李雪穎，段 潔，洪騰騰，周 洋

（1.黃河交通學院，河南 焦作 454950；2.河南省智能制造技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，河南 焦作 454950）

臺燈作為人們工作和生活中的常用電器，應用領域十分廣泛，具備極強的發(fā)展?jié)摿?。伴隨現(xiàn)代生活節(jié)奏的不斷加快，人們在工作、學習中使用臺燈的頻率也逐漸加大，視力下降、頸椎酸痛等健康問題也愈發(fā)凸顯[1]。而這些問題的誘因可能是光線不合理與坐姿不規(guī)范，因此智能臺燈應運而生。現(xiàn)階段隨著各類芯片價格的猛漲，智能臺燈價格也水漲船高，所以設計和開發(fā)出一款成本較低、能監(jiān)測用戶坐姿、自適應調(diào)節(jié)亮度，同時節(jié)能環(huán)保、適合大眾的智能臺燈尤為重要。

本文所設計的智能臺燈，運用多種傳感器與主控芯片相結(jié)合的設計，有自動和手動2 種模式供使用。采用自動模式時，能夠根據(jù)周圍環(huán)境的明暗實現(xiàn)對LED 燈光亮度的自動控制，同時利用紅外熱釋電傳感器檢測周圍是否有人，從而實現(xiàn)無人自動關(guān)燈；采用手動模式時，可以手動調(diào)節(jié)亮度。除此功能外，還可利用紅外測距傳感器測距，當人體距離臺燈超過所設定的閾值時，蜂鳴器會發(fā)出警告，提醒人們糾正坐姿，防止近視。此外還可根據(jù)需求自己設定時長，當工作學習的時間達到所設定的時長，蜂鳴器給出提醒，配合指示燈閃爍，提醒人們勞逸結(jié)合，保護視力與頸椎。該設計是智能家居領域的一種供大眾使用的產(chǎn)品，具備一定的市場化潛力。

1 系統(tǒng)硬件設計

智能臺燈的功能要求如下：有人時根據(jù)環(huán)境光調(diào)節(jié)燈具的亮度，無人時關(guān)掉燈具，達到節(jié)能的目的；還能針對坐姿不規(guī)范給出提醒，通過調(diào)整坐姿防止近視；也具有定時功能，在進行了一段時間學習后給出提醒，該走出去呼吸新鮮空氣、放松大腦保持高效的學習狀態(tài)和良好心情。

本著設計模塊化和成本低廉化的開發(fā)理念，在保證實現(xiàn)功能多元化需求的前提下，進行控制系統(tǒng)設計。該系統(tǒng)的組成可以分為主控部分、傳感器部分、信號處理部分和提醒部分。硬件系統(tǒng)組成如圖1 所示。

圖1 硬件系統(tǒng)組成

本次電源模塊選用USB 電源模塊，其工作電壓為5 Ⅴ，在現(xiàn)實生活中應用廣泛。

1.1 控制模塊

51 單片機原型由英特爾研發(fā)，由于性能穩(wěn)定、價格低廉等優(yōu)點，其成為應用最為廣泛的單片機[2]。本設計的控制模塊采用單片機作為主控芯片，對整個燈具系統(tǒng)的電路進行控制。單片機最小系統(tǒng)三要素是電源、晶振和復位電路[1]。

STC89C51 控制芯片成本低、易于購買，而且程序燒寫方便，其開發(fā)編程環(huán)境友好，抗干擾能力強、功耗低且價格低廉，此外還可多次擦寫，使用壽命較長。單片機的時鐘信號由外部振蕩和內(nèi)部振蕩2 種方式得到[2]。晶振選擇頻率為12 MHz。

1.2 智能臺燈燈板電路設計

發(fā)光二極管是一種固態(tài)半導體器件，可以直接把電轉(zhuǎn)化為光，與白熾燈和鎢絲燈的發(fā)亮方式不同?？紤]到智能臺燈應具有壽命長、光效高、幾乎沒有輻射與消耗電能很少的特點，所以燈泡優(yōu)先選擇發(fā)光二極管。

在燈板的電路設計中選用12 個發(fā)光二極管，采用并聯(lián)連接的方式。然后外接1 個USB 和1 個光敏電阻，USB 又用來和主控制板USB 相連接。自動調(diào)光時它的設計原理是：當光線增強時，光敏電阻的阻值快速減小，燈光變?nèi)?；而光線減弱時恰巧相反，借此實現(xiàn)對燈光強弱的自動調(diào)節(jié)。

控制方面，光敏電阻的模擬信號是通過和一個分壓電阻串聯(lián)相接入AD 轉(zhuǎn)換器的模擬輸入信號腳上。而手動模式下，光敏電阻的電路被阻斷，通過脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)對LED 進行亮度控制，而且通過外界添加2 個按鍵開關(guān)來實現(xiàn)調(diào)節(jié)亮度的操作。

1.3 信號采集模塊設計

智能臺燈單片機需要外界環(huán)境信號，而信號則需通過各種傳感器進行采集。電路中選擇熱釋電紅外傳感器、被動紅外測距傳感器和光敏電阻作為傳感器部分的組件。

熱釋電紅外傳感器：壓電陶瓷類電介質(zhì)在電極化后能保持極化狀態(tài)，稱為自發(fā)極化[3]。因為紅外輻射產(chǎn)生熱量導致材料的內(nèi)部溫度上升至一定值時，表面附著的電荷轉(zhuǎn)移出去一部分，故稱為熱釋電[4]。為了平衡，它向外界釋放電荷，產(chǎn)生了電壓差，被系統(tǒng)監(jiān)測并報警，這就是熱釋電傳感器的工作原理。而且它對人體輻射的紅外波長附近的紅外輻射特別敏感，因此除人體外的其他物體很難引起探頭檢測。本設計使用的紅外熱釋電紅外傳感器是HC-SR501 人體感應模塊。

測距傳感器：本文設計的臺燈中為了糾正坐姿而加入了被動紅外測距傳感器，檢測距離時可以根據(jù)要求自行調(diào)節(jié)電位器。該傳感器有發(fā)射器、接收器和檢測電路[5]3 部分。它在電路中的工作原理是檢測到物體時，輸出低電平的信號，反之輸出高電平的信號，低電平會觸發(fā)提醒。本文需要它對用戶進行測距，有效距離是30 cm，正常安全坐姿也是在這個范圍內(nèi)，很人性化。而當用戶靠近小于30 cm 時，低電平會使蜂鳴器產(chǎn)生報警，提醒用戶坐姿不對，需要進行調(diào)整，能達到預期的目的。

光敏電阻：光敏電阻是一種對光強度變化敏感的電阻[6]，能夠感受外界光線強度，使內(nèi)部電阻變化，從而影響整個電路，以此達到自動控制燈光強弱的目的。它正常時電阻大小幾乎無窮大，故和發(fā)光二極管串聯(lián)接入同一個燈板。光敏電阻的電阻阻值隨著燈光的光照強度增大而減小，發(fā)光二極管具有單向?qū)щ娦?，它們反接便能完成對電路的自動控制?/p>

STC89C51 接收的是數(shù)字信號，但是大多是傳感器的輸出信號為模擬信號，在該設計中使用ADC0809 完成傳感器與單片機的通信。

1.4 數(shù)碼管

智能臺燈不僅需要能調(diào)節(jié)燈光的強度，而且還需要能提醒用戶勞逸結(jié)合，這就需要借助定時功能，定時顯示器常常使用數(shù)碼管。數(shù)碼管是由發(fā)光二極管組成的半導體材料。數(shù)碼管通常有2 種，第一種由7 根發(fā)光二極管組成，第二種由8 根發(fā)光二極管組成。第二種數(shù)碼管能夠顯示小數(shù)點，因為它多了一根發(fā)光二極管。智能臺燈定時器為了區(qū)分分和秒，需要一個小數(shù)點來隔開顯示，因此選擇八段數(shù)碼管更為合適。本系統(tǒng)使用共陰極數(shù)碼管，當數(shù)碼管亮起時，則發(fā)光二極管的陽極是高電平，反之是低電平。

1.5 按鍵模塊設計

智能臺燈上具有多種亮度調(diào)節(jié)功能，為了實現(xiàn)這些不同的功能，需要在電路上加上控制按鍵來實現(xiàn)不同功能的使用和切換。選取4 個不同的功能按鍵，K1的功能是手動和自動切換工作模式，K2 的功能是設定時間，K3 的功能是增加燈光的強度和加時間，K4 的功能是減弱燈光的強度和減時間。按鍵按下時，單片機接收到信號并執(zhí)行相應的控制程序。

2 系統(tǒng)軟件設計

本次設計的主程序流程如圖2 所示，初始化后開始執(zhí)行按鍵函數(shù)子模塊，之后根據(jù)按鍵功能完成所對應的顯示功能。

圖2 主流程圖

3 調(diào)試

3.1 軟件調(diào)試

軟件調(diào)試是設計過程中必不可少的一步，軟件的編程選擇Keil 軟件來進行程序編譯，Keil C51 是美國Keil Software 公司出品的51 系列兼容單片機C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C 語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性和可維護性上具有明顯優(yōu)勢[7]。

Proteus 可以仿真51 系列、AⅤR、PIC、ARM 等常用主流單片機，還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，再配合顯示及輸出，能看到運行后輸入輸出的效果[8]。本次仿真圖如圖3 所示。

圖3 仿真圖

將由Keil 軟件環(huán)境下編譯生成的hex 文件置于Protues 軟件所繪制的仿真圖的單片機中[9]，通過選擇不同按鍵，完成自動和手動調(diào)節(jié)光照強度，同時也可設置學習時間，實現(xiàn)勞逸結(jié)合、保護視力的功能。仿真時一定要將仿真環(huán)境配置好，進行編程和仿真測試結(jié)束后，就開始準備進行實物硬件的調(diào)試。

3.2 硬件調(diào)試

硬件的測試分為靜態(tài)測試和動態(tài)測試[10]2 種調(diào)試方式。LED 燈和硬件實物如圖4 所示。

圖4 LED 燈和硬件圖

靜態(tài)測試包含目檢和萬用表測試，靜態(tài)測試完成后，進行動態(tài)測試，即對各種模塊進行實際功能的測試[11]：通電后按啟動開關(guān)，開啟后臺燈處于手動狀態(tài)；手動狀態(tài)下通過按“加”“減”按鈕來控制燈的亮暗，若可以實現(xiàn)，則說明手動模式軟件和硬件都過關(guān)；再按下切換鍵，燈光因為光照強度發(fā)生變化，說明光敏電阻通電后正常工作；距離臺燈特別近時，蜂鳴器開始提醒且蜂鳴一段時間后自動關(guān)閉燈光，即證明紅外距離傳感器運行正常；再尋找一個無人環(huán)境，距離臺燈很遠后觀察它是否會延時熄滅，若熄滅則證明熱釋電傳感器運行正常。硬件測試的動態(tài)調(diào)試結(jié)束，則整個實物的測試過程在此結(jié)束。

4 總結(jié)

本文的主要研究內(nèi)容是采用單片機作為核心控制單元進行智能臺燈設計，硬件電路部分由熱釋電紅外傳感器、光敏電阻信號處理電路、提醒電路、燈光控制電路和故障報警電路等組成。選用C 語言進行軟件程序設計，并選用Proteus 進行仿真。

設計中，以STC89C51 作為主控芯片，設置有手動和自動2 種模式，在手動模式下，利用“加”“減”按鈕改變PWM 占空比，實現(xiàn)對臺燈明暗度的調(diào)節(jié)，即完成對臺燈亮度的手動調(diào)節(jié)；自動模式下，利用光敏電阻的電阻值隨環(huán)境光照強度變化的特性，改變LED 兩端電壓，實現(xiàn)對燈光亮度的自動調(diào)節(jié)。此外，該臺燈還具備實時測距和自主設定使用時長的功能，可提醒使用者糾正坐姿和注意勞逸結(jié)合。該智能臺燈的控制電路設計簡單，整體產(chǎn)品能耗低，性價比高，具備一定的市場推廣價值。