多功能臺燈控制系統(tǒng)設(shè)計

韓燕，王世豪，蔡曉敏，景妍妍

（南京郵電大學(xué) 通達(dá)學(xué)院電氣工程學(xué)院，江蘇揚州，225000）

0 引言

在全球變暖的大形勢下，節(jié)能減排受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注，得益于微控制器的迅速發(fā)展，以單片機為控制核心的各家用電器受到普遍歡迎。在此背景下，考慮到普通臺燈功能單一，如只能手動控制開燈、關(guān)燈、調(diào)節(jié)燈光的亮度等級；用戶在離開后若忘記關(guān)燈會導(dǎo)致電能的浪費；在使用過程中坐姿不規(guī)范，使用時間過長導(dǎo)致用眼過度，視力下降等問題，設(shè)計了一套多功能臺燈控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以單片機為核心，結(jié)合PWM 調(diào)光，傳感器技術(shù)來豐富臺燈的功能。

本文將從總設(shè)計介紹系統(tǒng)的各功能組成模塊；從硬件設(shè)計介紹各功能模塊的選型和具體作用——硬件是載體；從軟件設(shè)計體現(xiàn)系統(tǒng)的控制思想——軟件是靈魂；最終完成系統(tǒng)調(diào)試實現(xiàn)系統(tǒng)功能。

1 系統(tǒng)總設(shè)計

本系統(tǒng)以STC89C52 為控制核心，功能模塊主要包括電源電路、超聲波測距、人體紅外檢測、光敏模塊、模擬臺燈控制模塊、按鍵模塊、液晶顯示、溫度檢測以及報警模塊等部分[1]。

本設(shè)計的控制目的是改善傳統(tǒng)臺燈功能單一的問題，除了可手動控制臺燈的亮滅，結(jié)合光敏電阻和紅外傳感器，增加了自動控制的功能，在外界環(huán)境亮度不足，且有人在附近活動時能夠自動開燈；增加了超聲波測距和報警功能，考慮到用戶坐姿不良，長時間工作學(xué)習(xí)，會造成身體不適，故用戶距離桌面太近，使用時間過長時，臺燈會發(fā)出不同的報警聲，提示用戶及時調(diào)整；另外還增加了溫度實時監(jiān)測與液晶顯示。相比于傳統(tǒng)臺燈，該系統(tǒng)功能更加多樣化、人性化。系統(tǒng)組成框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 硬件設(shè)計

2.1 微控制器

主控制器采用的STC89C52 是一種低電壓、低功耗、高性能的單片機，其豐富的片上資源足夠本系統(tǒng)使用。其作為控制核心，需要與其它功能模塊之間完成數(shù)據(jù)交互，從而實現(xiàn)對臺燈的控制[2]。該款單片機性價比高，供貨渠道穩(wěn)定，并有穩(wěn)定度較高的下載器可供使用，因此在系統(tǒng)上并沒有設(shè)計下載電路，只設(shè)計了最小系統(tǒng)[3]。單片機最小系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 單片機最小系統(tǒng)

2.2 電源電路

電源電路的設(shè)計需綜合各功能模塊考慮，系統(tǒng)中STC8 9C52 單片機需要5V 的供電電壓；超聲波模塊、蜂鳴器和顯示屏等模塊的工作電壓都是5V；模擬臺燈的工作電壓可在5～10V 選擇；紅外檢測模塊的工作電壓4.5～20V；溫度傳感器的工作電壓3～5.5V；綜上考慮，選擇5V 的直流電源比較合適。系統(tǒng)采用型號規(guī)格為DC-005 的電源插座，電源適配器插上電源后，通過按鍵開關(guān)接通電路，加上幾個濾波電容，即得到足夠系統(tǒng)工作的+5V 電源，電路中串聯(lián)一個LED 燈和一個限流電阻作為電源工作指示燈。電源電路如圖3 所示。

圖3 電源電路

2.3 按鍵模塊

考慮到按鍵數(shù)量不多，系統(tǒng)I/O 口比較充足，故采用獨立按鍵設(shè)計以節(jié)省軟件設(shè)計工作量。按鍵模塊由七個按鍵組成如圖4 所示，復(fù)位按鍵S1 見圖2。其他按鍵分別為設(shè)置按鍵也可以理解為菜單鍵；確認(rèn)按鍵；加/減按鍵，主要作用是調(diào)節(jié)超聲波提示距離和久坐提示的時間，同時也用來在手動模式下調(diào)節(jié)亮度；手動/自動模式切換按鍵；手動模式下的開關(guān)按鍵。

圖4 按鍵模塊

2.4 光敏模塊

光敏模塊在本設(shè)計中的作用是檢測外界環(huán)境的亮度，采用光敏電阻結(jié)合ADC0832 的設(shè)計，光敏模塊電路圖如圖5所示。其功能是將光照強度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送給單片機，由單片機對光照強度進(jìn)行判斷[4]。后續(xù)單片機會以此作為判斷條件，對臺燈實現(xiàn)控制。

圖5 光敏模塊

2.5 紅外檢測模塊

本設(shè)計增加紅外檢測模塊的目的，一方面是考慮到用戶走后忘記關(guān)燈，從而導(dǎo)致電能的浪費，另一方面是在自動模式下，通過該模塊感應(yīng)是否有人在周圍活動并結(jié)合光敏模塊來實現(xiàn)臺燈的自動控制。紅外檢測模塊電路圖如圖6 所示。

圖6 紅外檢測模塊

2.6 模擬臺燈控制模塊

系統(tǒng)在臺燈功能展示環(huán)節(jié)，采用USB燈模擬臺燈的工作，USB 燈體積小、功耗小、技術(shù)成熟、功能穩(wěn)定、價格實惠。臺燈控制模塊電路圖如圖7 所示。臺燈亮度的調(diào)節(jié)，采用PWM 也就是脈寬調(diào)制調(diào)法來控制，不管是在手動模式還是在自動模式下，都是通過該方法改變其亮度。改變脈沖序列的周期可以調(diào)頻，改變占空比可以調(diào)壓，通過這種方法使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化進(jìn)而改變充電電流，達(dá)到調(diào)節(jié)亮度的目的[5]。

圖7 臺燈控制模塊

2.7 超神波測距模塊

超聲波傳感器是本系統(tǒng)的關(guān)鍵性功能模塊，用來實現(xiàn)坐姿提醒功能。超聲波模塊與單片機相連，其啟動是由單片機提供一個10μs 以上的脈沖觸發(fā)信號，隨后其內(nèi)部會發(fā)出方波并檢測回波，一旦檢測到回波則向單片機發(fā)送回響信號，通過發(fā)射信號與收到回響信號的時間間隔就可以計算出距離[6]。當(dāng)距離小于設(shè)定值時，觸發(fā)報警電路工作，發(fā)出提示音，在一定程度下達(dá)到約束坐姿，保護(hù)視力的目的。超聲波模塊原理圖如圖8 所示。

圖8 超聲波測距模塊

2.8 報警模塊

報警模塊由兩部分組成，蜂鳴器作為坐姿提醒，當(dāng)坐姿不合適用戶距離桌面過近時，會發(fā)出蜂鳴提示，蜂鳴器電路如圖9 所示；喇叭“叮叮?！钡穆曇糇鳛榫米崾?，提醒用戶適當(dāng)休息避免用眼過度，喇叭的驅(qū)動需通過語音芯片與單片機相連，喇叭電路如圖10 所示。

圖9 蜂鳴器電路

圖10 喇叭電路

2.9 溫度檢測模塊

溫度檢測模塊的作用是實時監(jiān)測室內(nèi)的環(huán)境溫度，并將溫度信息送給單片機處理，以便后續(xù)能在顯示電路中實時顯示室內(nèi)溫度。在本系統(tǒng)中溫度測量芯片采用的是廣泛使用的DS18B20。溫度檢測模塊電路圖如圖11 所示。

圖11 溫度檢測模塊

2.10 顯示電路

顯示電路用于實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境溫度顯示、距離顯示、久坐提示的時間倒計時以及亮度等級?？紤]到本設(shè)計中能夠顯示數(shù)字和英文已經(jīng)基本滿足要求，且為了后期調(diào)試方便，選擇了LCD1602A 帶排針的液晶顯示屏，顯示電路如圖12 所示。

圖12 顯示電路

3 軟件控制流程設(shè)計

系統(tǒng)上電加載程序，器件和端口完成初始化后，調(diào)用按鍵掃描程序，根據(jù)按鍵情況完成初始設(shè)置進(jìn)入工作狀態(tài)。

調(diào)用溫度測量子程序，環(huán)境亮度處理子程序，并將溫度信息和亮度信息通過顯示程序顯示在液晶屏上。

根據(jù)按鍵情況，判斷手動按鍵是否按下，沒有則系統(tǒng)進(jìn)入自動模式；按鍵按下則進(jìn)入手動模式等待手動開關(guān)燈操作。

在自動模式下，首先調(diào)用人體紅外檢測處理程序判斷是否有人靠近，其次根據(jù)環(huán)境亮度處理子程序數(shù)據(jù)判斷亮度是否充足。如果有人靠近且此時環(huán)境亮度不足則自動開燈，并根據(jù)環(huán)境亮度自動調(diào)光。

在手動模式和自動模式下有人靠近時，均會調(diào)用超聲波測距處理子程序，根據(jù)設(shè)定值判斷用戶距離，距離過近蜂鳴器就會間斷提醒；其次調(diào)用定時子程序，定時時間到系統(tǒng)喇叭會發(fā)出語音提示后重置倒計時。實現(xiàn)久坐提示和坐姿提醒以防用眼過度從而保護(hù)視力。

多功能臺燈的軟件控制流程如圖13 所示。

圖13 軟件控制流程圖

4 系統(tǒng)功能調(diào)試與實現(xiàn)

系統(tǒng)實物如圖14 所示，該圖為上電完成初始設(shè)置后的整體工作畫面。手動按鍵沒有按下則默認(rèn)是自動模式，表示自動模式的指示燈會亮，當(dāng)周圍環(huán)境的亮度低于9 級并檢測到有人靠近時開燈，同時根據(jù)環(huán)境亮度控制USB 燈的亮度等級，在一定程度上達(dá)到節(jié)能的效果。程序默認(rèn)的久坐提示時間為50 分鐘。

系統(tǒng)可以實現(xiàn)以下功能：臺燈的手動控制模式和自動控制模式（可通過按鍵切換）；亮度自動調(diào)節(jié)；坐姿提醒；久坐提示；溫度、亮度、距離、久坐倒計時顯示。

圖14 液晶屏顯示內(nèi)容做如下解釋：

圖14 系統(tǒng)實物圖

L:7-2，其中7 表示的是光敏電阻檢測到的環(huán)境光亮度等級，范圍是0～9，等級越高表示外界環(huán)境亮度越高；2 表示的是USB 燈的亮度等級，范圍也是0～9 級，同理等級越高USB 燈的亮度越高；

Dis:024cm，表示超聲波測得的用戶距離；單片機將此距離與設(shè)定值做比較；

T:25C，表示溫度傳感器測得的環(huán)境溫度，為了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性10 秒更新一次；00:47:04，表示的是久坐提示的倒計時時間。

5 結(jié)束語

本設(shè)計在普通臺燈的基礎(chǔ)上，增加了自動控制，智能調(diào)光，坐姿提醒，久坐提示，溫度顯示等功能，經(jīng)濟(jì)環(huán)保性價比高。經(jīng)過測試系統(tǒng)硬件電路無異常，軟件運行順利，基本達(dá)到了筆者設(shè)計的初衷，實驗證明了多功能臺燈系統(tǒng)控制方案的可行性。但如若完全符合生產(chǎn)生活需求，在外形的設(shè)計以及照明光源的設(shè)計上還需做進(jìn)一步改進(jìn)。