摘要：隨著科技的不斷發(fā)展，各類臺燈產(chǎn)品也隨著走向智能化。該設(shè)計介紹一種基于STC89C52單片機(jī)的多功能智能臺燈設(shè)計，具有自適應(yīng)調(diào)光、自動/手動調(diào)節(jié)切換、坐姿糾正提示、定時提醒等功能，并能實現(xiàn)“人來開燈、人走關(guān)燈”的智能控制，使臺燈的使用更加智能與人性化，并實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的效果。該設(shè)計給出了詳細(xì)的方案、硬件設(shè)計及軟件設(shè)計流程，對系統(tǒng)的原理及設(shè)計過程進(jìn)行了深入解析，并通過Proteus與Keil軟件的仿真調(diào)試分析及實物調(diào)試分析，驗證了系統(tǒng)的正確性與可靠性。

關(guān)鍵詞：智能臺燈;單片機(jī);自動調(diào)光;坐姿糾正;定時提醒

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）18-0198-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1 背景

隨著社會的進(jìn)步和科技的發(fā)展，人們對照明的追求從單一的追求亮度提高到對燈光的舒適度、對視力的影響、功能多樣化、智能化等方面的轉(zhuǎn)變。臺燈在我們生活中使用廣泛，但是普通臺燈由于光線單一、缺乏智能按鈕開關(guān)操作，無法實現(xiàn)人們對臺燈的智能化需求。特別是對青少年而言，由于學(xué)習(xí)需要較長用眼時間，青少年近視比例也越來越高，更需要一款可以保護(hù)青少年視力的多功能智能臺燈。本文介紹的這款智能臺燈，用戶可以主動調(diào)節(jié)亮度、自動開關(guān)燈，且能及時提醒用戶糾正坐姿、保護(hù)視力，并能實現(xiàn)手動自動切換控制。

2 設(shè)計方案

本智能臺燈系統(tǒng)的總體框架如圖1所示，主要由單片機(jī)、時鐘電路、復(fù)位電路、人體感應(yīng)輸入模塊、按鍵輸入模塊、光敏檢測及其模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、LED臺燈電路、指示燈電路等部分組成。

智能臺燈的系統(tǒng)功能主要包括：1）人體感應(yīng)自動開關(guān)燈。當(dāng)人靠近臺燈，即距離在40cm-llOcm之間時臺燈會亮;當(dāng)人離開1分鐘后臺燈自動熄滅。2）自適應(yīng)亮度調(diào)節(jié)。能自動根據(jù)環(huán)境光線的強(qiáng)弱變化進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)，達(dá)到環(huán)保節(jié)能效果。3）坐姿糾正功能。當(dāng)人臉距離桌面過進(jìn)時，進(jìn)行聲光報警，提醒用戶糾正坐姿，從而保護(hù)使用者的視力。4）定時提醒功能。定時模塊提醒用戶，當(dāng)持續(xù)用眼一小時則開啟學(xué)習(xí)時間提醒功能，進(jìn)行報警提示。

3 硬件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方案，對硬件電路的具體設(shè)計如下：

1）單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊：選用STC89C52作為主控制芯片，單片機(jī)最小系統(tǒng)由STC89CR52單片機(jī)、時鐘電路、按鍵復(fù)位電路及電源電路組成。

2）人體感應(yīng)模塊：人體感應(yīng)模塊采用的核心器件為熱釋電紅外線傳感器HC-SR501。它能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線能量的變化，將其轉(zhuǎn)換成電壓信號輸并放大，便可驅(qū)動各類控制電路。HC-SR501采用超低電壓工作模式，可靠性強(qiáng)，靈敏度高。該模塊只引出3個引腳，其中第1、3腳分別連接vcc和GND。2腳接單片機(jī)的1/0口引腳，當(dāng)檢測到無人時輸出低電平，當(dāng)有人出現(xiàn)檢測范圍內(nèi)則輸出高電平，該模塊的3引腳接至單片機(jī)P2.3輸入。

3）光敏檢測及模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊：本系統(tǒng)的傳感器采用光敏電阻，光敏電阻內(nèi)部導(dǎo)電率會隨光照強(qiáng)度而發(fā)生改變。當(dāng)光線強(qiáng)度變大時，導(dǎo)電率也隨之變大，使電阻值變小，輸出電壓也將線性增大。電路中，采樣到的電壓值u=VCCxLDR/（RI+LDR），經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換器ADC0832的CH1通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果經(jīng)單片機(jī)讀取后得到對應(yīng)的電壓值，并進(jìn)行PWM控制臺燈的亮度。

4）紅外測距模塊：本設(shè)計利用紅外模塊GP2D12對距離進(jìn)行檢測。當(dāng)檢測到人體距離紅外探頭距離過近時，開啟聲音提醒功能，避免坐姿不正使因眼睛距離桌面過近而導(dǎo)致的近視。該紅外模塊集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器，檢測距范圍為lOcm-80cm，檢測距離可以根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，且受可見光干擾小，易于安裝，使用方便。該傳感器有三根導(dǎo)線，其中VCC和GND為電源線及地線，VO輸出端接至單片機(jī)I/O引腳P2.0作為數(shù)據(jù)輸入。當(dāng)距離在范圍之內(nèi)時該引腳輸出高電平，過近時輸出低電平，根據(jù)該引腳電平即可判斷使用者是否距離桌面過近。報警距離的設(shè)置可通過傳感器上的螺絲進(jìn)行距離調(diào)節(jié)。

5）按鍵輸入電路：系統(tǒng)有三個功能按鍵，分別為手動/自動切換鍵實現(xiàn)手動與自動模式的切換，接至P1.0引腳;亮度加鍵為手動模式下亮度加一個等級，接至P1.1引腳，亮度減鍵為亮度減一個等級，接至P1.2引腳。

6）照明模塊及指示燈模塊：照明模塊采用6個LED燈進(jìn)行共陽極并聯(lián)，單片機(jī)從P2.6輸出并通過PNP型三極管驅(qū)動LED燈點亮。指示燈模塊用于手動功能與自動功能切換的指示，從P1.3引腳輸出經(jīng)過限流電阻驅(qū)動發(fā)光二極管出點亮。

7）報警模塊：蜂鳴器報警模塊采用PNP型三極管的開關(guān)管功能來控制蜂鳴器發(fā)音，蜂鳴器采用有源蜂鳴器，其內(nèi)部設(shè)置有震蕩電路，單片機(jī)P3.0引腳只要輸出低電平即可控制蜂鳴器的發(fā)聲。

4 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計思路及主流程設(shè)計。軟件設(shè)計采用C語言模塊化程序設(shè)計方法，根據(jù)系統(tǒng)各功能分析，得到主程序的控制流程如圖3所示，并分析主程序中各子程序功能。分析如下：上電后，系統(tǒng)初始化，進(jìn)入亮度自動調(diào)節(jié)模式，可以通過按鍵K1進(jìn)行自動/手動模式切換。當(dāng)模式標(biāo)志Mode=0時，工作在模式手動模式下，執(zhí)行手動控制子程序;當(dāng)Mode=1時，工作在自動調(diào)節(jié)模式下，執(zhí)行亮度自動調(diào)節(jié)子程序，并進(jìn)行報警判斷。在報警判斷子程序中，可實現(xiàn)根據(jù)距離檢測傳感器數(shù)據(jù)，若離桌面具體過近，或者光線亮度過高，或者設(shè)定時間到，則進(jìn)行聲光報警提示。在手動控制子程序中，當(dāng)按下K2按鍵時，若亮度等級不是最低級，則亮度等級減一，否則保持最低亮度等級不變;當(dāng)按下K3鍵時，若亮度等級不是最高級，則亮度等級加一，否則保持亮度等級最高。自動亮度調(diào)節(jié)子程序是設(shè)計的關(guān)鍵子程序，其流程如圖4所示。當(dāng)Mode=l時，工作在自動模式下：若120秒內(nèi)檢測有人，則計時清0，并執(zhí)行獲取光照強(qiáng)度值子函數(shù)，計算出光照強(qiáng)度值，根據(jù)光照強(qiáng)度與亮度區(qū)間比較，獲得亮度等級;若120秒內(nèi)檢測不到人，則亮度等級最低。

除了主程序中、手動控制子程序、自動亮度調(diào)節(jié)子程序、報警判斷子程序外，還有光照強(qiáng)度讀取子程序、定時器TO中斷子程序等。

5 系統(tǒng)調(diào)試

在系統(tǒng)設(shè)計后，進(jìn)行了Proteus和Keil的軟件仿真調(diào)試，最后進(jìn)行系統(tǒng)實物調(diào)試。通電后系統(tǒng)初始化，當(dāng)有人接近多功能臺燈時，系統(tǒng)會自動檢測到有人體活動，同時啟動自動工作模式。當(dāng)外界光線亮度低于上限值且檢測到附近有人體活動時，臺燈處于自動感應(yīng)模式;當(dāng)沒有人體活動或者人離開2分鐘以上時，臺燈自動熄滅。此外，對臺燈亮10個亮度等級測試、按鍵手動功能調(diào)節(jié)、功能報警進(jìn)行了若干次測試，功能均正常，實現(xiàn)證明了智能臺燈系統(tǒng)設(shè)計的正確性與可靠性。

6 結(jié)束語

針對青少年視力保護(hù)問題，對傳統(tǒng)臺燈的單一模式進(jìn)行改造，設(shè)計出以STC89C52單片機(jī)為核心的多功能智能臺燈。該臺燈具有糾正坐姿、自動亮度調(diào)節(jié)、用眼時間提醒、自動手動亮度調(diào)節(jié)、聲光報警等多種功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔、性價比高、功能多樣、控制靈活，實現(xiàn)了臺燈的智能化控制。今后可在此基礎(chǔ)上，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)手機(jī)APP控制、藍(lán)牙技術(shù)、語音控制等，可進(jìn)一步實現(xiàn)臺燈的智能化控制和人性化設(shè)計。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】

作者簡介：李萍（1976-），女，講師，碩士，主要從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用的教學(xué)與科研工作。