基于單片機(jī)的調(diào)光臺(tái)燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

安曉莉

摘要：隨著家用電器的廣泛使用，人們的生活質(zhì)量得到了普遍的提高。現(xiàn)在，人們?cè)絹?lái)越追求方便、舒適的生活。單片機(jī)作為一種性價(jià)比較高的微型計(jì)算機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)家用電器、工業(yè)控制產(chǎn)品的智能化、自動(dòng)化控制。作為一種小型的家用電器，臺(tái)燈也逐漸地走向智能化。雖然目前按鍵式臺(tái)燈仍然在市場(chǎng)上占有很大的份額，但是，可以預(yù)見(jiàn)，它將會(huì)逐漸被智能臺(tái)燈取代。

為了節(jié)約電能，保護(hù)視力，防止脊椎變形，該文采用單片機(jī)和熱釋電紅外傳感器設(shè)計(jì)出一種調(diào)光臺(tái)燈控制系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)燈的智能化控制：在黑夜，可以實(shí)現(xiàn)臺(tái)燈的自動(dòng)打開(kāi)，給用戶帶來(lái)方便;當(dāng)人離桌子的距離過(guò)近時(shí)，蜂鳴器發(fā)聲，提醒用戶調(diào)整坐姿，防止近視。

測(cè)試證明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案合理，性價(jià)比高，工作穩(wěn)定，具有一定的使用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);調(diào)光臺(tái)燈;PWM

中圖分類(lèi)號(hào)：TP301? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）30-0134-04

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越注重節(jié)能和環(huán)保。照明作為人們生活不可或缺的組成部分，每年消耗的電能占總用電量的12%，且以3.44%的年增長(zhǎng)率持續(xù)攀升。我國(guó)的年用電量大約是5185.9萬(wàn)兆瓦，其中，70%來(lái)自火力發(fā)電廠。據(jù)統(tǒng)計(jì)，火力發(fā)電廠每少發(fā)一度電，就會(huì)減少1千克的CO2的排放量。眾所周知，CO2是造成大氣溫室效應(yīng)的罪魁禍?zhǔn)?。所以，減少照明用電量可以起到保護(hù)環(huán)境的作用。

現(xiàn)在，市面上的臺(tái)燈大多是手動(dòng)調(diào)光。用手轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕，就可以調(diào)節(jié)燈光的亮度。這種臺(tái)燈能夠節(jié)約電能，但不能預(yù)防近視。目前，我國(guó)大約有四億人近視，其中，大部分是中、小學(xué)生。近視嚴(yán)重危害著青少年的健康。中、小學(xué)學(xué)生患近視的原因是他們?cè)趯W(xué)習(xí)或做作業(yè)的時(shí)坐姿不正確，人離臺(tái)燈的距離過(guò)近，長(zhǎng)時(shí)間的視疲勞引起的[1]。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)被廣泛同應(yīng)用到電子產(chǎn)品中，使電子產(chǎn)品蘊(yùn)含的科技含量增加，智能化程度提高。智能家用電器的共同特點(diǎn)是在其中嵌入了單片機(jī)[2]。智能家用電器和普通家用電器相比功能更多，使用更方便、安全、省電。作為一種小家電，臺(tái)燈也逐漸走向智能化。為了預(yù)防近視，本文使用單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種臺(tái)燈控制系統(tǒng)。使用本控制系統(tǒng)可以使臺(tái)燈燈光隨人離燈的遠(yuǎn)近自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)，還可以起到調(diào)整人的坐姿的作用。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用熱釋電傳感器RE200B感應(yīng)人體發(fā)出的紅外線，BISS0001芯片對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)行處理;光敏電阻采集環(huán)境光的強(qiáng)度， ADC0832將光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量;紅外測(cè)距傳感器檢測(cè)使用者離桌子的距離。這些信號(hào)被送入AT89S51單片機(jī)進(jìn)行分析、處理，單片機(jī)發(fā)控制命令給燈光控制電路，實(shí)現(xiàn)臺(tái)燈亮度隨環(huán)境光的強(qiáng)度而改變。當(dāng)人離桌面的距離太近時(shí)，由三極管與蜂鳴器構(gòu)成的提醒電路給使用者發(fā)調(diào)整坐姿的提醒信號(hào)。另外，臺(tái)燈燈亮的時(shí)間可以通過(guò)數(shù)碼管倒計(jì)時(shí)顯示出來(lái)，當(dāng)時(shí)間到時(shí)，燈自動(dòng)關(guān)閉。

本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的控制核心是AT89S51單片機(jī)。當(dāng)環(huán)境光線比較強(qiáng)時(shí)，光敏電阻的阻值很小，環(huán)境光檢測(cè)電路輸出的是低電平，此時(shí)，禁止熱釋電傳感器工作;當(dāng)環(huán)境光線比較弱時(shí)，光敏電阻的阻值很大，環(huán)境光檢測(cè)電路輸出的是高電平，熱釋電傳感器工作[3]。此時(shí)，當(dāng)有人進(jìn)入它的感應(yīng)范圍時(shí)，AT89S51單片機(jī)讀取ADC0832的輸出信號(hào)（該信號(hào)與環(huán)境光線的強(qiáng)弱有關(guān)），并根據(jù)環(huán)境光線的強(qiáng)弱調(diào)節(jié)臺(tái)燈的亮度。當(dāng)環(huán)境光線比較弱并且此時(shí)人離桌子的距離太近時(shí)（即坐姿不正確），紅外測(cè)距傳感器探測(cè)到人體活動(dòng)信號(hào)，該信號(hào)被AT89S51處理后，啟動(dòng)蜂鳴器，發(fā)出報(bào)警聲音，提示人離桌子遠(yuǎn)一點(diǎn)。當(dāng)人調(diào)整了坐姿，即人離桌子不是太近，但仍然位于熱釋電傳感器的感應(yīng)范圍內(nèi)時(shí)，蜂鳴器停止發(fā)提示音。

2.1 傳感器及信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

1）熱釋電人體檢測(cè)與處理電路

熱釋電人體檢測(cè)與處理電路如圖2所示。

熱釋電人體檢測(cè)與處理電路由熱釋電傳感器、BISS0001處理芯片組成。熱釋電傳感器僅對(duì)人體發(fā)出的紅外線敏感，因此，除人體外，其他物體不會(huì)引起紅外探頭的動(dòng)作。

當(dāng)人走進(jìn)感應(yīng)區(qū)時(shí)，熱釋電元件接收到人體發(fā)出的紅外線，在紅外探測(cè)器的輸出端輸出信號(hào)。

2）光檢測(cè)電路

光檢測(cè)電路如圖3所示。

當(dāng)環(huán)境光比較弱時(shí)，光敏電阻阻值大，在模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0832的通道0上的高電平經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字量，啟動(dòng)熱釋電傳感器工作。當(dāng)環(huán)境光較強(qiáng)時(shí)，光敏電阻阻值小，在ADC0832的通道0上的低電平經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后，禁止熱釋電傳感器工作。

在該單元電路中，電阻R4的作用是調(diào)節(jié)光敏電阻檢測(cè)靈敏度。若天還亮，燈仍然開(kāi)著，可以把R4換大一點(diǎn)以降低光檢測(cè)靈敏度;若已經(jīng)到了晚上，燈還未亮，可以把R4換小一點(diǎn)以提高光檢測(cè)靈敏度。通過(guò)多次調(diào)節(jié)，可以將臺(tái)燈調(diào)到最理想的狀態(tài)。

3）紅外接近開(kāi)關(guān)

紅外測(cè)距傳感器按圖4接線，就構(gòu)成紅外接近開(kāi)關(guān)。當(dāng)人離桌子太近時(shí)，紅外接近開(kāi)關(guān)閉合，P3.4上是低電平，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲，提醒人離桌面遠(yuǎn)點(diǎn);當(dāng)人調(diào)整完坐姿，此時(shí)，人離桌面不是很近，紅外接近開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，蜂鳴器被關(guān)閉。

2.2 按鍵電路設(shè)計(jì)

模式切換鍵K1：實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)模式之間的切換;

設(shè)置鍵K2：用于設(shè)置變量，0-正常，1-調(diào)分，2-調(diào)秒;

加鍵K3：按下一次，變量增加1;

減鍵K5：按下一次，變量減小1;

按鍵電路圖如圖5所示。

2.3 燈光控制電路設(shè)計(jì)

燈光控制電路圖如圖6所示。

LED燈L1～L12構(gòu)成了臺(tái)燈的照明元件。三極管Q2、Q1驅(qū)動(dòng)LED燈。當(dāng)P3.5上為低電平，Q2、Q1導(dǎo)通，燈亮;當(dāng)P3.5引腳上為高電平，Q2、Q1截止，燈滅[4]。

2.4 數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)

數(shù)碼管顯示電路圖如圖7所示。

本文用共陽(yáng)極數(shù)碼管上動(dòng)態(tài)顯示定時(shí)時(shí)間。在字段口上送字段碼，一個(gè)時(shí)刻只讓一個(gè)數(shù)碼管位選通有效（I/O口線為低電平），其余位選通無(wú)效（I/O口線為高電平），點(diǎn)亮一位數(shù)碼管，先最左端的數(shù)碼管，后最右端的數(shù)碼管，采用輪流導(dǎo)通，周而復(fù)始的方式，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定顯示。

2.5 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

P3.7上為高電平，三極管Q3截止，蜂鳴器不響;P3.7上為低電平，三極管Q3導(dǎo)通，蜂鳴器響。

報(bào)警電路圖如圖8所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主函數(shù)流程圖

開(kāi)機(jī)后，先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，開(kāi)中斷并啟動(dòng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作。系統(tǒng)默認(rèn)為手動(dòng)模式，延時(shí)500ms，點(diǎn)亮手動(dòng)模式指示燈，然后進(jìn)入循環(huán)：調(diào)用按鍵函數(shù)掃描按鍵、調(diào)用顯示函數(shù)完成顯示。

主函數(shù)流程圖如圖9所示。

3.2 按鍵掃描函數(shù)

開(kāi)機(jī)后，默認(rèn)為手動(dòng)模式，置flag_set鍵標(biāo)志為0、人體接近傳感器標(biāo)志位flag_jiejin為1。在模式切換鍵及設(shè)置鍵都沒(méi)有被按下時(shí)，每按下一次加鍵，燈光比例scale變量增加1，加到41時(shí)，燈亮度為100%;每按下一次減鍵，燈光比例scale變量減少1，減到1，燈亮度到0%。

如果按下模式切換鍵，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)模式，由于flag_jiejin是1，當(dāng)人離桌面過(guò)近時(shí)，蜂鳴器發(fā)提示音，提醒臺(tái)燈使用者調(diào)整坐姿，并將flag_jiejin置0。若人在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)離開(kāi)了桌面（即調(diào)整了坐姿），蜂鳴器停止發(fā)聲、flag_jiejin被置1。

在自動(dòng)模式下，若設(shè)置鍵被按下，蜂鳴器開(kāi)始發(fā)聲、設(shè)置鍵標(biāo)志位被加1，加到3，清0。即flag_set可以取0～2，其中0是正常模式;flag_set=1時(shí)，加鍵、減鍵用來(lái)調(diào)定時(shí)時(shí)間分鐘，在鍵按下時(shí)，蜂鳴器響、左面的兩位數(shù)碼管閃爍。flag_set=2時(shí)，加鍵、減鍵用來(lái)調(diào)定時(shí)時(shí)間秒，在鍵按下時(shí)，蜂鳴器響、右面的兩位數(shù)碼管閃爍。退出設(shè)置狀態(tài)后，如果紅外熱釋電傳感器檢測(cè)到有人，就將50個(gè)環(huán)境光強(qiáng)度信號(hào)取平均值。根據(jù)該平均值的大小給燈亮度比例變量scale賦值。如果紅外熱釋電傳感器沒(méi)檢測(cè)到人時(shí)，scale賦為最小值1。

3.3 顯示函數(shù)流程圖

顯示函數(shù)完成將定時(shí)時(shí)間動(dòng)態(tài)顯示在數(shù)碼管上。流程圖如圖10所示。

首先，計(jì)算標(biāo)志變量flag的值，然后，判斷flag是否等于1，如果等于1，則判斷閃爍標(biāo)志位ss是否為0，如果是0，則左邊兩位數(shù)碼管閃爍顯示，如果ss不是0，則左邊兩位數(shù)碼管顯示分鐘;若flag不等于1，如果等于1，則判斷閃爍標(biāo)志位ss是否為0，如果是0，則右邊兩位數(shù)碼管閃爍顯示，如果ss不是0，則右邊兩位數(shù)碼管顯示秒;如果flag不等于1，且不等于2，則結(jié)束。

3.4 T0中斷服務(wù)函數(shù)流程圖

T0中斷函數(shù)流程圖如圖11所示。

定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0每25微秒中斷一次。發(fā)生中斷后，給T0重賦25微秒的定時(shí)初值，然后，變量n自加1。如果n的值小于燈光比例變量scale，則P3.5被置零，臺(tái)燈被點(diǎn)亮;如果n的值大于燈光比例變量scale，則P3.5被置1，臺(tái)燈被熄滅;n的值如果是40，即1毫秒時(shí)間到，則將n置0[5]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本課題研究的內(nèi)容緊密聯(lián)人們的實(shí)際生活。目前，每個(gè)家庭都在使用臺(tái)燈。生活中經(jīng)常發(fā)生燈沒(méi)有被及時(shí)關(guān)掉而導(dǎo)致電的浪費(fèi)的現(xiàn)象。全世界有無(wú)數(shù)盞燈，它們浪費(fèi)的能源就非常大。還有，臺(tái)燈作為一個(gè)生活必備用品，應(yīng)能夠給人們帶來(lái)更方便的生活。為了節(jié)約用電并滿足人們的需要，本文較深入地研究了智能調(diào)光臺(tái)燈控制系統(tǒng)。

本智能臺(tái)燈控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是使用方便且省電。根據(jù)門(mén)和桌子的距離來(lái)調(diào)節(jié)紅外熱釋電傳感器的檢測(cè)范圍。這可以實(shí)現(xiàn)：在黑夜，當(dāng)人在門(mén)口一出現(xiàn)，燈就被點(diǎn)亮;人一離開(kāi)，燈就被關(guān)掉;另外，人們?cè)趯W(xué)習(xí)時(shí)，有時(shí)會(huì)坐姿不正確，比如人離桌面距離過(guò)近。這時(shí)，臺(tái)燈燈光會(huì)變暗，提醒人離開(kāi)桌子。當(dāng)人及時(shí)調(diào)整了坐姿，燈光自動(dòng)變亮，起到預(yù)防近視的作用。如果臺(tái)燈的使用者在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)離開(kāi)桌子（即未調(diào)整坐姿），燈會(huì)自動(dòng)熄滅，起到節(jié)約用電的效果。

本系統(tǒng)的難點(diǎn)是人體紅外信號(hào)的采集與處理模塊的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)使用熱釋電紅外傳感器檢測(cè)人體信號(hào)。當(dāng)有人走進(jìn)它的感應(yīng)區(qū)域時(shí)，該傳感器會(huì)輸出幾mV的信號(hào)。為了減少外界信號(hào)的干擾，本文使用BISS0001紅外熱釋電信號(hào)處理芯片對(duì)它二次放大、濾波，并將它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)以供單片機(jī)分析、處理。

雖然本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)其基本功能，但是它還有不足之處。在臺(tái)燈打開(kāi)時(shí)，燈光會(huì)干擾光敏電阻的工作，引起誤判斷。為了防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，應(yīng)將光敏電阻與燈光控制電路相互隔離、分開(kāi)放置。

今后，本系統(tǒng)可以拓展的功能有：添加鬧鐘、語(yǔ)音提醒等。

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[4] 李天然.基于51單片機(jī)的PWM調(diào)光燈設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].信息通信，2019，32（3）：129-131.

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