馬國(guó)強(qiáng) 辛永田 連夢(mèng)想 于淑卿 薛磊

摘 要：文中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于PWM調(diào)光的智能臺(tái)燈?？蓪纹瑱C(jī)技術(shù)與PWM調(diào)光技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)臺(tái)燈光強(qiáng)的調(diào)節(jié)。在不改變PWM方波周期的前提下，利用單片機(jī)控制PWM占空比，從而改變電壓大小，調(diào)節(jié)燈光亮度。當(dāng)人體在臺(tái)燈感應(yīng)范圍內(nèi)且環(huán)境光線較弱時(shí)，臺(tái)燈會(huì)自動(dòng)打開，且燈光亮度會(huì)隨環(huán)境光線的改變而自動(dòng)調(diào)節(jié)，一旦人體離開臺(tái)燈感應(yīng)范圍后，即紅外熱釋傳感器檢測(cè)不到人時(shí)，臺(tái)燈將在1分鐘后自動(dòng)熄燈。該設(shè)計(jì)通過(guò)亮度的自動(dòng)調(diào)節(jié)和人體檢測(cè)控制臺(tái)燈開關(guān)來(lái)達(dá)到綠色節(jié)能的效果。同時(shí)為了提高本設(shè)計(jì)的適用范圍，還加入了手動(dòng)控制模式，在該模式下，臺(tái)燈亮度由按鍵調(diào)節(jié)，使得該臺(tái)燈對(duì)部分特殊情況也具有較好的適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；智能；PWM；人體感應(yīng)

中圖分類號(hào)：TP274.+4；S817.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）01-00-03

0 引 言

隨著全球氣候變暖與能源危機(jī)的加重，綠色節(jié)能成為影響人們生活各方面的重要因素，通過(guò)不斷的探索，人們開始尋找各種節(jié)能產(chǎn)品。

目前，大多數(shù)臺(tái)燈功能單一，無(wú)法隨心控制臺(tái)燈亮度，滿足人們?cè)谏钪袑?duì)電器的智能化要求，更無(wú)法進(jìn)行人體感應(yīng)，嚴(yán)重浪費(fèi)了資源。而文中設(shè)計(jì)的智能臺(tái)燈則很好地解決了這一問(wèn)題，能夠在外界環(huán)境光線較暗時(shí)自動(dòng)開啟，使用方便快捷，避免了人們?cè)诠饩€較暗時(shí)尋找臺(tái)燈的繁瑣，極大地提升了使用便捷度。

隨著智能化時(shí)代的到來(lái)，智能產(chǎn)品層出不窮，已逐步滲入到人們工作和生活的方方面面。

當(dāng)前，患有近視眼的人數(shù)越來(lái)越多，我國(guó)近視眼發(fā)病率尤其突出。由于沒(méi)有正確使用臺(tái)燈，當(dāng)光線變得昏暗時(shí)忘記及時(shí)打開臺(tái)燈，或者長(zhǎng)時(shí)間在高亮度的臺(tái)燈下工作，久而久之，都會(huì)對(duì)視力產(chǎn)生一定的影響。雖然市場(chǎng)上已出現(xiàn)了具有調(diào)亮功能概念的臺(tái)燈，但其仍不具備成熟的自動(dòng)調(diào)亮功能。本設(shè)計(jì)所制作的智能臺(tái)燈具備手動(dòng)和自動(dòng)調(diào)節(jié)兩種模式，同時(shí)還加入了人體檢測(cè)功能，可實(shí)現(xiàn)人走燈滅。在保護(hù)視力的同時(shí)，也為節(jié)能環(huán)保做出了一份貢獻(xiàn)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 所需電子器件與軟件開發(fā)環(huán)境

所需電子器件主要包括STC89C52單片機(jī)1臺(tái)，單片機(jī)座子1個(gè)，12 MHz晶振1個(gè)，30 pF獨(dú)石電容2個(gè)，10 μF電解電容1個(gè)，1 kΩ電阻1個(gè)，10 kΩ電阻2個(gè)，輕觸開關(guān)3個(gè)，USB小燈1個(gè)，USB燈座1個(gè)，光敏電阻1個(gè)，ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器1個(gè)，ADC0832座子1個(gè)，綠色LED指示燈1個(gè)，S8550（PNP）三極管1個(gè)，人體紅外熱釋傳感器1個(gè)，熱釋傳感器座子1個(gè)，電源開關(guān)1個(gè)，電源座1個(gè)，9×15洞洞板1張，導(dǎo)線若干，電源線1根，下載線1根，30 W電烙鐵1個(gè)，焊錫若干。

軟件開發(fā)工具主要包括：Keil，即開發(fā)環(huán)境，可編寫C語(yǔ)言程序，生成hex文件；STC-ISP軟件，即程序燒寫軟件，經(jīng)下載，可將hex文件燒寫到單片機(jī)中；支持串口通信的計(jì)算機(jī)一臺(tái)，可與單片機(jī)通過(guò)串口通信；Proteus仿真軟件，該軟件可根據(jù)原理圖進(jìn)行實(shí)物模擬，觀察效果。

1.2 智能臺(tái)燈的主要功能特點(diǎn)

在原有臺(tái)燈的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)改裝使臺(tái)燈變得智能化，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保的效果。當(dāng)人體在臺(tái)燈范圍內(nèi)且環(huán)境光線較弱時(shí)，臺(tái)燈自動(dòng)感應(yīng)開燈，且燈光亮度隨著環(huán)境光線的改變自動(dòng)調(diào)節(jié)，一旦人體離開了臺(tái)燈感應(yīng)范圍，即紅外熱釋傳感器檢測(cè)不到有人存在時(shí)，臺(tái)燈將在1分鐘后自動(dòng)熄滅。該設(shè)計(jì)通過(guò)亮度的自動(dòng)調(diào)節(jié)和人體檢測(cè)控制臺(tái)燈開關(guān)實(shí)現(xiàn)了綠色節(jié)能的效果。為了提高本設(shè)計(jì)的適用范圍，還加入了手動(dòng)模式控制，在該模式下，臺(tái)燈亮度由按鍵調(diào)節(jié)。系統(tǒng)總體流程如圖1所示。

1.3 智能臺(tái)燈的控制器

采用單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器。單片機(jī)是一種容易編程且可擦除器件[1]，控制能力強(qiáng)，具有高可靠性，便于設(shè)計(jì)，復(fù)用性強(qiáng)，易于編程，趨于小型化，工作時(shí)可以采用5 V電源供電，功率較低。

1.4 智能臺(tái)燈的顯示方案

普通照明燈具通常采用可控硅進(jìn)行調(diào)光，但這種方法會(huì)帶來(lái)光色譜的變化，不利于防治近視。本設(shè)計(jì)采用脈寬調(diào)制方式（PWM）調(diào)節(jié)光線[2]，PWM將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字編碼，利用波形的占空比調(diào)節(jié)信號(hào)編碼[3]。PWM是數(shù)字信號(hào)，優(yōu)勢(shì)頗多，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)較為方便，且調(diào)光范圍較廣，精度較高，經(jīng)調(diào)節(jié)后的光線不會(huì)產(chǎn)生色差，可以很好地與單片機(jī)融合，符合設(shè)計(jì)要求。

2 設(shè)計(jì)方法與技術(shù)

首先進(jìn)行可行性分析，之后進(jìn)行需求分析，并根據(jù)需求繪制系統(tǒng)框圖，設(shè)計(jì)原理圖。通過(guò)設(shè)計(jì)的原理圖進(jìn)行電路仿真，驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)的可行性。并根據(jù)電路圖焊接電路，完成編碼工作，通過(guò)不斷的調(diào)試代碼，使單片機(jī)滿足最初的需求。最后測(cè)試結(jié)果的正確性和功能的完善性。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2.1 最小系統(tǒng)模塊

該設(shè)計(jì)的最小系統(tǒng)如圖3所示，是主要由晶體振蕩器構(gòu)成的晶振電路，負(fù)責(zé)產(chǎn)生穩(wěn)定的正弦波與電路起震。在單片機(jī)出現(xiàn)故障或者突發(fā)情況導(dǎo)致程序跑飛時(shí)，恢復(fù)復(fù)位電路。

電源部分可用5 V的USB直接供電，如手機(jī)充電器，電腦USB口，移動(dòng)電源等。

2.2 LED照明電路模塊

LED燈照明電路如圖4所示。本設(shè)計(jì)使用USB小燈作為照明設(shè)備，其中6個(gè)白色LED燈串聯(lián)6個(gè)電阻。使用該USB小燈不僅簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，且外形更加美觀，更接近實(shí)際臺(tái)燈的外觀。本設(shè)計(jì)的LED模塊采用PNP三極管控制[4]，單片機(jī)輸出0 V時(shí)，LED燈點(diǎn)亮，但需依靠電阻分壓限流來(lái)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)IO口只需輸出一個(gè)低電平信號(hào)便可控制三極管導(dǎo)通，繼而點(diǎn)亮LED燈。

2.3 光照強(qiáng)度采集電路模塊

光照采集電路模塊的核心是光敏電阻，通過(guò)ADC0832將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，方便單片機(jī)直接處理。當(dāng)外界光線變亮?xí)r，光敏電阻自身阻值變大，臺(tái)燈變暗。其阻值與外界環(huán)境成反比，較容易采集模擬量，在電路設(shè)計(jì)中能較好地與ADC0832結(jié)合，控制方便。

該智能化設(shè)計(jì)采集的外界光照為模擬量，不同于單片機(jī)可直接處理的數(shù)字量，因此需要采用ADC0832模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，該模塊內(nèi)部含有8個(gè)端口，CS端為片選端，低電平時(shí)有效。CH0和CH1為模擬信號(hào)輸入端。該模塊在很多設(shè)計(jì)中都發(fā)揮出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，將一些不易直接處理的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。光照強(qiáng)度采集電路如圖5所示。

3 硬件組裝與調(diào)試

3.1 元器件的選擇與測(cè)量

本設(shè)計(jì)的核心為STC89C52，這是一款具有代表性的典型單片機(jī)，擁有負(fù)責(zé)產(chǎn)生正弦波的晶振，限流分壓的電阻，可維護(hù)電路穩(wěn)定性并有充放電功能的電容，可控制模式切換的開關(guān)，電源開關(guān)和亮度增減開關(guān)，控制電路導(dǎo)通的三極管和具有指示功能的發(fā)光二極管，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC芯片，可感應(yīng)人體的紅外熱釋傳感器等。這些元器件的選擇要符合一定規(guī)則，例如電阻和電容的大小都應(yīng)經(jīng)過(guò)精確的計(jì)算，以避免燒毀電路。

3.2 元件的焊接與組裝

使用30 W的電烙鐵根據(jù)原理圖焊接電路，在焊接時(shí)應(yīng)充分考慮節(jié)點(diǎn)是否牢固等問(wèn)題，邊焊接邊測(cè)試。焊接時(shí)要合理安排布線，仔細(xì)辨明元件的正負(fù)極，不僅應(yīng)確保連線排版簡(jiǎn)單方便，更要將所有地線連在一起，形成一個(gè)公共參考點(diǎn)。焊接時(shí)需要細(xì)心，有耐心，避免因一點(diǎn)焊接錯(cuò)誤而導(dǎo)致設(shè)計(jì)損毀，因此事先應(yīng)找一些練習(xí)器材提前熟悉。電路焊接時(shí)應(yīng)盡量避免虛焊和短路等狀況發(fā)生。

3.3 調(diào)試步驟

（1）通電前檢查

電路焊接好后，對(duì)比原理圖，查看實(shí)物圖是否與原理圖一一對(duì)應(yīng)，元器件之間的連線是否正確，若發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤則及時(shí)改正。也可以請(qǐng)同學(xué)幫自己核查。待做好所有準(zhǔn)備工作后進(jìn)行通電測(cè)試。

（2）通電觀察

電路焊接好后，在沒(méi)有錯(cuò)誤的情況下，進(jìn)行通電觀察，上電前檢查連線是否松動(dòng)，虛連，或存在連線太長(zhǎng)等情況。通電后觀察電路中是否有元器件燒壞或短路現(xiàn)象，發(fā)生故障時(shí)立即斷電，切勿用手直接觸摸，防止人體自身導(dǎo)電將電路短路。故障排除后再次通電，進(jìn)行局部功能測(cè)試，考察設(shè)計(jì)是否滿足最初的需求。待系統(tǒng)工作穩(wěn)定后記錄現(xiàn)象。

（3）單元電路調(diào)試

單元電路指電路中某一部分具有特定功能的電路，可單獨(dú)進(jìn)行調(diào)試。檢測(cè)并記錄每部分電路的電壓是否正常，并統(tǒng)一調(diào)試，對(duì)比每部分電路和整體電路間是否存在誤差，以保證電路順利調(diào)試。

（4）整機(jī)聯(lián)調(diào)

整機(jī)聯(lián)調(diào)借助整體性思維測(cè)試整體功能效果，但該方法存在一些弊端。電路整體性能好，并不代表每一部分電路性能都好。每一部分電路性能好，也不代表整體電路就好。整體聯(lián)調(diào)的目的在于解決整體和部分調(diào)試時(shí)存在的差異，使得電路健壯性更好。

4 結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)把單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)和PWM調(diào)光技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了臺(tái)燈光照強(qiáng)度的智能化、自動(dòng)化調(diào)節(jié)，達(dá)到了綠色節(jié)能的效果。同時(shí)為了擴(kuò)大使用范圍，加入了手動(dòng)模式控制，在該模式下，臺(tái)燈亮度由按鍵調(diào)節(jié)，使得該智能臺(tái)燈在一些特殊情況下也能夠使用。

由于單片機(jī)采用5 V的電壓供電，因此只適用于帶USB的小燈，對(duì)于采用其他方式供電的臺(tái)燈則需要轉(zhuǎn)換。光敏電阻的精度和人體紅外熱釋傳感器的靈敏度會(huì)影響設(shè)計(jì)的效果，尤其對(duì)于一些特殊的使用環(huán)境，靈敏度還有待進(jìn)一步提高。

參考文獻(xiàn)

[1]張毅剛.MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1990.

[2]王水平.PWM 控制與驅(qū)動(dòng)器使用指南及應(yīng)用電路[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.

[3]程安寧，王晉，尚相榮.白光LED的PWM驅(qū)動(dòng)方式分析[J].電子設(shè)計(jì)工程，2010，18（2）：109-111.

[4]顏重光.LED燈具低壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)[J].電子質(zhì)量，2009（7）：61-64.

[5]張少華，魏志遠(yuǎn).基于藍(lán)牙4.0技術(shù)智能燈泡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，20015，5（4）：90-93.

[6]王通，梁曉娟.大功率可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2015，5（5）：71-72.

[7]陳曉航，夏彬陽(yáng).基于智能家居系統(tǒng)的智能臺(tái)燈設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2016，6（11）：73-75.

[8]羅旭，傅沈文.一種基于單片機(jī)的智能型多功能臺(tái)燈設(shè)計(jì)[J].信息通信，2014（12）：52-53.