基于單片機的智能加濕臺燈設(shè)計

郭曉

（1.河南理工大學(xué)鶴壁工程技術(shù)學(xué)院，河南鶴壁，458030；2.鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鶴壁，458030）

0 前言

干眼癥是指任何原因造成的淚液質(zhì)量異?；騽恿W(xué)異常，導(dǎo)致淚膜穩(wěn)定性下降，并伴有眼部不適、眼組織病變?yōu)樘卣鞯亩喾N疾病的總稱。手機、電腦等電子設(shè)備的廣泛使用及空調(diào)的普及是干眼癥形成的主要原因之一，我國干眼患病率約為6.1%～52.4%[2]。LED是由半導(dǎo)體材料制作，屬于冷光源，具有眩光小、輻射低等優(yōu)點，非常適合晚上看書、看電腦等人群。將LED燈與加濕器結(jié)合，不僅可以減少燈光對眼睛的傷害，還可以通過改善環(huán)境濕度，降低干眼癥的發(fā)生，有效保護人們的眼睛健康。

本文基于單片機AT89C52設(shè)計了一款智能化加濕器臺燈，可實現(xiàn)照明、溫濕度顯示、自動加濕及休息提醒等功能，該設(shè)計是以AT89C52單片機為控制核心，20個LED燈為照明設(shè)備，溫濕度傳感器DHT11為溫濕度監(jiān)控設(shè)備，配以蜂鳴器、按鍵、LCD1602液晶顯示器等組成。設(shè)計的基本要求為：除可以提供照明外，還可以顯示環(huán)境的溫濕度，根據(jù)設(shè)置的濕度閾值自動控制加濕器的開關(guān)，通過設(shè)置休息提醒時間提示休息。

1 設(shè)計原理

本次設(shè)計的智能加濕臺燈主要由7部分組成，分別是：溫濕度傳感器、單片機主控芯片、液晶顯示器、按鍵控制、休息提醒、加濕器、LED照明燈。工作原理：（1）由溫濕度傳感器采集數(shù)據(jù)，輸出數(shù)字信號給單片機；（2）單片機通過計算在顯示器上顯示環(huán)境溫度和濕度；（3）可通過按鍵設(shè)置濕度的閾值，當(dāng)環(huán)境濕度低于閾值時，自動打開加濕器，當(dāng)濕度高于閾值時，自動關(guān)閉加濕器；如果不設(shè)置濕度閾值，默認(rèn)的濕度閾值為45%RH。（4）可通過按鍵設(shè)置休息提醒時長，當(dāng)時間到后，蜂鳴器響起并臺燈自動關(guān)閉，提醒用戶需要休息；如果不設(shè)置休息提醒時長，默認(rèn)的休息提醒時長為40min。硬件原理圖見圖1。

圖1 智能加濕臺燈硬件原理圖

2 硬件電路設(shè)計

本設(shè)計采用Proteus8軟件進行仿真，用Keil μVision4進行程序編程。Proteus8可以完成原理圖布圖、代碼調(diào)試、單片機與外圍電路仿真及PCB板設(shè)計，支持IAR、Keil和MATLAB等多種編譯器[3]。注：LED照明模塊由20個1W的LED燈構(gòu)成，由于仿真電路的空間有限，因此僅用5個LED燈表示。在加濕模塊中，由于Proteus8軟件沒有加濕模塊，因此僅有綠色的LED指示燈代表加濕器。硬件電路仿真圖見圖2。

圖2 硬件電路仿真圖

■2.1 單片機最小系統(tǒng)

單片機最小系統(tǒng)是指可以正常工作的最小電路，除單片機外，至少還需要晶振電路和復(fù)位電路。其中：晶振電路相當(dāng)于單片機的心臟，為單片機提供源源不斷的信號脈沖。本系統(tǒng)采用振蕩頻率為12MHz的晶振片，電容C1和C2的電容值大小均為30pF，分別與單片機AT89C52的XTAL1與XTAL2引腳相連。復(fù)位電路相當(dāng)于電腦的重啟系統(tǒng)，當(dāng)單片機程序跑飛時，按下按鍵開關(guān)后程序?qū)念^開始執(zhí)行。復(fù)位電路由按鍵開關(guān)、電容和電阻構(gòu)成，電容值大小為1μF，電阻值大小為10kΩ。復(fù)位電路與單片機AT89C52的RST引腳相連，當(dāng)高電平持續(xù)時間大于兩個機器周期時便可實現(xiàn)復(fù)位功能。

■2.2 LED照明模塊

LED照明模塊由20個LED燈組成，一排10個，LED燈通過脈沖寬帶調(diào)整PWM進行燈光控制[3]。其中：1個LED燈功率為1W，臺燈額定功率為20W。脈沖寬度調(diào)制PWM調(diào)光原理：在固定的時間周期T內(nèi)，通過改變燈光點亮與熄滅的時間比值（占空比）實現(xiàn)LED燈光控制。在實際應(yīng)用中，為避免燈光閃爍引起的眼睛不適，根據(jù)人眼對光的殘留效應(yīng)，周期T要小于20ms，即脈沖頻率大于50Hz。通過按鍵加、按鍵減實現(xiàn)占空比的改變，以達到調(diào)節(jié)燈光的目的。LED照明模塊見圖3。

圖3 LED照明模塊

■2.3 溫濕度傳感器DHT11

溫濕度傳感器DHT11[4]是由溫濕度傳感模塊和數(shù)字采集模塊構(gòu)成，采用單線串行接口和4針單排引腳封裝。DHT11具有精度高、可靠性高、穩(wěn)定性強、集成簡易、連接方便等特點。其濕度量程為5%～95%RH，精度為±5%RH，溫度量程為-20℃～+60℃，溫度精度為±2℃。

連接方式：溫濕度傳感器DHT11輸出引腳接單片機AT89C52的P2.0引 腳。其中，需要在輸出端接4.7k的上拉電阻，作用是將不確定的信號置于高電平和限制電流，目的是防止信號干擾和保護I/O引腳。DHT11模塊見圖4。

圖4 溫濕度傳感器模塊

■2.4 LCD液晶顯示器

本設(shè)計采用LCD1602液晶顯示器，能夠顯示字母、數(shù)字和符號。液晶顯示器與單片機采用直接控制方式，即LCD1602液晶顯示器的8根數(shù)據(jù)線和3根控制線E、RS和R/W與單片機直接相連。單片機AT89C52的P0引腳漏極開路，如果LCD1602的數(shù)據(jù)端口內(nèi)阻較大，可能會發(fā)生通訊異常，因此使用外部上拉電阻作為電平轉(zhuǎn)換芯片。

■2.5 按鍵模塊

按鍵模塊由5個獨立按鍵組成，分別完成臺燈開關(guān)、濕度閾值設(shè)置、休息提醒時間設(shè)置、燈光亮、燈光暗、五個功能，分別接AT89C52單片機的P3.0～P3.4引腳。

■2.6 休息提醒模塊

休息提醒模塊的主要功能是為了提醒用戶休息，防止長時間看屏幕造成眼睛疲勞。休息提醒時長可設(shè)置或默認(rèn)，默認(rèn)時間為40，時長設(shè)定后將會倒計時。當(dāng)?shù)褂嫊r結(jié)束，臺燈發(fā)出警報提醒用戶注意休息。該模塊主要由兩部分組成：第一部分為蜂鳴器；第二部分為按鍵，可用來設(shè)置休息提醒時長。當(dāng)超過設(shè)置時長時，引腳被置為低電平，蜂鳴器報警，同時臺燈關(guān)閉。休息提醒模塊見圖5。

圖5 休息提醒模塊

■2.7 加濕器模塊

加濕器模塊主要由三部分組成：電磁繼電器、指示燈和超聲波加濕器。繼電器相當(dāng)于加濕器的開關(guān)，閉合時，LED指示燈亮，加濕器開始工作。通過一個三極管控制繼電器的通斷：低電平導(dǎo)通，高電平斷開。三極管通過P3.7引腳與AT89C52連接。

3 程序設(shè)計

■3.1 加濕器流程

首先，對單片機、液晶顯示屏、溫濕度傳感器初始化；然后，單片機讀取溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)，通過計算將數(shù)字電壓信號轉(zhuǎn)換為溫濕度值，并傳輸給顯示器顯示；再次，如果濕度值低于閾值（設(shè)置或默認(rèn)），將自動打開加濕器，且加濕器指示燈（綠色）亮起。如果低于閾值，加濕器自動關(guān)閉。最后，不斷讀取溫濕度值，重復(fù)以上操作[5]。

■3.2 休息提醒流程

首先，對單片機、液晶顯示屏、溫濕度傳感器初始化；然后，判斷是否手動設(shè)置了休息提醒時長，如果手動設(shè)置了休息提醒時長，按照設(shè)置地進行倒計時，如果沒有手動設(shè)置休息提醒時長，則按照默認(rèn)的40min進行倒計時。程序設(shè)計流程圖見圖6。

圖6 程序設(shè)計流程圖

4 軟硬件調(diào)試

■4.1 仿真調(diào)試

根據(jù)硬件電路系統(tǒng)設(shè)計，使用Proteus8進行仿真調(diào)試，連接好單片機及各個模塊引腳，進行仿真調(diào)試。（1）設(shè)置濕度閾值為45%RH，顯示器顯示當(dāng)前濕度為43%RH，加濕器自動開始工作，且指示燈亮起。（2）設(shè)置休息提醒時長為2min，倒計時2min后，蜂鳴器響，且LED照明燈關(guān)閉。（3）通過多次按鍵加減，LED燈光亮暗調(diào)整正常。通過調(diào)試各個模塊均能正常工作。

■4.2 硬件調(diào)試

按照仿真連接實物，排查連接線是否正確，確定無誤后，對實物進行通電調(diào)試。調(diào)試步驟為：（1）將編譯后的十六進制程序文件燒錄到單片機內(nèi)；（2）按臺燈開關(guān)鍵，查看LED燈能否正常打開與關(guān)閉。然后按調(diào)光加或減，查看LED燈能否變亮或變暗；（3）查看顯示器能夠正常顯示溫度與濕度；（4）設(shè)置濕度閾值高于和低于當(dāng)前濕度，查看加濕器能否正常打開和關(guān)閉；（5）設(shè)置休息提醒時長，查看蜂鳴器是否正常啟動與關(guān)閉，臺燈能否自動關(guān)閉。均無問題后，硬件調(diào)試完成。

5 結(jié)語

智能加濕器臺燈的設(shè)計思路來自平時的生活和工作，因需要長時間看電腦，經(jīng)常會出現(xiàn)腰酸背痛及眼睛疲勞等情況，尤其冬季空氣干燥，更容易出現(xiàn)眼睛干澀。通過局部的加濕，不僅可以改善環(huán)境濕度，還有利于減少電腦屏幕的紫外線輻射，降低對眼睛的損傷。本次設(shè)計的智能加濕臺燈，可通過設(shè)置濕度閾值，自動開啟、關(guān)閉加濕器，增加局部環(huán)境濕度。同時，可通過設(shè)置休息提醒，提示用戶休息，緩解腰酸背痛，減少視疲勞，有效降低用戶干眼癥的發(fā)生率。隨著人們對智能化要求的不斷提高，未來臺燈將更加智能化，比如人機互動、自動燈光控制、坐姿矯正提醒、視頻通話、手機無線充電等，將是我們后續(xù)工作的目標(biāo)[6]。