低成本及功能多元化的智能臺(tái)燈設(shè)計(jì)＊

李雪穎，段 潔，洪騰騰，周 洋

（1.黃河交通學(xué)院，河南 焦作 454950；2.河南省智能制造技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，河南 焦作 454950）

臺(tái)燈作為人們工作和生活中的常用電器，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，具備極強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿Α０殡S現(xiàn)代生活節(jié)奏的不斷加快，人們?cè)诠ぷ?、學(xué)習(xí)中使用臺(tái)燈的頻率也逐漸加大，視力下降、頸椎酸痛等健康問(wèn)題也愈發(fā)凸顯[1]。而這些問(wèn)題的誘因可能是光線不合理與坐姿不規(guī)范，因此智能臺(tái)燈應(yīng)運(yùn)而生?，F(xiàn)階段隨著各類芯片價(jià)格的猛漲，智能臺(tái)燈價(jià)格也水漲船高，所以設(shè)計(jì)和開發(fā)出一款成本較低、能監(jiān)測(cè)用戶坐姿、自適應(yīng)調(diào)節(jié)亮度，同時(shí)節(jié)能環(huán)保、適合大眾的智能臺(tái)燈尤為重要。

本文所設(shè)計(jì)的智能臺(tái)燈，運(yùn)用多種傳感器與主控芯片相結(jié)合的設(shè)計(jì)，有自動(dòng)和手動(dòng)2 種模式供使用。采用自動(dòng)模式時(shí)，能夠根據(jù)周圍環(huán)境的明暗實(shí)現(xiàn)對(duì)LED 燈光亮度的自動(dòng)控制，同時(shí)利用紅外熱釋電傳感器檢測(cè)周圍是否有人，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人自動(dòng)關(guān)燈；采用手動(dòng)模式時(shí)，可以手動(dòng)調(diào)節(jié)亮度。除此功能外，還可利用紅外測(cè)距傳感器測(cè)距，當(dāng)人體距離臺(tái)燈超過(guò)所設(shè)定的閾值時(shí)，蜂鳴器會(huì)發(fā)出警告，提醒人們糾正坐姿，防止近視。此外還可根據(jù)需求自己設(shè)定時(shí)長(zhǎng)，當(dāng)工作學(xué)習(xí)的時(shí)間達(dá)到所設(shè)定的時(shí)長(zhǎng)，蜂鳴器給出提醒，配合指示燈閃爍，提醒人們勞逸結(jié)合，保護(hù)視力與頸椎。該設(shè)計(jì)是智能家居領(lǐng)域的一種供大眾使用的產(chǎn)品，具備一定的市場(chǎng)化潛力。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能臺(tái)燈的功能要求如下：有人時(shí)根據(jù)環(huán)境光調(diào)節(jié)燈具的亮度，無(wú)人時(shí)關(guān)掉燈具，達(dá)到節(jié)能的目的；還能針對(duì)坐姿不規(guī)范給出提醒，通過(guò)調(diào)整坐姿防止近視；也具有定時(shí)功能，在進(jìn)行了一段時(shí)間學(xué)習(xí)后給出提醒，該走出去呼吸新鮮空氣、放松大腦保持高效的學(xué)習(xí)狀態(tài)和良好心情。

本著設(shè)計(jì)模塊化和成本低廉化的開發(fā)理念，在保證實(shí)現(xiàn)功能多元化需求的前提下，進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的組成可以分為主控部分、傳感器部分、信號(hào)處理部分和提醒部分。硬件系統(tǒng)組成如圖1 所示。

圖1 硬件系統(tǒng)組成

本次電源模塊選用USB 電源模塊，其工作電壓為5 Ⅴ，在現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)用廣泛。

1.1 控制模塊

51 單片機(jī)原型由英特爾研發(fā)，由于性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，其成為應(yīng)用最為廣泛的單片機(jī)[2]。本設(shè)計(jì)的控制模塊采用單片機(jī)作為主控芯片，對(duì)整個(gè)燈具系統(tǒng)的電路進(jìn)行控制。單片機(jī)最小系統(tǒng)三要素是電源、晶振和復(fù)位電路[1]。

STC89C51 控制芯片成本低、易于購(gòu)買，而且程序燒寫方便，其開發(fā)編程環(huán)境友好，抗干擾能力強(qiáng)、功耗低且價(jià)格低廉，此外還可多次擦寫，使用壽命較長(zhǎng)。單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)由外部振蕩和內(nèi)部振蕩2 種方式得到[2]。晶振選擇頻率為12 MHz。

1.2 智能臺(tái)燈燈板電路設(shè)計(jì)

發(fā)光二極管是一種固態(tài)半導(dǎo)體器件，可以直接把電轉(zhuǎn)化為光，與白熾燈和鎢絲燈的發(fā)亮方式不同?？紤]到智能臺(tái)燈應(yīng)具有壽命長(zhǎng)、光效高、幾乎沒有輻射與消耗電能很少的特點(diǎn)，所以燈泡優(yōu)先選擇發(fā)光二極管。

在燈板的電路設(shè)計(jì)中選用12 個(gè)發(fā)光二極管，采用并聯(lián)連接的方式。然后外接1 個(gè)USB 和1 個(gè)光敏電阻，USB 又用來(lái)和主控制板USB 相連接。自動(dòng)調(diào)光時(shí)它的設(shè)計(jì)原理是：當(dāng)光線增強(qiáng)時(shí)，光敏電阻的阻值快速減小，燈光變?nèi)?；而光線減弱時(shí)恰巧相反，借此實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光強(qiáng)弱的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

控制方面，光敏電阻的模擬信號(hào)是通過(guò)和一個(gè)分壓電阻串聯(lián)相接入AD 轉(zhuǎn)換器的模擬輸入信號(hào)腳上。而手動(dòng)模式下，光敏電阻的電路被阻斷，通過(guò)脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)對(duì)LED 進(jìn)行亮度控制，而且通過(guò)外界添加2 個(gè)按鍵開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)亮度的操作。

1.3 信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)

智能臺(tái)燈單片機(jī)需要外界環(huán)境信號(hào)，而信號(hào)則需通過(guò)各種傳感器進(jìn)行采集。電路中選擇熱釋電紅外傳感器、被動(dòng)紅外測(cè)距傳感器和光敏電阻作為傳感器部分的組件。

熱釋電紅外傳感器：壓電陶瓷類電介質(zhì)在電極化后能保持極化狀態(tài)，稱為自發(fā)極化[3]。因?yàn)榧t外輻射產(chǎn)生熱量導(dǎo)致材料的內(nèi)部溫度上升至一定值時(shí)，表面附著的電荷轉(zhuǎn)移出去一部分，故稱為熱釋電[4]。為了平衡，它向外界釋放電荷，產(chǎn)生了電壓差，被系統(tǒng)監(jiān)測(cè)并報(bào)警，這就是熱釋電傳感器的工作原理。而且它對(duì)人體輻射的紅外波長(zhǎng)附近的紅外輻射特別敏感，因此除人體外的其他物體很難引起探頭檢測(cè)。本設(shè)計(jì)使用的紅外熱釋電紅外傳感器是HC-SR501 人體感應(yīng)模塊。

測(cè)距傳感器：本文設(shè)計(jì)的臺(tái)燈中為了糾正坐姿而加入了被動(dòng)紅外測(cè)距傳感器，檢測(cè)距離時(shí)可以根據(jù)要求自行調(diào)節(jié)電位器。該傳感器有發(fā)射器、接收器和檢測(cè)電路[5]3 部分。它在電路中的工作原理是檢測(cè)到物體時(shí)，輸出低電平的信號(hào)，反之輸出高電平的信號(hào)，低電平會(huì)觸發(fā)提醒。本文需要它對(duì)用戶進(jìn)行測(cè)距，有效距離是30 cm，正常安全坐姿也是在這個(gè)范圍內(nèi)，很人性化。而當(dāng)用戶靠近小于30 cm 時(shí)，低電平會(huì)使蜂鳴器產(chǎn)生報(bào)警，提醒用戶坐姿不對(duì)，需要進(jìn)行調(diào)整，能達(dá)到預(yù)期的目的。

光敏電阻：光敏電阻是一種對(duì)光強(qiáng)度變化敏感的電阻[6]，能夠感受外界光線強(qiáng)度，使內(nèi)部電阻變化，從而影響整個(gè)電路，以此達(dá)到自動(dòng)控制燈光強(qiáng)弱的目的。它正常時(shí)電阻大小幾乎無(wú)窮大，故和發(fā)光二極管串聯(lián)接入同一個(gè)燈板。光敏電阻的電阻阻值隨著燈光的光照強(qiáng)度增大而減小，發(fā)光二極管具有單向?qū)щ娦?，它們反接便能完成?duì)電路的自動(dòng)控制。

STC89C51 接收的是數(shù)字信號(hào)，但是大多是傳感器的輸出信號(hào)為模擬信號(hào)，在該設(shè)計(jì)中使用ADC0809 完成傳感器與單片機(jī)的通信。

1.4 數(shù)碼管

智能臺(tái)燈不僅需要能調(diào)節(jié)燈光的強(qiáng)度，而且還需要能提醒用戶勞逸結(jié)合，這就需要借助定時(shí)功能，定時(shí)顯示器常常使用數(shù)碼管。數(shù)碼管是由發(fā)光二極管組成的半導(dǎo)體材料。數(shù)碼管通常有2 種，第一種由7 根發(fā)光二極管組成，第二種由8 根發(fā)光二極管組成。第二種數(shù)碼管能夠顯示小數(shù)點(diǎn)，因?yàn)樗嗔艘桓l(fā)光二極管。智能臺(tái)燈定時(shí)器為了區(qū)分分和秒，需要一個(gè)小數(shù)點(diǎn)來(lái)隔開顯示，因此選擇八段數(shù)碼管更為合適。本系統(tǒng)使用共陰極數(shù)碼管，當(dāng)數(shù)碼管亮起時(shí)，則發(fā)光二極管的陽(yáng)極是高電平，反之是低電平。

1.5 按鍵模塊設(shè)計(jì)

智能臺(tái)燈上具有多種亮度調(diào)節(jié)功能，為了實(shí)現(xiàn)這些不同的功能，需要在電路上加上控制按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)不同功能的使用和切換。選取4 個(gè)不同的功能按鍵，K1的功能是手動(dòng)和自動(dòng)切換工作模式，K2 的功能是設(shè)定時(shí)間，K3 的功能是增加燈光的強(qiáng)度和加時(shí)間，K4 的功能是減弱燈光的強(qiáng)度和減時(shí)間。按鍵按下時(shí)，單片機(jī)接收到信號(hào)并執(zhí)行相應(yīng)的控制程序。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的主程序流程如圖2 所示，初始化后開始執(zhí)行按鍵函數(shù)子模塊，之后根據(jù)按鍵功能完成所對(duì)應(yīng)的顯示功能。

圖2 主流程圖

3 調(diào)試

3.1 軟件調(diào)試

軟件調(diào)試是設(shè)計(jì)過(guò)程中必不可少的一步，軟件的編程選擇Keil 軟件來(lái)進(jìn)行程序編譯，Keil C51 是美國(guó)Keil Software 公司出品的51 系列兼容單片機(jī)C 語(yǔ)言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C 語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性和可維護(hù)性上具有明顯優(yōu)勢(shì)[7]。

Proteus 可以仿真51 系列、AⅤR、PIC、ARM 等常用主流單片機(jī)，還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，再配合顯示及輸出，能看到運(yùn)行后輸入輸出的效果[8]。本次仿真圖如圖3 所示。

圖3 仿真圖

將由Keil 軟件環(huán)境下編譯生成的hex 文件置于Protues 軟件所繪制的仿真圖的單片機(jī)中[9]，通過(guò)選擇不同按鍵，完成自動(dòng)和手動(dòng)調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度，同時(shí)也可設(shè)置學(xué)習(xí)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)勞逸結(jié)合、保護(hù)視力的功能。仿真時(shí)一定要將仿真環(huán)境配置好，進(jìn)行編程和仿真測(cè)試結(jié)束后，就開始準(zhǔn)備進(jìn)行實(shí)物硬件的調(diào)試。

3.2 硬件調(diào)試

硬件的測(cè)試分為靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試[10]2 種調(diào)試方式。LED 燈和硬件實(shí)物如圖4 所示。

圖4 LED 燈和硬件圖

靜態(tài)測(cè)試包含目檢和萬(wàn)用表測(cè)試，靜態(tài)測(cè)試完成后，進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，即對(duì)各種模塊進(jìn)行實(shí)際功能的測(cè)試[11]：通電后按啟動(dòng)開關(guān)，開啟后臺(tái)燈處于手動(dòng)狀態(tài)；手動(dòng)狀態(tài)下通過(guò)按“加”“減”按鈕來(lái)控制燈的亮暗，若可以實(shí)現(xiàn)，則說(shuō)明手動(dòng)模式軟件和硬件都過(guò)關(guān)；再按下切換鍵，燈光因?yàn)楣庹諒?qiáng)度發(fā)生變化，說(shuō)明光敏電阻通電后正常工作；距離臺(tái)燈特別近時(shí)，蜂鳴器開始提醒且蜂鳴一段時(shí)間后自動(dòng)關(guān)閉燈光，即證明紅外距離傳感器運(yùn)行正常；再尋找一個(gè)無(wú)人環(huán)境，距離臺(tái)燈很遠(yuǎn)后觀察它是否會(huì)延時(shí)熄滅，若熄滅則證明熱釋電傳感器運(yùn)行正常。硬件測(cè)試的動(dòng)態(tài)調(diào)試結(jié)束，則整個(gè)實(shí)物的測(cè)試過(guò)程在此結(jié)束。

4 總結(jié)

本文的主要研究?jī)?nèi)容是采用單片機(jī)作為核心控制單元進(jìn)行智能臺(tái)燈設(shè)計(jì)，硬件電路部分由熱釋電紅外傳感器、光敏電阻信號(hào)處理電路、提醒電路、燈光控制電路和故障報(bào)警電路等組成。選用C 語(yǔ)言進(jìn)行軟件程序設(shè)計(jì)，并選用Proteus 進(jìn)行仿真。

設(shè)計(jì)中，以STC89C51 作為主控芯片，設(shè)置有手動(dòng)和自動(dòng)2 種模式，在手動(dòng)模式下，利用“加”“減”按鈕改變PWM 占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)燈明暗度的調(diào)節(jié)，即完成對(duì)臺(tái)燈亮度的手動(dòng)調(diào)節(jié)；自動(dòng)模式下，利用光敏電阻的電阻值隨環(huán)境光照強(qiáng)度變化的特性，改變LED 兩端電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光亮度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。此外，該臺(tái)燈還具備實(shí)時(shí)測(cè)距和自主設(shè)定使用時(shí)長(zhǎng)的功能，可提醒使用者糾正坐姿和注意勞逸結(jié)合。該智能臺(tái)燈的控制電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，整體產(chǎn)品能耗低，性價(jià)比高，具備一定的市場(chǎng)推廣價(jià)值。