廖鈺 王偉 王慧君 付云露 林成

摘要：設(shè)計(jì)了一款基于STC15W204S的智能調(diào)光系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)護(hù)眼功能，此系統(tǒng)運(yùn)用連續(xù)PWM脈寬調(diào)制原理，調(diào)整臺燈達(dá)到最適光線強(qiáng)度。系統(tǒng)設(shè)計(jì)有自動和手動模式，可通過按鍵進(jìn)行模式切換。自動模式下，由熱釋紅外和多普勒傳感器實(shí)現(xiàn)人體檢測，由光敏電阻傳感器對光線進(jìn)行采集其伏安特性線性度σ=0.995 63，并通過AD0832模數(shù)轉(zhuǎn)換送入主控制器，改變LED驅(qū)動電流，驅(qū)動電流與環(huán)境光照呈線性變化，線性度σ=0.970 72，說明系統(tǒng)在環(huán)境光照強(qiáng)度改變時，LED驅(qū)動電流會隨之改變，從而調(diào)節(jié)LED的亮度，實(shí)現(xiàn)自動調(diào)光的功能。手動模式下，用戶可通過按鍵改變臺燈亮度，還運(yùn)用ESP8266模塊實(shí)現(xiàn)手機(jī)對系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。

關(guān)鍵詞：PWM脈寬調(diào)制;光線檢測;AD轉(zhuǎn)換;智能調(diào)光

中圖分類號：TP368.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.09.061

隨著學(xué)習(xí)壓力的增大，青少年的用眼頻度不斷增加，近視問題越發(fā)嚴(yán)重。目前雖然國家一直提倡減負(fù)，但是學(xué)生的作業(yè)依舊較多，學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)習(xí)慣的差異，導(dǎo)致夜晚大部分學(xué)生在臺燈下看書學(xué)習(xí)，以初中生為例，每日在臺燈下的學(xué)習(xí)時間一般在2-3h，因此，對臺燈的照明條件有比較苛刻的要求。除要求臺燈沒有頻閃以外，光照度也要達(dá)到要求，同時，根據(jù)人眼的生理特性，忽強(qiáng)忽暗的強(qiáng)烈變化對人眼有損害。但目前市場上存在的LED臺燈控制器，基本上都由簡單的電源開關(guān)、亮度調(diào)節(jié)旋鈕和LED驅(qū)動器組成，只具有簡單的LED臺燈開啟與關(guān)閉、手動調(diào)節(jié)和LED驅(qū)動恒流恒壓控制功能，功能單一，無法實(shí)現(xiàn)智能控制。臺燈是人們生產(chǎn)生活中的必需品，但由于經(jīng)常忘記關(guān)燈而會造成能源浪費(fèi)，且夜晚來臨時，人們得摸黑去開燈，非常不方便?？紤]保護(hù)視力以及節(jié)約能源的要求，設(shè)計(jì)了一款智能護(hù)眼臺燈。

通過運(yùn)用連續(xù)的PWM脈寬調(diào)制[1]原理，根據(jù)環(huán)境光線與人眼生理特性調(diào)整臺燈光線強(qiáng)度，以實(shí)現(xiàn)護(hù)眼的作用;運(yùn)用人體感應(yīng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“人來燈亮，人走燈滅”的功能，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約資源的目的，本設(shè)計(jì)將具有廣泛的市場應(yīng)用前景，也能產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)有自動和手動兩種模式，并通過開關(guān)按鍵實(shí)現(xiàn)兩種模式切換。LED智能調(diào)光系統(tǒng)如圖1所示，自動模式下，通過熱釋紅外和多普勒傳感器檢測周圍是否有人，如果有人觸發(fā)系統(tǒng)響應(yīng)，A/D轉(zhuǎn)換器芯片不斷檢驗(yàn)光敏傳感器的電壓，低功耗微處理器檢測到電平變化，開始讀取AD轉(zhuǎn)換器并控制單片機(jī)輸出PWM脈寬，脈寬調(diào)制LED燈的亮度，從而實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)功能。手動模式下，根據(jù)人對光源強(qiáng)度需求不同，可手動改變臺燈的亮度。此外，系統(tǒng)還加入ESP8266物聯(lián)網(wǎng)模塊[2]，使得用戶可通過手機(jī)（ 4G/WiFi）遠(yuǎn)程控制臺燈。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 STC15W204S單片機(jī)

本控制系統(tǒng)采用STC15W204S單片機(jī)作為核心控制部分，管腳排列如圖2所示[3]。STC15W204S共有16個引腳，其功耗低，速度較51系列單片機(jī)快，外圍電路較為簡單，單片機(jī)內(nèi)部內(nèi)置復(fù)位電路，采用此單片機(jī)作為核心控制，速度快、電路簡單、功耗低。

2.2 人體感應(yīng)電路

人體感應(yīng)[4]部分采用RCWL-0516人體檢測模塊，該模塊與傳統(tǒng)紅外感應(yīng)PIR相比具有靈敏度更高、感應(yīng)距離遠(yuǎn)、感應(yīng)角度大、可靠性強(qiáng)、供電電壓范圍廣等特點(diǎn)。當(dāng)該模塊正常工作時，如果用戶進(jìn)入感應(yīng)區(qū)域，模塊輸出端輸出高電平，如果用戶在感應(yīng)區(qū)域內(nèi)移動，模塊持續(xù)輸出高電平，如果用戶不在感應(yīng)區(qū)，模塊則輸出低電平。人體感應(yīng)模塊電路如圖3所示。

2.3 遠(yuǎn)程控制電路

該部分采用ESP8266模塊來實(shí)現(xiàn)，遠(yuǎn)程電路模塊如圖4所示。該模塊具有UART異步串行通信接口，用戶通過UART給無線模塊發(fā)送指令，芯片內(nèi)部固件程序會根據(jù)指令集進(jìn)行相應(yīng)操作并給予數(shù)據(jù)反饋。這樣系統(tǒng)既可以通過手機(jī)直連也可以無線路由器連接達(dá)到遠(yuǎn)程控制。

2.4 光線檢測電路

該部分由光線檢測模塊和AD轉(zhuǎn)化電路組成，電路如圖5所示。光線檢測模塊由光敏電阻和運(yùn)算放大電路構(gòu)成，光敏電阻受光線的影響阻值發(fā)生變化，運(yùn)算放大電路輸出隨之變化。ADC0832將運(yùn)算放大電路的輸出電壓通過模數(shù)轉(zhuǎn)換送人主控制器。

2.5 電源電路

該部分電路采用LM7805三端穩(wěn)壓器[5]和AMS1117-3.3正向低壓降穩(wěn)壓器，電源電路如圖6所示。LM7805內(nèi)含過流和過載保護(hù)電路，能提供5V穩(wěn)定電壓，給控制電路供電。AMS1117-3.3是一種輸出電壓為3.3 V的正向低壓降穩(wěn)壓器，給遠(yuǎn)程控制電路提供3.3 V工作電壓。

2.6 LED恒流驅(qū)動電路

LED驅(qū)動電路采用XL4001固定頻率脈寬調(diào)制（降壓型）DC/DC轉(zhuǎn)換器，具有2A負(fù)載驅(qū)動能力，并且具有效率高、低紋波和線性極好、負(fù)載調(diào)節(jié)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。該電路可以從O到l00%線性調(diào)節(jié)占空比。因其內(nèi)置頻率補(bǔ)償模塊，所以采用此模塊做恒流驅(qū)動[6]，外部元件最少。LED恒流驅(qū)動電路如圖7所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)初始化，默認(rèn)為自動模式，可通過手動或者手機(jī)APP遠(yuǎn)程切換工作模式，在自動模式下，熱釋紅外傳感器與多普勒傳感器共同檢測感應(yīng)區(qū)域是否有人，如果有人，系統(tǒng)開始檢測環(huán)境光線，通過調(diào)整脈寬恒流驅(qū)動LED達(dá)到設(shè)定的最佳亮度;如果無人，則保持休眠狀態(tài)。手動模式下，可根據(jù)用戶需要調(diào)整亮度;如果手動模式下忘記關(guān)燈，則可通過手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制關(guān)閉臺燈。程序流程如圖8所示。

4 結(jié)果與分析

通過5549光敏電阻傳感器、FT3424高精度數(shù)字測光儀、可調(diào)光源、DH1718-B高精度可調(diào)電源對系統(tǒng)進(jìn)行測試并對結(jié)果進(jìn)行分析。首先對光敏電阻的特性[7]進(jìn)行測試，調(diào)節(jié)可調(diào)光源的光強(qiáng)分別為10lx、50lx、100 lx，并分別從0- 12V調(diào)節(jié)光敏電阻的工作電壓，讀取相應(yīng)的光電流，得到不同光照強(qiáng)度下光敏電阻輸出電流隨電壓的關(guān)系，如圖9所示。從圖9中可以看到光照強(qiáng)度為IO lx時，輸出電流與電壓的線性度為0.996 29;在光照強(qiáng)度為50 lx時，光敏電阻輸出電流與電壓的線性度為0.993 28;在光照強(qiáng)度為100 lx時，光敏電阻輸出電流與電壓的線性度為0.997 32，且輸出電流與電壓變化關(guān)系擬合曲線Slope1< Slope2< Slope3，說明光照強(qiáng)度越大，光敏電阻傳感器的伏安變化越明顯。

在自動模式下，改變環(huán)境光照強(qiáng)度分別為10 lx、30 lx、50lx、60lx、70lx、80lx、90lx、100 lx，測量對應(yīng)的LED驅(qū)動電流，得到不同光照強(qiáng)度下系統(tǒng)LED驅(qū)動電流變化關(guān)系，如圖10所示。從圖10可看出，系統(tǒng)LED驅(qū)動電流與環(huán)境光照強(qiáng)度呈線性變化，線性度為0.970 72.系統(tǒng)在環(huán)境光照強(qiáng)度改變時，LED驅(qū)動電流會隨之改變，環(huán)境光照越強(qiáng)驅(qū)動電流越小，LED光線越弱，環(huán)境光照強(qiáng)度越弱，驅(qū)動電流越大，LED光線越強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動調(diào)光的功能。

由上面分析可知，測量值與公認(rèn)值之間存在一定的誤差，產(chǎn)生該誤差的原因主要包括以下幾個方面：①實(shí)驗(yàn)儀器自身因素的影響;②測量過程中產(chǎn)生的誤差，由于測量時受到外界環(huán)境自然光影響較大，所以在調(diào)節(jié)測試環(huán)境光照強(qiáng)度時存在誤差，由于數(shù)字萬用表、FT3424高精度數(shù)字測光儀等測量儀表靈敏度高，在讀數(shù)的過程中容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)跳變，導(dǎo)致讀數(shù)誤差以及系統(tǒng)電路損耗產(chǎn)生誤差。

5 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)臺燈的不足，提出了一種以PWM脈寬調(diào)制調(diào)光、光線檢測模塊采集光線和ADC0832進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換、STC15W204S單片機(jī)為主要控制核心的LED智能調(diào)光系統(tǒng)，系統(tǒng)有自動和手動兩種模式，在自動控制模式時，采用光敏電阻對光線進(jìn)行采集，該光敏傳感器在光照為10 lx時，輸出電流與電壓的關(guān)系線性度為0.996 29，在光照強(qiáng)度為50 lx時，光敏電阻輸出電流與電壓的線性度為0.993 28，在光照強(qiáng)度為100 lx時，光敏電阻輸出電流與電壓的線性度為0.997 32，然后通過A/D轉(zhuǎn)換芯片檢驗(yàn)光敏電阻的電壓，間接測量感應(yīng)光度以及運(yùn)用人體感應(yīng)模塊來檢測周圍是否有人的存在，從而實(shí)現(xiàn)自動開關(guān)和調(diào)光功能，系統(tǒng)在進(jìn)行自動調(diào)光時，LED驅(qū)動電流在一定程度上與環(huán)境光線強(qiáng)度呈線性變化，線性度為0.970 72，環(huán)境光線變強(qiáng)，LED驅(qū)動電流減小，系統(tǒng)補(bǔ)光少，當(dāng)環(huán)境光線變?nèi)?，LED驅(qū)動電流增大，系統(tǒng)補(bǔ)光多，實(shí)現(xiàn)自動調(diào)光功能;在手動模式下，可以根據(jù)用戶對光源強(qiáng)度的不同要求，進(jìn)而通過按鈕手動調(diào)節(jié)亮度，同時還可以通過手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的開閉。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的臺燈采用高亮度LED直流供電技術(shù)照明光源，可消除交流電引起的可視頻閃問題，達(dá)到護(hù)眼功能;采用RCWL-0516人體檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)燈光亮度與開閉臺燈的效果，從而大大降低了能源消耗;采用雙模式智能控制系統(tǒng)，使LED臺燈更加人性化。在人們生活水平不斷提高，追求生活智能化以及全球注重環(huán)境保護(hù)，提倡綠色節(jié)能的大趨勢下，本設(shè)計(jì)具有巨大的市場應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益。

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