

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，各種各樣的智能臺燈已經(jīng)普及了人們的生活，這些智能臺燈也極大地給與了人們的需求。人們對智能化領(lǐng)域的研究越來越深入，而單片機與智能控制理論的結(jié)合會更大程度上改善智能臺燈產(chǎn)品的功能。由于在傳統(tǒng)的家用電器中增加了單片機，所以家用電器也越來越智能化。本次設(shè)計的一種基于單片機的智能人體感應(yīng)臺燈，可以根據(jù)其周圍環(huán)境的變化自動開啟或者關(guān)閉，有利于節(jié)約能源；可以設(shè)置學(xué)習(xí)時間以此來代替鬧鐘；當(dāng)使用者離桌面太近時會發(fā)出警告提醒你調(diào)整坐姿以預(yù)防近視。

1 市場發(fā)展現(xiàn)狀

到目前為止，在市場上，使用人性化智能臺燈的+5V直流電源并不多見。本文所設(shè)計的智能護眼臺燈具有無觸電現(xiàn)象，使用壽命比傳統(tǒng)臺燈長，無輻射，且節(jié)約能源等優(yōu)點。智能護眼臺燈還有許多優(yōu)點，一方面，智能護眼臺燈可以根據(jù)外界光線強度和探測臺燈周圍有無人來自動開啟或關(guān)閉臺燈，以及自動調(diào)節(jié)臺燈亮度；另一方面，智能護眼臺燈也可以糾正使用者的不良坐姿，達(dá)到能夠防止使用者駝背預(yù)防眼睛離書本太近而造成的近視的目的。

根據(jù)在市場上調(diào)研有關(guān)智能臺燈的數(shù)據(jù)，隨著LED集成電路工藝的芯片級光源技術(shù)獲得持續(xù)關(guān)注和跟進，標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、低成本、高效率是應(yīng)用產(chǎn)品及系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，護眼技術(shù)將與新一代信息技術(shù)深度融合，LED護眼燈未來將成為主流。LED屬于一種半導(dǎo)體冷光源，它的眩光小，沒有輻射；非常適用于當(dāng)代人，尤其是經(jīng)常晚上學(xué)習(xí)看書的人士。

研究報告對護眼燈市場的分析由大入小，從宏觀到微觀，以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，深入的分析了護眼燈的技術(shù)及特點：LED光源是低壓微電子產(chǎn)品，它融合了計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、圖像處理技術(shù)和嵌入式控制技術(shù)等。LED裸片所采用的倒金字塔結(jié)構(gòu)和倒裝芯片設(shè)計極大程度的提高了發(fā)光效率，其光的単色性好，光譜窄，不需要任何復(fù)雜流程便可直接發(fā)出有色可見光。相信此設(shè)計在未來的市場會有很大的前景。

2 總體方案設(shè)計

2.1 設(shè)計原理

本文設(shè)計的智能護眼臺燈可分為自動模式和手動模式。在自動模式下，智能護眼臺燈可以根據(jù)外界光線強度和探測臺燈周圍有無人來自動開啟或關(guān)閉臺燈，以及自動調(diào)節(jié)臺燈亮度。在設(shè)計中使用了能夠探測人體紅外輻射（9～10μm）的傳感器來探測和控制電路。當(dāng)在臺燈的探測范圍內(nèi)探測到人的時候，臺燈將會自動開啟；當(dāng)使用者在臺燈的范圍內(nèi)時，臺燈會感應(yīng)周圍環(huán)境光線強度，從而自動調(diào)節(jié)發(fā)光亮度；當(dāng)使用者靠近桌面并且達(dá)到了紅外線光電開關(guān)的設(shè)定距離時，臺燈將會自動探測，并及時發(fā)出警告以提醒使用者及時糾正自己的坐姿，當(dāng)人們離開一定時間時，臺燈會自動熄滅以節(jié)約電量。手動模式是指燈的亮度不隨環(huán)境光線強度的變化而改變，但是可以通過臺燈按鍵來調(diào)整自己所需的燈光的亮度。本設(shè)計還具有設(shè)置學(xué)習(xí)時間的功能，可以手動設(shè)置學(xué)習(xí)時間，設(shè)定完成后將會進行倒計時，當(dāng)?shù)褂嫊r結(jié)束，這個時候臺燈將會發(fā)出警報，來提醒使用者注意用眼時間，并且學(xué)習(xí)時間將被重新設(shè)定。在報警響起時，手或其他障礙物可以在熱釋電紅外距離傳感器前擺動，或按任意鍵停止報警。

2.2 設(shè)計內(nèi)容

本文設(shè)計的智能護眼臺燈，主要是以STC89C52單片機、ADC0809、熱釋電紅外傳感器、紅外線光電開關(guān)、蜂鳴器、LED燈、按鍵、數(shù)碼管以及光敏電阻組成的。它的特點是可以根據(jù)有無人開燈或是關(guān)燈，根據(jù)外界光度調(diào)節(jié)臺燈的亮度，節(jié)約能源；且能通過檢測判斷人與傳感器距離是否小于設(shè)置的距離，來判斷是否發(fā)出報警，提醒使用者及時糾正坐姿。

具體要求如下：

（1）通過熱釋電紅外傳感器探測臺燈周圍是否有人，并經(jīng)過ADC0809處理檢測到的模擬信號，再由單片機進行處理以及控制。

（2）在自動模式下，當(dāng)使用者進入臺燈熱釋電紅外傳感器的探測范圍內(nèi)并且臺燈周圍光線條件不佳的時候，臺燈便會自動開啟，并且根據(jù)周圍光線強度，臺燈將會自動調(diào)節(jié)至適合工作和學(xué)習(xí)的亮度，以便于不用在黑暗中摸索燈開關(guān)的位置。

（3）在學(xué)習(xí)的時候，人體離桌面太近，達(dá)到紅外線光電開關(guān)的設(shè)定距離(50cm)以內(nèi)時，蜂鳴報警器將會發(fā)出報警，提醒使用者應(yīng)該糾正其坐姿，以達(dá)到防止近視的目的。按下臺燈中的按鍵，蜂鳴器將會停止報警。

（4）當(dāng)使用者離開臺燈一定時間以后，并且熱釋電紅外傳感器并沒有檢測到人的時候，臺燈就會自動熄滅，以此來節(jié)約電量。

（5）本文臺燈的設(shè)計還可以設(shè)置學(xué)習(xí)時間，當(dāng)?shù)竭_(dá)你設(shè)置的時間時，蜂鳴器將會發(fā)出報警，以提醒使用者應(yīng)注意休息。

2.3 系統(tǒng)組成框圖及模塊分析

智能護眼臺燈主要是由電源供電模塊、測距模塊、人體感應(yīng)模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機最小系統(tǒng)、按鍵控制模塊、蜂鳴器報警模塊、LED燈光驅(qū)動模塊以及數(shù)碼管顯示模塊這九個模塊組成。電源供電模塊、測距模塊、人體感應(yīng)模塊以及按鍵控制模塊的模擬信號通過A/D轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并通過單片機最小系統(tǒng)根據(jù)相應(yīng)的信號來控制蜂鳴器報警模塊、LED燈光驅(qū)動模塊以及數(shù)碼管顯示模塊，使它們能夠做出相應(yīng)的動作，已確保整個設(shè)計的可行性。圖1所示為系統(tǒng)的組成框圖。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

第一個模塊是電源供電模塊，通過電源供電模塊來給整個設(shè)計供電。設(shè)計主要是由一個DC接口和自鎖開關(guān)組成。供電模式分為兩種一種是電源線供電，另外一種是電池供電。電源線使用的是USB電源線，在一般情況下可以使用USB電源線直接和插頭連接插座就行；當(dāng)家里停電的時候可以使用USB電源線接在充電寶上，也可以直接換上電池來使臺燈正常使用。

圖2 原理圖設(shè)計

第二個模塊是數(shù)碼管顯示模塊，數(shù)碼管顯示模塊使用的是四位一體共陽數(shù)碼管，在本設(shè)計中是作計時顯示用，可以通過按鍵來設(shè)置時間，并通過數(shù)碼管來顯示，在本設(shè)計中最多可顯示一個小時。

第三個模塊是按鍵控制模塊，主要是由四個按鍵構(gòu)成?？梢酝ㄟ^按鍵設(shè)置時間，關(guān)閉蜂鳴器以及調(diào)節(jié)臺燈的亮度。當(dāng)整個設(shè)計開始工作的時候是處于自動模式，按下第一個按鍵，臺燈就變?yōu)槭謩幽Ｊ?，這時可以通過按第三個鍵、第四個按鍵來調(diào)節(jié)自己想要的臺燈亮度；當(dāng)蜂鳴器報警的時候隨意按下任意一個鍵，蜂鳴器報警停止；在手動模式和自動模式下都可以對臺燈設(shè)置自己的學(xué)習(xí)時間，按一下按鍵中的第二個鍵，可以設(shè)置分，按兩下可以設(shè)置秒，加鍵和減鍵可以調(diào)整時間。

第四個模塊是蜂鳴器報警模塊，主要是由單片機來控制蜂鳴器，當(dāng)使用者的距離靠近紅外線光電開關(guān)的設(shè)定距離(50cm)，蜂鳴器會報警，提醒使用者及時改正坐姿；當(dāng)使用者設(shè)置的學(xué)習(xí)時間到時，蜂鳴器也會報警，提醒使用者要注意休息。

第五個模塊是測距模塊，紅外線光電開關(guān)主要是為了來探測使用者和臺燈之間的距離，在本設(shè)計中為紅外線光電開關(guān)設(shè)定的距離為50cm，當(dāng)使用者的身體與紅外線光電開關(guān)的距離小于50cm，蜂鳴器就會報警，提醒使用者注意坐姿和眼睛離桌面的距離。

第六個模塊是人體感應(yīng)模塊。主要是用來感應(yīng)人體的，因為熱釋電紅外傳感器能探測到9～10μm的紅外輻射(相當(dāng)于人體發(fā)出的紅外輻射)，熱釋電紅外傳感器的設(shè)置距離本設(shè)計中用的距離為5m，這個距離是可以根據(jù)需求調(diào)整的。在自動模式下，只要人體感應(yīng)模塊探測到人并且臺燈周圍光線較暗，臺燈則會自動亮起。

第七模塊是LED燈驅(qū)動模塊，本設(shè)計中LED燈驅(qū)動模塊有12個LED燈和一個光敏電阻，LED燈主要就是提供光源，在手動模式下，可以由按鍵來調(diào)節(jié)光線強度；在自動模式下，是通過光敏電阻來感應(yīng)外界光線強度，光敏電阻會因外界光線強度來改變自身的阻值，再通過單片機控制，調(diào)節(jié)至合適的亮度。

第八個模塊是A/D轉(zhuǎn)換模塊，是由ADC0809構(gòu)成，主要是將模擬信號與數(shù)字信號進行轉(zhuǎn)換，通過單片機進行控制處理后再由ADC0809轉(zhuǎn)換后傳送給其他電路使用。

第九個模塊是單片機的最小系統(tǒng)，主要是由單片機、晶振電路和復(fù)位電路組成。目的是對設(shè)計中的其他模塊進行控制處理，以保證整個設(shè)計的可行性。

3 硬件設(shè)計

原理圖設(shè)計：

圖2所示為原理圖設(shè)計，設(shè)計中包括了對單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計，電源供電模塊設(shè)計，數(shù)碼管顯示模塊設(shè)計，蜂鳴器報警模塊設(shè)計，熱釋電紅外傳感模塊設(shè)計，紅外傳感設(shè)計，按鍵控制模塊設(shè)計，LED驅(qū)動模塊設(shè)計以及數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計。

4 總結(jié)

智能人體感應(yīng)臺燈的設(shè)計思想來自于平時的生活和學(xué)習(xí)，所以它的功能也是為了生活的方便而設(shè)計的。主要的功能除了能夠照明以外，可以根據(jù)外界光線強度以及臺燈周圍有無人來自動進行亮度調(diào)節(jié)以及開關(guān)燈，從而達(dá)到節(jié)約能源的目的。除此之外，還可以通過熱釋電紅外傳感器，紅外線光電開關(guān)來提醒使用者糾正坐姿，預(yù)防因坐姿不正確而導(dǎo)致的近視，還可以設(shè)置學(xué)習(xí)時間，并提醒使用者注意用眼及時休息。

在實驗過程中對電路原理圖進行嚴(yán)格的確認(rèn)之后，利用Proteus軟件對整個電路圖進行仿真，并且依據(jù)所設(shè)計的硬件部分來編寫相關(guān)的程序，并不斷調(diào)試，確定整個系統(tǒng)能夠運行，就開始了焊接電路板的工作。由于該臺燈主要的探測目標(biāo)是人體，因此使用熱釋電紅外傳感器，用于接收人體產(chǎn)生的9～10μm信號，并使用ADC0809處理傳感器產(chǎn)生的信號并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進行處理。當(dāng)完成對信號的檢測和處理部分的時候，就需要開始不斷測試來確定電路是否焊接正確。在調(diào)試電路的過程中，我們必須排除其他的外部干擾，尤其是傳感器周圍熱源的紅外干擾，以確保實驗的順利完成。