臨沂大學(xué) 李 婷 韓曉翠

基于單片機(jī)的新型智能床頭燈設(shè)計(jì)

臨沂大學(xué) 李 婷 韓曉翠

系統(tǒng)使用C語言編程，運(yùn)用光照傳感器、熱釋電紅外傳感器等元件進(jìn)行相關(guān)信息的搜集，并根據(jù)返回的信息通過微處理器進(jìn)行多模式切換控制，智能滿足用戶對(duì)不同場(chǎng)景燈光的需求。系統(tǒng)具有多種模式可供用戶選擇。白天根據(jù)光照強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)燈光亮度，夜間自動(dòng)感應(yīng)人體活動(dòng)開閉燈光。

單片機(jī)；新型床頭燈；智能家居

0 引言

智能家居的開發(fā)應(yīng)用是未來家用電器的發(fā)展趨勢(shì)。傳統(tǒng)臺(tái)燈不足以滿足人們對(duì)生活品質(zhì)的要求，智能床頭燈要對(duì)其功能進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，既能保證人們的生活質(zhì)量，又能實(shí)現(xiàn)節(jié)省能源。單片機(jī)與普通家用床頭燈結(jié)合，將大幅度提升床頭燈的品質(zhì)，提高人們的生活水平。床頭燈作為生活中不可缺少的家用電器應(yīng)隨著人們需求的提高而不斷更新?lián)Q代。基于以上背景，我們提出了基于單片機(jī)的新型智能床頭燈的設(shè)計(jì)。

1 硬件部分設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，控制LED燈的亮度。硬件電路由單片機(jī)系統(tǒng)、光敏電阻、熱釋電紅外探測(cè)模塊、鍵盤模塊及LED燈組成?？刂品譃槭謩?dòng)和自動(dòng)兩種模式。手動(dòng)模式下，通過用戶對(duì)按鍵的選擇調(diào)節(jié)燈光的亮暗。自動(dòng)模式下，通過熱釋電紅外探測(cè)模塊直接接收人體輻射的微量紅外光線，將其轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)電信號(hào)輸出，并作為控制信號(hào)對(duì)床頭燈的燈光調(diào)節(jié)；通過光環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊，采用動(dòng)態(tài)反饋控制機(jī)制，設(shè)計(jì)床頭燈光環(huán)境智能調(diào)控算法，用C語言完成對(duì)床頭燈系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)。

1.1 單片機(jī)芯片的選型

采用STC12C5A60S2單片機(jī)。操作簡(jiǎn)單，具有在系統(tǒng)調(diào)試功能（ISD），開發(fā)環(huán)境容易搭建，內(nèi)部集成MAX810 專用復(fù)位電路，2 路PWM，8 路高速10 位A/D 轉(zhuǎn)換(250K/S)，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。存儲(chǔ)容量大，計(jì)時(shí)精度高，能實(shí)現(xiàn)快、準(zhǔn)的反映控制，適合設(shè)計(jì)要求。

1.2 LED顯示部分

顯示模塊采用三款LED顯示燈，加上成倍的限流電阻，使其具有不同亮度。保留手動(dòng)調(diào)節(jié)，將其分為高、中、低三個(gè)檔位。日常模式時(shí)，無人自動(dòng)關(guān)閉；有人且光照度不夠，自動(dòng)開啟高亮度LED；休息模式，根據(jù)人體紅外特征自動(dòng)感應(yīng)關(guān)燈，若有人起夜則開啟最低亮度。

1.3 熱釋電紅外探測(cè)模塊設(shè)計(jì)部分

1.3.1 熱釋電紅外傳感器原理

熱釋電紅外傳感器（PIR）是一種內(nèi)部裝有一個(gè)或兩個(gè)探測(cè)元件的探測(cè)器，將探測(cè)并接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)變成微弱的電壓信號(hào)，經(jīng)探頭內(nèi)部場(chǎng)效應(yīng)管與放大電路配合后向外輸出信號(hào)，可測(cè)出20米范圍內(nèi)人的行動(dòng)。

1.3.2 菲涅爾透鏡原理

菲涅爾透鏡是一種具有特殊光學(xué)系統(tǒng)的透鏡，一般安裝在探測(cè)器前方和放大電路相配合，來提高探測(cè)器的探測(cè)靈敏度以增大對(duì)人體的探測(cè)距離。

菲涅爾透鏡利用特殊光學(xué)原理，在探測(cè)器前方產(chǎn)生一個(gè)交替變化的“盲區(qū)”和“高靈敏區(qū)”，適合于人體紅外輻射的探測(cè)。當(dāng)有人從透鏡前走過時(shí)，人體發(fā)出的紅外線就在“盲區(qū)”與“高靈敏區(qū)”之間不斷地替，形成一種專門用作探測(cè)人體輻射的紅外線傳感器。

1.4 光環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

傳感器模塊的監(jiān)測(cè)工作可以利用光敏電阻完成。利用各個(gè)光敏電阻的位置和接收時(shí)間的關(guān)聯(lián)性，提升定位精度。通過使用單片機(jī)內(nèi)部的AD模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將光照強(qiáng)度的變化通過程序轉(zhuǎn)換為電壓值的變化并傳送出來。最后，傳出的數(shù)值用來表示當(dāng)前室內(nèi)的光照強(qiáng)度。

1.5 系統(tǒng)整體電路圖

系統(tǒng)整體電路如圖1所示。按鍵模塊接單片機(jī)P1口的P1.1到P1.5；LED燈顯示模塊接P2口的P2.3到P2.5；光照度模塊接P3口的P3.5到P3.7；熱釋電紅外裝置接P0.0。

2 軟件部分設(shè)計(jì)

選用C語言編寫程序。首先初始化單片機(jī)設(shè)置，通過鍵盤掃描判斷當(dāng)前系統(tǒng)處于何種模式。若為手動(dòng)模式，則根據(jù)不同的按鍵決定不同亮度LED的開斷。若為日常模式，則根據(jù)紅外模塊判斷是否有人在室內(nèi)，無人時(shí)自動(dòng)關(guān)閉；有人則依據(jù)光敏電阻的反饋數(shù)值來判斷室內(nèi)光線的強(qiáng)度，控制LED燈選擇開閉。休息模式時(shí)，監(jiān)測(cè)是否有人處于活動(dòng)狀態(tài)，若監(jiān)測(cè)到有人活動(dòng)將LED以最低亮度開啟，然后延時(shí)一定時(shí)間，繼續(xù)判斷是否有人活動(dòng)，有則繼續(xù)開啟，無則自動(dòng)關(guān)閉。系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)整體電路圖

圖2 系統(tǒng)整體流程圖

3 調(diào)試運(yùn)行

硬件、軟件設(shè)計(jì)完成，單片機(jī)板及相關(guān)電子元件焊接完畢后，即可進(jìn)入調(diào)試運(yùn)行階段。該階段為測(cè)試硬件與軟件的切合程度。

將單片機(jī)系統(tǒng)與外圍硬件結(jié)合在一起，然后模擬真實(shí)情況進(jìn)行檢測(cè)設(shè)計(jì)。對(duì)各種情況進(jìn)行模擬，通過按鍵設(shè)定不同的工作模式，可選擇日常模式、休息模式或手動(dòng)LED燈光開斷。日常模式即根據(jù)光照強(qiáng)度和人體紅外特征進(jìn)行判斷，決定燈光的開閉。若無人，則LED燈為熄滅狀態(tài)；若有人，則測(cè)定當(dāng)前室內(nèi)的光照強(qiáng)度，光照強(qiáng)度弱開啟高強(qiáng)度的LED燈，否則不開啟LED燈。

休息模式是根據(jù)人體紅外特征判斷用戶狀態(tài)，夜間起床時(shí)自動(dòng)低亮度開啟，活動(dòng)停止則延時(shí)關(guān)閉。同時(shí)，手動(dòng)亮度調(diào)節(jié)優(yōu)先級(jí)最高，手動(dòng)亮度分為三檔。用戶可根據(jù)自身感官實(shí)際需求進(jìn)行合理選擇，可選擇手動(dòng)LED燈光開斷模式，選擇適合自己的光照強(qiáng)度。

4 結(jié)語

新型智能床頭燈設(shè)計(jì)，核心控制為STC12C5A60S2單片機(jī)，主要運(yùn)用光照傳感器、熱釋電紅外傳感器，微控制器等元件實(shí)現(xiàn)床頭燈在不同場(chǎng)景的功能。能根據(jù)不同場(chǎng)景需求滿足用戶對(duì)燈光的不同需求?？勺詣?dòng)控制照明、調(diào)節(jié)光照度，減少電能源的浪費(fèi)。擺脫傳統(tǒng)燈具開關(guān)的束縛，將給家居照明系統(tǒng)帶來較大的突破。

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李婷（1995—），女，山東濰坊人，學(xué)士，研究方向：?jiǎn)纹瑱C(jī)應(yīng)用。

指導(dǎo)教師：韓曉翠（1971—），女，山東臨沂人，碩士，臨沂大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院副教授，主要研究方向?yàn)橹悄芸刂?、?jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用。