劉剛 王立香

【摘 要】本文設計了一款基于MSP430F6638為控制核心的多功能能臺燈，采用LED為光源。臺燈支持手動或自動通過PWM方式調整光源亮度，利用熱釋電紅外探測器檢測用戶與桌面的距離，對坐姿就行糾正，利用語音控制模塊實現(xiàn)臺燈的語音控制，同時，利用單片機內部集成的實時時鐘，可以實現(xiàn)臺燈的定時開關功能。

【關鍵詞】智能LED臺；語音控制；光強調節(jié)

中圖分類號： TU855；TN912.3 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）21-0012-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.21.005

【Abstract】In this paper，a multi-function desk lamp based on MSP430F6638 is designed，and LED is used as the light source.The table lamp supports manual or automatic adjustment of the luminance of the light source by PWM， and uses the pyroelectric infrared detector to detect the distance between the user and the desktop to correct the sitting posture.The voice control module is used to realize the voice control of the desk lamp，and at the same time，the timing switch function of the desk lamp can be realized by using the real-time clock integrated in the single chip microcomputer.

【Key words】Intelligent LED desk lamp；Voice control；Light intensity adjustment

0 引言

隨著智能控制技術和LED技術的發(fā)展，照明技術進入了智能時代。智能照明控制系統(tǒng)的設計是實現(xiàn)綠色照明的基礎，也是現(xiàn)代照明的核心技術之一[1]。傳統(tǒng)的臺燈光源一般采用熒光燈和白熾燈，白熾燈的照明效率非常低，只有約5%的耗電用來產生照明，而普通熒光燈的亮度由于驅動方式的原因不可調節(jié)，容易造成電能的浪費。據統(tǒng)計，照明已經占我國發(fā)電總量的12%[2] ， 因此，非常有必要對節(jié)約照明用電進行研究。此外，傳統(tǒng)的臺燈由于頻閃、光源色度和光學特性的原因，容易造成眼睛疲勞，損害用戶的視力[3]。LED是一種能夠將電能轉化為光能的半導體器件，并且能源轉換效率高， 是新一代的綠色光源[4]，在照明系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。智能照明的目的在于節(jié)能，其核心是通過智能控制系統(tǒng)，對照明進行有效的控制。因此，設計一款能夠智能控制的、亮度方便調整的、同時能夠糾正坐姿的護眼節(jié)能護眼臺燈具有很高的應用價值。本文采用LED作為光源，采用MSP430F6638作為控制器，設計了一款多功能的智能控制臺燈，能夠實現(xiàn)亮度的自動和手動調節(jié)，可以糾正坐姿以及語言控制、定時等功能的智能臺燈。

1 硬件設計原理

硬件電路主要包括電源電路、亮度調節(jié)電路、坐姿糾正報警電路、語音控制電路、LED驅動電路、時鐘電路等部分。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

系統(tǒng)的控制核心MSP430單片機采用TI公司的MSP430F6638芯片，該芯片是一塊具有超低功耗的16位、具有精簡指令集的微處理器。芯片內部集成了定時器、比較器、液晶顯示器接口、通用的串行通信接口（USCI）、實時時鐘、A/D轉換、D/A轉換等模塊，廣泛應用于模擬和數字傳感系統(tǒng)、各種儀器儀表等領域。其中USCI接口可以實現(xiàn)UART通信、SPI通信、IrDA通信、通信等多種串行通信模式。利用集成的定時器除了可以完成精確定時，還可以輸出占空比可調的PWM等多種不同的信號，本系統(tǒng)中對LED的光強調節(jié)就是采用調整PWM的占空比完成的。

下文對系統(tǒng)主要的外圍模塊做簡單的介紹和說明。

（1）光強傳感模塊

本文設計的多功能臺燈可以對光強進行調整，光強的調整方式可以通過按鍵選擇自動調整還是手動調整。自動調整是通過檢測外部自然光的亮度，根據環(huán)境光照度來自動調整臺燈的亮度。其中，對環(huán)境光強的檢測通過傳感器模塊TSL2560完成。該芯片是TAOS公司的一款高速、低功耗、寬范圍的光強數字傳感器，該芯片集成了接口，與單片機的連接非常簡單。

（2）坐姿糾正模塊

坐姿的糾正可以通過檢測用戶到桌面的距離來完成[5]，當用戶距離桌面過進時，通過安裝在LED底座上的發(fā)光二極管閃爍報警提示用戶糾正坐姿。距離的檢測可以通過熱釋電紅外傳感器實現(xiàn)，熱釋電紅外傳感器采用BISS0001，該芯片是一款高性能的傳感器處理器，用少量的外圍元器件即可構成熱釋電紅外開關[6]。檢測的距離通可以過軟件進行調節(jié)，方便用戶的使用。

（3）語音識別控制模塊

語音識別控制模塊用以通過語音來對臺燈進行控制，其核心是語音識別芯片。本文采用語音識別模塊為WTK6900B-B01，該模塊可以實現(xiàn)固定詞匯，非特定人的語音識別，并且支持高達32種語言，在安靜的環(huán)境下，其識別距離可達2-3米，通過串行接口及IO口輸出識別結果。為了提高語音識別的準確率，應避免使用過近的詞條和過于相似的詞條，如“阿拉燈，開燈”的詞條由于長度適中，相對于“開燈”或“開”這些過短的詞條，識別效果要好很多。

（4）LED驅動和亮度調節(jié)模塊

本文采用24個LED作為發(fā)光光源，LED用專門的LED恒流驅動芯片BP2808驅動，該芯片具有多重LED保護功能，包括LED開路、短路、過溫保護。LED的亮度調節(jié)有手動調節(jié)和自動調節(jié)兩種方式。通過按鍵選擇亮度調節(jié)方式，當工作在自動調整亮度時，通過光強傳感器檢測環(huán)境光的強度，當環(huán)境光線較弱時，自動調整LED的亮度增強；當環(huán)境光線較強時，則自動降低LED的亮度。不管是手動調節(jié)還是自動調節(jié)，LED亮度的調節(jié)方式都是采用通過調整PWM來進行調光。LED的亮度的手動調節(jié)由單片機采集可調電阻兩端的電壓值來實現(xiàn)，根據采集的可調電阻兩端的電壓值的大小，調整單片機PWM輸出引腳上的輸出PWM信號的占空比；當自動調節(jié)亮度時，單片機根據采集的環(huán)境強度，產生不同占空比的PWM信號，單片機的PWM輸出引腳和BP2808的DIM引腳相連，因此，通過控制單片機PWM輸出信號的占空比，可以起到控制LED亮度調節(jié)的作用。

（5）鍵盤和液晶顯示模塊

為了方便和用戶的交互，臺燈裝配了一個4*4鍵盤和一片6位筆段式LCD顯示屏，用戶可以通過鍵盤設置亮度的調節(jié)方式是手動還是自動，通過鍵盤和MSP430F6638內部集成的實時時鐘（RTC）模塊，可以設置臺燈的定時開、關。同時，顯示屏還可以顯示當前時間，為了當不連接電源插座時，RTC能夠工作，臺燈裝配有一塊3.7V的鋰離子充電電池，利用美國TI公司的BQ24156芯片，完成對電池的芯片，電池僅用于在臺燈沒有外接電源時，對MSP430單片機供電，以維持單片機內部RTC模塊的正常運行。對MSP430F6638單片機，內部僅有一個實時時鐘模塊RTC_B，由于該模塊在出廠時分頻系數已經固定，因此，為了能夠提供給模塊1s的時長單元，RTC_B模塊的時鐘源必須選擇32.768KHz。利用RTC，可以實現(xiàn)臺燈的定時開關功能，但當臺燈未接外部電源時，定時開功能將不能對臺燈進行點亮。

2 軟件的設計

系統(tǒng)軟件是為硬件服務的，軟件的主要功能模塊包括光強采集、鍵盤和LCD控制模塊、熱釋電紅外信號的處理和坐姿報警、語音識別模塊的處理、定時開關等部分。多功能臺燈的程序功能框圖如圖2所示。

3 結束語

隨著智能控制技術的發(fā)展，功過能的智能臺燈必然是未來的主流臺燈照明工具。本文設計的臺燈可以實現(xiàn)自動定時開關、光強調節(jié)方便以及聲音控制等功能，同時具有坐姿糾正，起到保護視力的作用，具有較好的應用價值。

【參考文獻】

[1]梁人杰，智能照明控制技術發(fā)展現(xiàn)狀與未來展望，照明工程學報，2014.2.

[2]孟祥斌，智能照明控制系統(tǒng)的設計，沈陽工程學院學報（自然科學版），2015，Vol 11，No.1.

[3]胡蘇軍，讀寫作業(yè)臺燈“護眼”性能檢測及風險評估，中國照明電器，2015.6.

[4]孫明坤，周佳維，羅全明，等6 J/3光電模型及其應用， 電源技術學報，2009，3.

[5]戚磊，姚俊紅.基于坐姿糾正和走神提醒的智能護眼儀，山西電子技術，2015.2.

[6]宋保業(yè)，基于BISS0001的熱釋電紅外開關，電子元器件應用，2007-07-15.