陳新芬，邱小華，金琦淳，岳睿

(1.無錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 無錫 214153；2.無錫市宏源彈性器材有限公司，江蘇無錫 214161)

LED 作為一種固態(tài)冷光源，是繼白熾燈、熒光燈、高強(qiáng)度放電燈之后的第四代新光源。本文研究基于單片機(jī)的智能LED 臺燈設(shè)計(jì)，具有智能調(diào)節(jié)照明亮度，感應(yīng)人員存在，達(dá)到人在燈亮，人走燈滅，節(jié)能環(huán)保的照明目的。

1 設(shè)計(jì)功能描述

本設(shè)計(jì)以STC89C52 單片機(jī)為主控芯片，利用C 語言編程，通過PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能調(diào)光臺燈十級照明亮度功能。智能臺燈可以工作在兩種照明模式：自動(dòng)照明模式和手動(dòng)控制模式。

自動(dòng)照明模式中，利用HC-SR501 人體紅外傳感器感知人員活動(dòng)信息[1]，同時(shí)利用光敏傳感器感知當(dāng)前環(huán)境光照強(qiáng)度，達(dá)到人在時(shí)，燈開，并控制LED 燈工作在合適的亮度等級。

手動(dòng)控制模式中，利用功能切換按鍵，以及亮度增、減兩個(gè)功能按鍵，實(shí)現(xiàn)臺燈普通狀態(tài)下手動(dòng)控制照明亮度功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路圖

本系統(tǒng)由主控單片機(jī)芯片STC89C52，電源，按鍵，LED 指示燈，光敏電阻，模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0832，人體熱釋電紅外傳感器HC-SR501，照明用并聯(lián)LED 小燈模塊，以及若干電阻，電容，三極管等部分組成，其中STC89C52 單片機(jī)為本設(shè)計(jì)的控制核心[2]。原理圖如圖1 所示。

圖1 電路原理圖

2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)由STC89C52 單片機(jī)芯片(MCU)、晶振電路、復(fù)位電路、電源電路組成[3]。設(shè)計(jì)中的上電復(fù)位電路由電源，電阻R4，電容C1串聯(lián)構(gòu)成。系統(tǒng)上電時(shí)，電容C1 和電阻R4 的連接處，由于電容瞬間充電，會產(chǎn)生有效的單片機(jī)復(fù)位所需高電平，此高電平連接到單片機(jī)的9 號引腳RST(Reset)。單片機(jī)工作所需的晶振電路則由12MHZ 晶振X1，以及兩個(gè)30PF 電容C2，C3構(gòu)成，晶振電路為最小系統(tǒng)提供基準(zhǔn)時(shí)鐘信號，單片機(jī)內(nèi)部的工作以此時(shí)鐘信號為基準(zhǔn)[4]。

2.3 紅外感應(yīng)電路

設(shè)計(jì)中，紅外感應(yīng)模塊采用集成熱釋電紅外線模塊HC-SR501。該模塊是基于紅外線技術(shù)的全自動(dòng)感應(yīng)模塊，能以非接觸形式檢測人員活動(dòng)信息，對人體輻射出的波長在10μm 左右的紅外線感應(yīng)靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)。該集成傳感器體積小并可以實(shí)現(xiàn)低電壓工作模式，廣泛應(yīng)用于各類自動(dòng)感應(yīng)電器設(shè)備中。

紅外感應(yīng)模塊的工作電壓為+5V，工作狀態(tài)適應(yīng)溫度在-15℃～+70℃，感應(yīng)角度在＜100 度錐角范圍內(nèi)可調(diào)，感應(yīng)距離可以達(dá)到7m，反應(yīng)延時(shí)時(shí)間短。觸發(fā)方式分為不可重復(fù)觸發(fā)以及重復(fù)觸發(fā)，輸出高電平有效。

本設(shè)計(jì)中，利用跳線的辦法，將紅外模塊設(shè)置為重復(fù)觸發(fā)工作方式。當(dāng)人員出現(xiàn)在感應(yīng)范圍內(nèi)時(shí)，模塊輸出有效高電平給到單片機(jī)P2.2 引腳。在延時(shí)時(shí)間段內(nèi)，持續(xù)檢測到人員活動(dòng)信息時(shí)，紅外模塊重復(fù)觸發(fā)方式下，引腳持續(xù)輸出高電平信息給到單片機(jī)芯片。

2.4 光敏感應(yīng)電路

設(shè)計(jì)中光照強(qiáng)度采集電路選用光敏電阻、ADC0832 模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片等元件構(gòu)成。光敏電阻R1 與10KΩ 固定值電阻R6 串聯(lián)分壓VCC，電阻R6 兩端的電壓值直接反應(yīng)當(dāng)前環(huán)境光照強(qiáng)度:當(dāng)環(huán)境光照較強(qiáng)時(shí),光敏電阻的阻值較小,電阻R6 兩端分壓VCC，分得的電壓值較高；當(dāng)環(huán)境光照較弱時(shí)，光敏電阻的阻值較大，電阻R6 兩端的分電壓值較小。環(huán)境光照越強(qiáng)，電阻R6 兩端電壓值越高，是直接反應(yīng)環(huán)境光照的一個(gè)模擬量電壓值。

上述反應(yīng)環(huán)境光照強(qiáng)度的電壓值是一個(gè)連續(xù)的模擬量值，單片機(jī)無法直接識別和處理，設(shè)計(jì)中，將此電壓值送入ADC0832 模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字量轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后對應(yīng)的數(shù)字量電壓值送入單片機(jī)P2.1 口，為智能臺燈的亮度調(diào)節(jié)做參考。

設(shè)計(jì)中選用ADC0832 作為A/D 轉(zhuǎn)換芯片，ADC0832 為8 位分辨率A/D 轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達(dá)256 級。ADC0832 處理數(shù)據(jù)的誤差較小、轉(zhuǎn)換速度快、穩(wěn)定性能強(qiáng)，能與多個(gè)器件以及處理器連接，操作簡便。

2.5 獨(dú)立按鍵電路

設(shè)計(jì)選用三個(gè)獨(dú)立按鍵：K1，K2 和K3，分別與單片機(jī)的P1.1，P1.2 和P1.3 三個(gè)I/O 口連接。K1 為工作模式切換按鍵，按下K1 臺燈實(shí)現(xiàn)自動(dòng)照明模式與手動(dòng)照明模式之間切換。此設(shè)計(jì)中，臺燈照明亮度等級劃分為十檔，K2 為亮度增加按鍵，連續(xù)按下K2 逐漸增加照明亮度，K3 為亮度降低按鍵，連續(xù)按下K3 逐漸降低臺燈照明亮度。K2和K3 按鍵只能在手動(dòng)照明工作模式下才發(fā)揮作用。自動(dòng)照明模式下，臺燈的照明亮度取決于環(huán)境光照及是否有人。

2.6 照明電路

照明模塊采用獨(dú)立LED 燈結(jié)構(gòu)，模塊通過USB 接口與單片機(jī)控制電路連接。智能臺燈不用時(shí)，照明模塊可以獨(dú)立取下單獨(dú)保存，使用時(shí)通過USB 接口連接控制電路。這樣的設(shè)計(jì)使得照明模塊電路便于檢修和維護(hù)。

照明模塊內(nèi)部包含6 個(gè)并聯(lián)的白色LED燈，每個(gè)LED 燈各自串聯(lián)1 個(gè)限流電阻。照明模塊電路采用PNP 三極管S8550 驅(qū)動(dòng)，三極管基極串聯(lián)一個(gè)限流電阻后連接單片機(jī)P1.4 接口，三極管發(fā)射極接VCC 電源，集電極連接LED 燈后連到電源地。只要單片機(jī)P1.4 口輸出一個(gè)低電平信號，即可控制三極管導(dǎo)通，繼而點(diǎn)亮LED照明燈。

2.7 指示燈電路

設(shè)計(jì)中利用一個(gè)綠色發(fā)光二極管D1 與一個(gè)1KΩ 的限流電阻R5 串聯(lián)構(gòu)成指示燈電路。指示燈電路發(fā)光二極管的亮滅標(biāo)志著智能臺燈的工作模式：綠色發(fā)光二極管點(diǎn)亮?xí)r，臺燈工作于自動(dòng)照明模式。發(fā)光二極管熄滅時(shí)，臺燈工作于手動(dòng)照明模式。指示燈電路連接單片機(jī)P1.0 接口。當(dāng)按動(dòng)K1 按鍵，P1.0 口輸出低電平時(shí)，指示燈電路點(diǎn)亮，智能臺燈進(jìn)入自動(dòng)照明模式[5]。

3 軟件設(shè)計(jì)

接通電源，按下電源開關(guān)，系統(tǒng)進(jìn)入主程序流程：首先定時(shí)器及中斷系統(tǒng)初始化，系統(tǒng)上電后，模式指示燈綠色LED 燈點(diǎn)亮，示意系統(tǒng)上電后臺燈默認(rèn)進(jìn)入自動(dòng)照明模式，自動(dòng)采集當(dāng)前環(huán)境光照強(qiáng)度，對應(yīng)當(dāng)前環(huán)境光強(qiáng)，選擇對應(yīng)檔位亮度點(diǎn)亮臺燈。主程序接著循環(huán)檢測模式切換按鍵1 是否按下：如果當(dāng)前工作模式選擇為手動(dòng)控制模式，則程序調(diào)用手動(dòng)工作模式子程序。如果當(dāng)前工作模式選擇為自動(dòng)照明模式，則程序調(diào)用自動(dòng)照明模式程序。在手動(dòng)照明模式中，K2 和K3設(shè)計(jì)為亮度調(diào)節(jié)增減按鍵，通過按鍵K2 和K3 的增減功能，最終確定智能臺燈的當(dāng)前照明亮度等級。在自動(dòng)照明模式中，系統(tǒng)自動(dòng)采集當(dāng)前環(huán)境光照強(qiáng)度，并根據(jù)當(dāng)前環(huán)境光照，依照程序設(shè)計(jì)，控制智能臺燈實(shí)現(xiàn)對應(yīng)等級的照明亮度。環(huán)境光線越暗，智能臺燈亮度越大。本設(shè)計(jì)中，智能臺燈亮度等級設(shè)計(jì)為十級照明亮度等級。在智能照明模式中，臺燈照亮的同時(shí)，自動(dòng)檢測當(dāng)前環(huán)境是否有人，如果有人員活動(dòng)，則臺燈持續(xù)保持照明。如果人員離開，則智能臺燈延時(shí)1 分鐘后自動(dòng)熄滅，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的，圖2 為智能臺燈的主程序流程圖。

圖2 主程序流程圖

4 仿真調(diào)試

利用Proteus 仿真軟件，繪制本設(shè)計(jì)硬件電路。利用keil 編程，編譯成目標(biāo)代碼后，輸入仿真系統(tǒng)單片機(jī)芯片中。在仿真系統(tǒng)中，熱釋電人體紅外傳感器，用按鍵K4 開關(guān)代替，當(dāng)按鍵K4 按下時(shí)，代表有人。光敏電阻阻值隨環(huán)境光照強(qiáng)度變化用滑動(dòng)變阻器RV1 代替。系統(tǒng)上電后，仿真界面顯示綠色LED 指示燈D1 點(diǎn)亮，標(biāo)志著程序進(jìn)入自動(dòng)照明模式：按鍵K4 此時(shí)按下，代表人在，同時(shí)滑動(dòng)變阻器RV1 滑到最右端，代表當(dāng)前環(huán)境為最暗狀態(tài)，此時(shí)，照明LED 臺燈D2 達(dá)到最大亮度。自動(dòng)照明模式中，環(huán)境人在時(shí)，模擬環(huán)境亮度的滑動(dòng)變阻器從最右端滑動(dòng)到最左端，代表當(dāng)前環(huán)境由黑變亮，仿真中可以看到照明LED 燈D2 亮度逐級降低，直至熄滅。自動(dòng)照明模式下仿真電路如圖3 所示。自動(dòng)照明模式中，黑夜環(huán)境下，人體紅外模擬按鍵彈起，代表人員離開，則系統(tǒng)進(jìn)入延時(shí)倒計(jì)時(shí)，當(dāng)延時(shí)到1 分鐘時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)熄滅照明LED 燈D2，達(dá)到人走燈滅的效果。

圖3 自動(dòng)照明仿真圖

按下模式切換鍵K1，綠色LED 模式指示燈D1 熄滅，代表系統(tǒng)進(jìn)入手動(dòng)照明模式，此時(shí)，照明LED 臺燈D2 的亮滅完全受K2 和K3 亮度等級設(shè)定按鍵控制，光敏電阻感知環(huán)境亮度及人體紅外感應(yīng)失去控制作用。

5 測試

實(shí)物焊接制作檢測完成后，利用在線燒錄軟件STC-ISP 下載軟件將編譯后的.hex 機(jī)器文件燒錄到STC89C52 單片機(jī)芯片中[6]，插上電源，給系統(tǒng)上電，臺燈執(zhí)行智能照明模式：綠色LED 指示燈亮起，光敏采集電路開始工作，自動(dòng)采集環(huán)境光線，確定當(dāng)前照明亮度等級。人體紅外傳感器同時(shí)工作，人員離開超過一分鐘，則臺燈自動(dòng)熄滅，人在，則臺燈持續(xù)保持照明狀態(tài)。在自動(dòng)照明模式中，人來則燈開，人走，燈延時(shí)一分鐘熄滅。按下K1 模式切換按鍵，綠色LED 模式指示燈熄滅，系統(tǒng)進(jìn)入手動(dòng)照明模式，此時(shí)臺燈照明亮度取決于K2 和K3 按鍵的調(diào)節(jié)。人體紅外傳感器以及光敏感應(yīng)電路不再發(fā)揮智能感應(yīng)作用。自動(dòng)模式實(shí)物圖如圖4 所示。

圖4 自動(dòng)照明實(shí)物圖

6 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)并制作完成了一款基于STC89C52 單片機(jī)的智能調(diào)光臺燈。該智能調(diào)光臺燈設(shè)備由光敏電阻，ADC0832 模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，人體紅外線集成感應(yīng)模塊HC-SR501，獨(dú)立按鍵，STC89C52 單片機(jī)芯片等元器件構(gòu)成。設(shè)計(jì)中，利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器，采用PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)照明亮度十個(gè)等級劃分。

設(shè)計(jì)的不足之處在于此照明LED 燈的閃爍頻率僅為100HZ，而理想的閃爍頻率最好在200HZ 以上才能達(dá)到保護(hù)視力的目的，同時(shí)還需要考慮如何有效調(diào)低紅綠藍(lán)三原色輸出，且盡量調(diào)低色溫，才能最大程度保護(hù)眼睛和視力，降低頻閃和藍(lán)光的傷害。