塔里木大學信息工程學院 趙德福 張楠楠 張 曉

智能護眼臺燈的設計是基于STC89C52單片機，該設計的軟件部分采用的是C語言編程。通過中央控制單元處理熱釋電紅外傳感器、紅外線光電開關以及光敏電阻檢測到的信號和光強信號，并控制提醒電路和照明控制電路做出相應的動作，以保證整個系統(tǒng)的正常運行。此次設計具備低成本、較高性價比、護眼等優(yōu)點。

隨著科學技術的高速發(fā)展，各種各樣的智能臺燈已經(jīng)普及了人們的生活，這些智能臺燈也極大地給與了人們的需求。人們對智能化領域的研究越來越深入，而單片機與智能控制理論的結合會更大程度上改善智能臺燈產(chǎn)品的功能。由于在傳統(tǒng)的家用電器中增加了單片機，所以家用電器也越來越智能化。本次設計的一種基于單片機的智能人體感應臺燈，可以根據(jù)其周圍環(huán)境的變化自動開啟或者關閉，有利于節(jié)約能源；可以設置學習時間以此來代替鬧鐘；當使用者離桌面太近時會發(fā)出警告提醒你調整坐姿以預防近視。

1 市場發(fā)展現(xiàn)狀

到目前為止，在市場上，使用人性化智能臺燈的+5V直流電源并不多見。本文所設計的智能護眼臺燈具有無觸電現(xiàn)象，使用壽命比傳統(tǒng)臺燈長，無輻射，且節(jié)約能源等優(yōu)點。智能護眼臺燈還有許多優(yōu)點，一方面，智能護眼臺燈可以根據(jù)外界光線強度和探測臺燈周圍有無人來自動開啟或關閉臺燈，以及自動調節(jié)臺燈亮度；另一方面，智能護眼臺燈也可以糾正使用者的不良坐姿，達到能夠防止使用者駝背預防眼睛離書本太近而造成的近視的目的。

根據(jù)在市場上調研有關智能臺燈的數(shù)據(jù)，隨著LED集成電路工藝的芯片級光源技術獲得持續(xù)關注和跟進，標準化、模塊化、低成本、高效率是應用產(chǎn)品及系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，護眼技術將與新一代信息技術深度融合，LED護眼燈未來將成為主流。LED屬于一種半導體冷光源，它的眩光小，沒有輻射；非常適用于當代人，尤其是經(jīng)常晚上學習看書的人士。

研究報告對護眼燈市場的分析由大入小，從宏觀到微觀，以數(shù)據(jù)為基礎，深入的分析了護眼燈的技術及特點：LED光源是低壓微電子產(chǎn)品，它融合了計算機技術、網(wǎng)絡通信技術、圖像處理技術和嵌入式控制技術等。LED裸片所采用的倒金字塔結構和倒裝芯片設計極大程度的提高了發(fā)光效率，其光的単色性好，光譜窄，不需要任何復雜流程便可直接發(fā)出有色可見光。相信此設計在未來的市場會有很大的前景。

2 總體方案設計

2.1 設計原理

本文設計的智能護眼臺燈可分為自動模式和手動模式。在自動模式下，智能護眼臺燈可以根據(jù)外界光線強度和探測臺燈周圍有無人來自動開啟或關閉臺燈，以及自動調節(jié)臺燈亮度。在設計中使用了能夠探測人體紅外輻射（9～10μm）的傳感器來探測和控制電路。當在臺燈的探測范圍內探測到人的時候，臺燈將會自動開啟；當使用者在臺燈的范圍內時，臺燈會感應周圍環(huán)境光線強度，從而自動調節(jié)發(fā)光亮度；當使用者靠近桌面并且達到了紅外線光電開關的設定距離時，臺燈將會自動探測，并及時發(fā)出警告以提醒使用者及時糾正自己的坐姿，當人們離開一定時間時，臺燈會自動熄滅以節(jié)約電量。手動模式是指燈的亮度不隨環(huán)境光線強度的變化而改變，但是可以通過臺燈按鍵來調整自己所需的燈光的亮度。本設計還具有設置學習時間的功能，可以手動設置學習時間，設定完成后將會進行倒計時，當?shù)褂嫊r結束，這個時候臺燈將會發(fā)出警報，來提醒使用者注意用眼時間，并且學習時間將被重新設定。在報警響起時，手或其他障礙物可以在熱釋電紅外距離傳感器前擺動，或按任意鍵停止報警。

2.2 設計內容

本文設計的智能護眼臺燈，主要是以STC89C52單片機、ADC0809、熱釋電紅外傳感器、紅外線光電開關、蜂鳴器、LED燈、按鍵、數(shù)碼管以及光敏電阻組成的。它的特點是可以根據(jù)有無人開燈或是關燈，根據(jù)外界光度調節(jié)臺燈的亮度，節(jié)約能源；且能通過檢測判斷人與傳感器距離是否小于設置的距離，來判斷是否發(fā)出報警，提醒使用者及時糾正坐姿。

具體要求如下：

（1）通過熱釋電紅外傳感器探測臺燈周圍是否有人，并經(jīng)過ADC0809處理檢測到的模擬信號，再由單片機進行處理以及控制。

（2）在自動模式下，當使用者進入臺燈熱釋電紅外傳感器的探測范圍內并且臺燈周圍光線條件不佳的時候，臺燈便會自動開啟，并且根據(jù)周圍光線強度，臺燈將會自動調節(jié)至適合工作和學習的亮度，以便于不用在黑暗中摸索燈開關的位置。

（3）在學習的時候，人體離桌面太近，達到紅外線光電開關的設定距離(50cm)以內時，蜂鳴報警器將會發(fā)出報警，提醒使用者應該糾正其坐姿，以達到防止近視的目的。按下臺燈中的按鍵，蜂鳴器將會停止報警。

（4）當使用者離開臺燈一定時間以后，并且熱釋電紅外傳感器并沒有檢測到人的時候，臺燈就會自動熄滅，以此來節(jié)約電量。

（5）本文臺燈的設計還可以設置學習時間，當?shù)竭_你設置的時間時，蜂鳴器將會發(fā)出報警，以提醒使用者應注意休息。

2.3 系統(tǒng)組成框圖及模塊分析

智能護眼臺燈主要是由電源供電模塊、測距模塊、人體感應模塊、A/D轉換模塊、單片機最小系統(tǒng)、按鍵控制模塊、蜂鳴器報警模塊、LED燈光驅動模塊以及數(shù)碼管顯示模塊這九個模塊組成。電源供電模塊、測距模塊、人體感應模塊以及按鍵控制模塊的模擬信號通過A/D轉換模塊，轉換成數(shù)字信號，并通過單片機最小系統(tǒng)根據(jù)相應的信號來控制蜂鳴器報警模塊、LED燈光驅動模塊以及數(shù)碼管顯示模塊，使它們能夠做出相應的動作，已確保整個設計的可行性。圖1所示為系統(tǒng)的組成框圖。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

第一個模塊是電源供電模塊，通過電源供電模塊來給整個設計供電。設計主要是由一個DC接口和自鎖開關組成。供電模式分為兩種一種是電源線供電，另外一種是電池供電。電源線使用的是USB電源線，在一般情況下可以使用USB電源線直接和插頭連接插座就行；當家里停電的時候可以使用USB電源線接在充電寶上，也可以直接換上電池來使臺燈正常使用。

圖2 原理圖設計

第二個模塊是數(shù)碼管顯示模塊，數(shù)碼管顯示模塊使用的是四位一體共陽數(shù)碼管，在本設計中是作計時顯示用，可以通過按鍵來設置時間，并通過數(shù)碼管來顯示，在本設計中最多可顯示一個小時。

第三個模塊是按鍵控制模塊，主要是由四個按鍵構成?？梢酝ㄟ^按鍵設置時間，關閉蜂鳴器以及調節(jié)臺燈的亮度。當整個設計開始工作的時候是處于自動模式，按下第一個按鍵，臺燈就變?yōu)槭謩幽Ｊ剑@時可以通過按第三個鍵、第四個按鍵來調節(jié)自己想要的臺燈亮度；當蜂鳴器報警的時候隨意按下任意一個鍵，蜂鳴器報警停止；在手動模式和自動模式下都可以對臺燈設置自己的學習時間，按一下按鍵中的第二個鍵，可以設置分，按兩下可以設置秒，加鍵和減鍵可以調整時間。

第四個模塊是蜂鳴器報警模塊，主要是由單片機來控制蜂鳴器，當使用者的距離靠近紅外線光電開關的設定距離(50cm)，蜂鳴器會報警，提醒使用者及時改正坐姿；當使用者設置的學習時間到時，蜂鳴器也會報警，提醒使用者要注意休息。

第五個模塊是測距模塊，紅外線光電開關主要是為了來探測使用者和臺燈之間的距離，在本設計中為紅外線光電開關設定的距離為50cm，當使用者的身體與紅外線光電開關的距離小于50cm，蜂鳴器就會報警，提醒使用者注意坐姿和眼睛離桌面的距離。

第六個模塊是人體感應模塊。主要是用來感應人體的，因為熱釋電紅外傳感器能探測到9～10μm的紅外輻射(相當于人體發(fā)出的紅外輻射)，熱釋電紅外傳感器的設置距離本設計中用的距離為5m，這個距離是可以根據(jù)需求調整的。在自動模式下，只要人體感應模塊探測到人并且臺燈周圍光線較暗，臺燈則會自動亮起。

第七模塊是LED燈驅動模塊，本設計中LED燈驅動模塊有12個LED燈和一個光敏電阻，LED燈主要就是提供光源，在手動模式下，可以由按鍵來調節(jié)光線強度；在自動模式下，是通過光敏電阻來感應外界光線強度，光敏電阻會因外界光線強度來改變自身的阻值，再通過單片機控制，調節(jié)至合適的亮度。

第八個模塊是A/D轉換模塊，是由ADC0809構成，主要是將模擬信號與數(shù)字信號進行轉換，通過單片機進行控制處理后再由ADC0809轉換后傳送給其他電路使用。

第九個模塊是單片機的最小系統(tǒng)，主要是由單片機、晶振電路和復位電路組成。目的是對設計中的其他模塊進行控制處理，以保證整個設計的可行性。

3 硬件設計

原理圖設計：

圖2所示為原理圖設計，設計中包括了對單片機最小系統(tǒng)的設計，電源供電模塊設計，數(shù)碼管顯示模塊設計，蜂鳴器報警模塊設計，熱釋電紅外傳感模塊設計，紅外傳感設計，按鍵控制模塊設計，LED驅動模塊設計以及數(shù)模轉換模塊的設計。

4 總結

智能人體感應臺燈的設計思想來自于平時的生活和學習，所以它的功能也是為了生活的方便而設計的。主要的功能除了能夠照明以外，可以根據(jù)外界光線強度以及臺燈周圍有無人來自動進行亮度調節(jié)以及開關燈，從而達到節(jié)約能源的目的。除此之外，還可以通過熱釋電紅外傳感器，紅外線光電開關來提醒使用者糾正坐姿，預防因坐姿不正確而導致的近視，還可以設置學習時間，并提醒使用者注意用眼及時休息。

在實驗過程中對電路原理圖進行嚴格的確認之后，利用Proteus軟件對整個電路圖進行仿真，并且依據(jù)所設計的硬件部分來編寫相關的程序，并不斷調試，確定整個系統(tǒng)能夠運行，就開始了焊接電路板的工作。由于該臺燈主要的探測目標是人體，因此使用熱釋電紅外傳感器，用于接收人體產(chǎn)生的9～10μm信號，并使用ADC0809處理傳感器產(chǎn)生的信號并將其轉換為數(shù)字信號進行處理。當完成對信號的檢測和處理部分的時候，就需要開始不斷測試來確定電路是否焊接正確。在調試電路的過程中，我們必須排除其他的外部干擾，尤其是傳感器周圍熱源的紅外干擾，以確保實驗的順利完成。