芮翼鵬 趙培焱 沈 洲 王衍文

（西京學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710123）

1 背景

一般來(lái)說(shuō)，自適應(yīng)調(diào)節(jié)亮度的臺(tái)燈是一種融合現(xiàn)代控制理念的臺(tái)燈設(shè)計(jì)方式，主要是可以根據(jù)當(dāng)前的環(huán)境中亮度、人員情況等進(jìn)行實(shí)時(shí)的亮度調(diào)整和開(kāi)關(guān)控制[1]。對(duì)比這兩種在學(xué)習(xí)生活中比較重要的照明臺(tái)燈可以看出來(lái)，自適應(yīng)亮度調(diào)整的臺(tái)燈相對(duì)于手動(dòng)亮度調(diào)節(jié)的臺(tái)燈在自動(dòng)化以及智能化的程序均比較高，而且能夠滿足不同人的要求同時(shí)節(jié)約資源、保護(hù)自然環(huán)境。

2 設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)方案是現(xiàn)代半導(dǎo)體制造工藝發(fā)展起來(lái)的新一代電子器件用于傳統(tǒng)控制電路的現(xiàn)代化設(shè)計(jì)，往往需要用戶根據(jù)實(shí)際的需要以及控制效果進(jìn)行核心處理單元器件的選擇，輔助以傳統(tǒng)的傳感檢測(cè)電路、信息顯示電路等設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，整個(gè)系統(tǒng)采用主要分為人體信號(hào)采集模塊、環(huán)境中亮度和溫度采集單元模塊、顯示信息顯示單元以及信息處理和外圍部件邏輯控制單元等模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，各模塊與多功能臺(tái)燈智能控制系統(tǒng)的邏輯控制中心單片機(jī)之間邏輯關(guān)系如圖1 所示。

圖1 多功能臺(tái)燈設(shè)計(jì)框架

3 硬件設(shè)計(jì)（圖2）

圖2 硬件電路原理圖

邏輯控制電路：包括復(fù)位電路和晶振電路。復(fù)位電路，復(fù)位單元是一個(gè)以單片機(jī)為核心的智能控制系統(tǒng)中運(yùn)行時(shí)候的復(fù)位信號(hào)，通常該單元電路的設(shè)計(jì)包括電阻、電容和按鍵器件組成，利用大小阻值為10K 的R14 保證復(fù)位單元模塊產(chǎn)生的瞬時(shí)電流/電壓不會(huì)燒壞電容C2。晶振電路，晶振單元是用于產(chǎn)生單片機(jī)、紅外檢測(cè)單元的時(shí)序信號(hào)，該電路由晶振和電容組成。具體的由晶振大小為11.0592MHz的晶振單元內(nèi)部的震蕩信號(hào)用于產(chǎn)生時(shí)序信號(hào)，通過(guò)并接入30pF 的電容設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，該電路產(chǎn)生的震蕩時(shí)序信號(hào)通過(guò)單片機(jī)中標(biāo)號(hào)X1 和X2 引腳的之間的電氣連接實(shí)現(xiàn)時(shí)序信號(hào)的傳遞。

紅外檢測(cè)電路：多功能臺(tái)燈智能控制系統(tǒng)中紅外檢測(cè)單元模塊主要是對(duì)于臺(tái)燈的紅外探測(cè)單元探測(cè)距離內(nèi)是否有人的實(shí)時(shí)檢測(cè)，該紅外檢測(cè)單元硬件支撐電路主要是以HC-SR501 紅外檢測(cè)傳感器為核心進(jìn)行外圍人體信號(hào)的檢測(cè)。當(dāng)HC-SR501 器件檢測(cè)到智能臺(tái)燈范圍內(nèi)存在人體信號(hào)以后，通過(guò)器件的2 號(hào)引腳將檢測(cè)到的人體信號(hào)送入單片機(jī)中[2]。

溫度采集電路：溫度采集單元的主要是以DS18B20 為核心進(jìn)行的，該器件具有三個(gè)功能各不相同的引腳，具備分為兩類(lèi)，即：能量供給端口、數(shù)據(jù)傳輸端口。為了使得DS18B20 能夠正常的采集環(huán)境中的溫度值，利用能量供給端口VCC、GND引腳與臺(tái)燈智能控制系統(tǒng)的能量供給單元進(jìn)行連接實(shí)現(xiàn)能量供給，溫度敏感器件采集的溫度值通過(guò)DQ 功能引腳與核心處理單元單片機(jī)的P21 引腳連接實(shí)現(xiàn)。

按鍵電路：本次設(shè)計(jì)的多功能臺(tái)燈控制系統(tǒng)中按鍵主要功能是實(shí)現(xiàn)臺(tái)燈開(kāi)、關(guān)和亮度調(diào)大、調(diào)小的設(shè)置，涉及的按鍵僅有7 個(gè)，故而采用按鍵獨(dú)立與單片機(jī)進(jìn)行連接的方式實(shí)現(xiàn)。具體的將7 個(gè)按鍵依次標(biāo)記為K1～K7，分別與單片機(jī)的Ⅰ/O 引腳進(jìn)行連接實(shí)現(xiàn)[3]。

電源電路：外界對(duì)于智能臺(tái)燈中能量供給主要是采用220V 的民用市電以及干電池或USB 取電方式實(shí)現(xiàn)。本次在進(jìn)行多功能臺(tái)燈電源模塊設(shè)計(jì)的時(shí)候利用USB 進(jìn)行能量供給，并加入了容值大小為470uF、工作電壓為3.5～5V 的電容C1 進(jìn)行濾波防止接入系統(tǒng)的電源中存在噪聲，起到濾波的作用。

亮度采集電路：亮度采集模塊主要是實(shí)現(xiàn)環(huán)境中當(dāng)前的亮度信息，該模塊的電路設(shè)計(jì)采用對(duì)亮度信息敏感的材料構(gòu)成的元器件和數(shù)據(jù)類(lèi)型轉(zhuǎn)換的單元模塊ADC0832 實(shí)現(xiàn)。VCC 和GND 標(biāo)號(hào)的引腳與系統(tǒng)的電能供給單元進(jìn)行連接進(jìn)行能量供給。

4 軟件設(shè)計(jì)

多功能臺(tái)燈主體程序的設(shè)計(jì)：

首先，單片機(jī)、傳感器和顯示器的初始操作，為后續(xù)信息采集、信息處理和信息顯示做好了鋪墊。

其次，光強(qiáng)檢測(cè)器件和紅外檢測(cè)器件對(duì)當(dāng)前環(huán)境中的亮度信息和是否有人員進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集，并由LCD1602 驅(qū)動(dòng)程序驅(qū)動(dòng)其顯示當(dāng)前環(huán)境的亮度信息同時(shí)語(yǔ)音識(shí)別單元模塊對(duì)當(dāng)前環(huán)境中的語(yǔ)音信息進(jìn)行采集及分類(lèi)處理。

最后，當(dāng)檢測(cè)到當(dāng)前環(huán)境中光亮的強(qiáng)度信息小于設(shè)置的閾值范圍且當(dāng)前環(huán)境中檢測(cè)到有人時(shí)則由多功能臺(tái)燈智能控制系統(tǒng)的邏輯處理中心調(diào)用臺(tái)燈打開(kāi)程序，驅(qū)動(dòng)臺(tái)燈點(diǎn)亮。當(dāng)檢測(cè)到按鍵指令是控制其打開(kāi)時(shí)，同樣調(diào)用臺(tái)燈點(diǎn)亮程序驅(qū)動(dòng)臺(tái)燈點(diǎn)亮。多功能臺(tái)燈智能控制系統(tǒng)的各個(gè)單元模塊間的邏輯關(guān)系構(gòu)成的主體驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)流程如圖3 所示。

圖3 主程序設(shè)計(jì)流程圖

多功能臺(tái)燈智能控制系統(tǒng)上電后，紅外檢測(cè)模塊開(kāi)始進(jìn)行內(nèi)部功能單元清除歸0 操作，初始化操作完成后紅外檢測(cè)模塊開(kāi)始檢測(cè)范圍內(nèi)是否有人，當(dāng)檢測(cè)到有人時(shí)，紅外檢測(cè)單元模塊向單片機(jī)發(fā)送檢測(cè)到有人的信號(hào)，由多功能臺(tái)燈紅外檢測(cè)單元邏輯處理中心調(diào)用相應(yīng)的臺(tái)燈開(kāi)關(guān)控制命令，將臺(tái)燈打開(kāi)。多功能臺(tái)燈智能控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)人員有無(wú)的紅外檢測(cè)單元模塊驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)思路如圖4 所示。

圖4 紅外檢測(cè)程序流程圖

按鍵掃描程序設(shè)計(jì)：

（1）初始化各功能單元，為后續(xù)的功能實(shí)現(xiàn)做好鋪墊；

（2）多功能臺(tái)燈的邏輯處理中心單片機(jī)向多功能臺(tái)燈亮度調(diào)整的按鍵單元發(fā)送檢測(cè)指令，用于檢測(cè)當(dāng)前按鍵的狀態(tài)值并將獲取的按鍵狀態(tài)值送入單片機(jī)中；

（3）單片機(jī)在內(nèi)部對(duì)當(dāng)前按鍵與初始值進(jìn)行對(duì)比，如果兩者不同，則需要加入一定的延時(shí)操作；

（4）延時(shí)操作后，單片機(jī)向多功能臺(tái)燈亮度調(diào)整模塊的按鍵單元中第一次檢測(cè)到按下的按鍵再次發(fā)送檢測(cè)指令用于再次獲取按鍵的狀態(tài)值；

（5）若兩次檢測(cè)到的多功能臺(tái)燈中的按鍵狀態(tài)與初始值均不一致，那么則判定該按鍵被使用者按下，繼而確定由此按鍵對(duì)應(yīng)的子程序執(zhí)行相應(yīng)的功能。多功能臺(tái)燈中亮度手動(dòng)調(diào)節(jié)的按鍵單元掃描程序設(shè)計(jì)流程如圖5 所示。

圖5 按鍵掃描程序流程圖

亮度采集轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)：

當(dāng)前環(huán)境中的亮度信息進(jìn)行采集主要是為了獲取自動(dòng)控制臺(tái)燈亮度的亮度變量，依據(jù)亮度的不同實(shí)現(xiàn)多功能臺(tái)燈亮度的自適應(yīng)調(diào)整。當(dāng)多功能臺(tái)燈亮度采集程序上電以后，接入的光敏傳感器由于當(dāng)前環(huán)境的亮度不同造成其自身的阻值也發(fā)生了變化，然而阻值變化是連續(xù)型的信號(hào)需要對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)化。多功能臺(tái)燈智能控制系統(tǒng)中亮度采集單元的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)流程如圖6 所示。

圖6 亮度采集程序流程圖

5 系統(tǒng)調(diào)試

5.1 實(shí)物板硬件電路調(diào)試

5.1.1 對(duì)于元器件放置錯(cuò)誤的檢測(cè)尤其需要注意的集成芯片的放置、二極管和帶有極性的電容是否錯(cuò)誤，主要是對(duì)照多功能臺(tái)燈控制系統(tǒng)的線路連接原理圖實(shí)現(xiàn)的。

5.1.2 對(duì)于實(shí)物板中線路或器件焊接是否存在短斷路情況的檢測(cè)，主要是利用電路板設(shè)計(jì)中常用的測(cè)量工具萬(wàn)用表實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)將萬(wàn)用表置于短路檔位，利用表針與兩個(gè)檢測(cè)的單元連接進(jìn)行測(cè)量。

5.2 功能子程序調(diào)試

對(duì)于功能子程序調(diào)試工作主要也是包括語(yǔ)句符合規(guī)則的檢測(cè)和程序段符合設(shè)計(jì)功能的檢測(cè)。

5.2.1 對(duì)于語(yǔ)句是否合乎符合規(guī)則的檢測(cè)，主要是利用多功能臺(tái)燈控制系統(tǒng)程序編寫(xiě)工具Keil 4 的編譯連接功能進(jìn)行的，當(dāng)編譯鏈接后的程序中沒(méi)有錯(cuò)誤的時(shí)候則說(shuō)明源程序的語(yǔ)句均合乎編寫(xiě)規(guī)則。

5.2.2 對(duì)于程序段是否符合設(shè)計(jì)功能的檢測(cè)，主要通過(guò)在多功能臺(tái)燈實(shí)物上的放置調(diào)試工作實(shí)現(xiàn)。

6 結(jié)論

實(shí)現(xiàn)常用臺(tái)燈能夠依據(jù)環(huán)境亮度、環(huán)境是否有人亮度的調(diào)整及開(kāi)關(guān)控制，并可以采用按鍵實(shí)現(xiàn)用戶手動(dòng)控制臺(tái)燈開(kāi)關(guān)的功能。雖說(shuō)本次設(shè)計(jì)的多功能臺(tái)燈能夠滿足設(shè)計(jì)的要求，但考慮到當(dāng)前智能家居設(shè)備的風(fēng)起云涌，多功能臺(tái)燈控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)還可以朝著以下方向發(fā)展：如嘗試在智能臺(tái)燈中加入溫濕度、煙霧濃度等的檢測(cè)單元并可利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)家用電器設(shè)備依據(jù)實(shí)際的環(huán)境信息進(jìn)行空調(diào)、窗簾等的控制。