魏矗 劉國寧 徐歆怡

摘 要：本文基于52單片機設計了具備多種功能的智能臺燈，通過52單片機對紅外傳感器、光敏傳感器等的控制設計四種臺燈模式：學習模式、睡眠模式、起夜模式和自動模式。并基于WIFI信號控制技術(shù)，將臺燈與手機連接，并可用手機調(diào)試各項參數(shù)。

關(guān)鍵詞：52單片機；傳感器；WIFI信號控制技術(shù)

本設計采用單片機紅外遙控功能進行控制，通過使用紅外遙控器按鍵自由切換工作模式，使用一個紅外遙控器發(fā)射一個紅外控制信號，接收模塊把接收到的信號給STC89C52[1]單片機，單片機根據(jù)信號來控制相應的模式。當檢測到學習模式，設定一個時間值，當工作學習時間超過這個時間值會有語音提醒休息。當檢測到自動模式時，光敏傳感器檢測光照強度是否變暗，同時當紅外傳感器檢測到有人時便開啟燈源。當檢測到睡眠模式，此時LED燈開啟光源，STC89C52單片機內(nèi)部定時開始計時，燈光根據(jù)程序設定的時間段逐步變暗，當LED燈全滅后主動進入起夜模式。當檢測到起夜模式，超聲波檢測器發(fā)射出超聲波，通過回波檢測是否有人，如果有人則開燈，沒有人則關(guān)燈并跳出起夜模式，進行下一次檢測。

該設計的紅外遙控智能臺燈成本低廉、節(jié)能高效、實用性較強、便于開發(fā)和生產(chǎn)。同時，還擁有很強的應用性，可廣泛的應用工作學習、居家照明等領(lǐng)域，是未來智能家居照明發(fā)展的必然趨勢，具有較好的應用前景。

一、方案的設計

1.1智能臺燈的場景模式

本文根據(jù)人們對臺燈的日常使用習慣，將臺燈的日常使用總結(jié)為四種場景：

（1）學習模式：設定工作學習時間，到時提醒；自動校正坐姿，保護視力。

（2）睡眠模式：自動調(diào)節(jié)光源，逐漸變暗，營造良好睡眠氛圍。

（3）起夜模式：夜間檢測使用者起夜時自動開啟。

（4）自動模式：自動調(diào)節(jié)亮度和色溫，同時檢測周圍是否有人，無人時自動關(guān)斷。

1.2智能臺燈的設計邏輯圖

根據(jù)劃分的四種場景模式，針對每一種場景模式設計產(chǎn)品想要達到的功能進行分析以及設計。

本設計通過STC89C52單片機對紅外傳感器、超聲波傳感器以及光敏傳感器的控制，進而實現(xiàn)產(chǎn)品在各種場景模式下的功能。

二、主流功能的實現(xiàn)

2.1臺燈的整體設計

主要模塊配置：電源模塊，傳感器模塊，處理器模塊，按鍵模塊，LED模塊和wifi模塊。

2.1.1電源源模塊

電源模塊采用市電輸入，其輸出為系統(tǒng)供電；

電源模塊的輸入端與電網(wǎng)相連，電源模塊的輸出端與傳感器模塊，處理器模塊，LED模塊相連，傳感器模塊的輸出端與處理器模塊連接，按鍵模塊的輸出端與處理器連接，物聯(lián)網(wǎng)芯片模塊串口與處理器模塊串口相連。

2.1.2傳感器模塊

本申請中的傳感器模塊包含光強傳感器，熱釋傳感器，距離傳感器均為已經(jīng)公開的廣泛運用于日常的已知技術(shù)，具有工作穩(wěn)定，經(jīng)濟易用的特點，以提高系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性。

熱釋傳感器采用人體紅外感應模塊HC-SR501[2]，距離傳感器采用紅外測距傳感器模塊GP2Y0A21YK0F[3]。

傳感器模塊包含光強傳感器，熱釋傳感器，距離傳感器，其中：光強傳感器用于采集當前環(huán)境光強度，熱釋傳感器用于探測燈具附近是否有人，距離傳感器用于探測用戶與燈具距離，采集坐姿等信息；

距離傳感器可探測用戶坐姿輸入處理器模塊，由處理器控制輸出信息，糾正用戶坐姿或保護視力。

2.1.3處理器模塊

處理器模塊用于處理傳感器數(shù)據(jù)，接受控制輸入，實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制；采用STC89C52單片機

2.1.4按鍵模塊

按鍵模塊用于用戶輸入系統(tǒng)參數(shù)；按鍵模塊采用HC8T0506可編程電容觸摸芯片[4]控制，在美觀操作方便的同時，壽命高于傳統(tǒng)開關(guān)；

2.1.5 LED模塊

LED模塊采用雙路或多路不同色溫LED，結(jié)合PWM波[5]輸入實現(xiàn)燈光色溫調(diào)節(jié)；

本申請中的LED的模塊由一路高色溫和一路低色溫LED燈珠組成，兩路燈珠輸入端與處理器的兩路IO口相連，處理器模塊通過輸出兩路PWM波控制高低色溫燈珠亮度比例，從而實現(xiàn)燈光色溫的調(diào)節(jié)。

三、創(chuàng)新功能的實現(xiàn)

本設計與主流智能臺燈的創(chuàng)新之處在于坐姿矯正功能和WiFi模塊與手機在APP上的連接，所以本文重點分析兩種功能的設計原理。

3.1坐姿矯正功能的實現(xiàn)

人體在工作學習時坐姿的主要問題是彎腰和過度低頭，致使人體與臺燈的距離過近。針對這一現(xiàn)象，決定采用超聲波測距系統(tǒng)測量智能臺燈與使用者間的距離和方位，然后利用集成電路收集信號，進而將轉(zhuǎn)換之后的電信號輸入單片機，設計算法計算使用者距臺燈燈源的方位和位置。

3.1.1坐姿矯正系統(tǒng)

典型超聲測距系統(tǒng)[6]一般由超聲換能器、換能器驅(qū)動電路及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。超聲換能器的主要作用是發(fā)射和接收超聲信號；換能器驅(qū)動電路是用來產(chǎn)生一定頻率的交變電壓作為換能器的工作電源；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是用來捕捉并采集回波信號，我們選用超聲波測距專用集成電路。

根據(jù)超聲波傳播理論，當障礙物的尺寸小于超聲波波長的1/2時，超聲波將發(fā)生繞射，只有障礙物尺寸大于波長的1/2時，超聲波才發(fā)生反射。超聲測距的工作原理為：超聲波向空氣中發(fā)射聲脈沖，聲波遇到被測物體反射回來，測量距離d的計算公式為：

其中，c=聲速；

t=第一個回波到達的時間與發(fā)射脈沖時的時間差；

s=超聲換能器與反射點之間的距離；

t的測量方法選用檢測脈沖計數(shù)法，脈沖檢測法是對有回波信號經(jīng)檢測電路產(chǎn)生的脈沖進行檢測的方法。

在臺燈的燈管上安裝兩個超聲換能器分別用來發(fā)射和接收超聲波，發(fā)射出的超聲波在接觸到人體時會發(fā)生反射，由于人體坐姿不規(guī)范時，身體會靠近臺燈，所以導致發(fā)射和接收聲波的時間會減小，即可檢測出坐姿不規(guī)范需要矯正，單片機控制蜂鳴報警器報警，直至使用者坐姿規(guī)范之后報警停止。超聲測距在臺燈上的應用方式如圖：

3.2物聯(lián)網(wǎng)功能的實現(xiàn)

隨著電子技術(shù)的進步和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，使得產(chǎn)品的使用更加便捷成為家居產(chǎn)品領(lǐng)域的潮流。本設計中的物聯(lián)網(wǎng)芯片主要采用wifi協(xié)議連接至云端，上傳燈具狀態(tài)參數(shù)，下載調(diào)節(jié)參數(shù)。

作為一種優(yōu)選的實施方案，物聯(lián)網(wǎng)芯片采用 ESP8266模組[7]，該模組集成了一顆32位 處理器，處理性能強大，支持標準的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議棧。結(jié)合本申請為該模組配置的固件可以使得在燈具首次使用時快速配置網(wǎng)絡，增加了產(chǎn)品的易用性。當處理器模塊進入低功耗模式時，該模組仍由電源保持供電，以接受網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，喚醒處理器執(zhí)行指令。

參考文獻：

[1]沈天元.基于STC89C52單片機的智能臺燈系統(tǒng)設計[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017（19）：63.

[2]王東，莫先.基于STM32和HC-SR501智能家居的智能照明系統(tǒng)設計[J].重慶理工大學學報（自然科學），2016，30（06）：135-142.

[3]張凌寒.基于51單片機的紅外測距儀的設計與實現(xiàn)[J].數(shù)字技術(shù)與應用，2016（09）：133.

[4]陳斌.電容式觸摸按鍵設計與專用芯片應用[J].電子世界，2014（16）：281.

[5]Khalil Monfaredi，Mousa Yousefi，Kamran Razyani. A compact CMOS DC-DC buck converter based on a novel complement value leaping PWM technique[J]. International Journal of Circuit Theory and Applications，2019，47（4）.