摘要：随着用户对台灯要求的不断提升，针对传统台灯功能单一且辐射大、高频闪、偏色等缺点，设计了一款可用手机进行远程控制并具有显示、检测、报警及自动调节亮度等多功能的智能台灯。其硬件部分由测量模块、显示模块、按键模块、报警模块、灯光模块等组成。通过测量模块检测人与台灯之间的距离；显示模块通过LCD显示屏显示台灯的基本信息；报警模块通过蜂鸣器发出声音提醒使用者纠正坐姿；灯光控制模块根据环境信息并结合PID控制算法，能够得出当前环境最佳光线的调节方案。最后进行了实物制作与调试。结果表明：所设计的台灯能够根据外界环境自动调节灯光的亮度；可测量人体与台灯的距离，在距离过近时会报警；可以设置时间，当到达预设时间时发出语音播报；该系统操作简单，运行稳定，功耗低。

　　关键词：台灯；STC89C52；液晶1602；光敏电阻

　　Design of Multifunctional Desk Lamp Based on Single Chip Microcomputer

　　Wang Jun，Zhang Yawan，Zheng Yongtao

　　(School of Mechanical and Electrical Engineering,Guangzhou Huali University,Guangzhou 511325,China)

　　Abstract:With the continuous improvement of users′requirements for desk lamps,in view of the traditional desk lamp function of a single,large radiation,high frequency flash,color and other shortcomings,a mobile phone for remote control and display,detection,alarm,and automatic adjustment of brightness and other functions is designed.Its hardware part consists of measurement module,display module,key module,alarm module,lighting module and so on.The distance between the person and the desk lamp is detected by using the measurement module;the display module displays the basic information of the desk lamp through the LCD display screen;the alarm module sends out a sound through the buzzer to remind the user to correct the sitting posture;according to the environment information and the PID control algorithm,the light control module can get the best light adjustment scheme in the current environment.Finally,the physical production and debugging are carried out.The results show that the designed lamp can automatically adjust the brightness of the light according to the external environment;by using the lamp,the distance between the human body and the lamp can be measured,when the distance is too close,an alarm will be issued;by using the lamp,the time can be set,when the time is reachedup,a voice broadcast will be issued.The system is simple to operate,stable and low power consumption.

　　Key words:smart desk lamp;STC89C52;LCD1602;photoresistor

　　0引言

　　随着经济发展水平的不断提高升，智能化家居逐渐融入日常生活，台灯作为人们生活中的常用家电，仅作为照明已不能满足生活需求。近年来我国青少年近视发生率呈现明显上升趋势，造成近视的一大原因是用眼不当，如用眼过度、灯光过于昏暗或过于刺眼等，这使得人们对台灯的要求越来越高[1]。国外较多企业和研究所将视力保护纳为重要研究项目，致力于研究视力下降的原因。有专家提出，健康使用眼睛和合理的饮食能够减少视力的下降。从另外一个角度来说，就是保持良好的用眼习惯可以避免视力下降[2]。目前具有保护视力和提示预警等多功能的台灯较少，而且学生群体较为庞大，使用台灯的人数也较为庞大，家长或者学生自身都需要具有保护视力、自动调光、时间预警等功能的智能台灯。因此，设计一种多功能智能台灯系统，对保护视力具有重要意义。本文从以上角度出发，设计一款可根据周围环境自动调节亮度，长时间使用下可进行预警提示等多功能台灯，并结合实际使用需求，能够制定工作时间和学习时间，提醒使用者纠正不良坐姿等。此款台灯融合了现代计算机技术，利用物联网开关模块可实现远程控制，弥补了传统台灯的不足，使得人们的生活更加智能化[3]。

　　1系统总体设计

　　该智能台灯系统以STC89C52单片机为主控器，由人体感应模块、测距模块、显示模块、按键模块、电源供电模块、报警模块、光照采集模块以及灯光控制模块构成。图1所示为智能台灯系统总体框架[4]。

　　2硬件设计

　　2.1电源电路设计

　　台灯采用5.0 V电源供电，LM2596S输出3 A驱动电流，内部含有固定频率振荡器和基准稳压器，具有完善的保护电路、限流电路等，可以提供3.3、5、12 V等小于37 V的各种电压[5]。主控芯片与供电电路如图2所示。

　　2.2光照采集电路

　　在该系统中，光强变化时会引起光敏电阻发生变化，中心处理器根据电阻值的变化进行控制，但微控制器为数字芯片，因此单芯片机无法直接收集电阻值模拟量的变化，需要模拟-数字转换芯片[6]。ADC0832模拟数字转换芯片被用于模式转换聚光电路中的模拟数字转换器。光照采集电路如图3所示。

　　图3中，R4为光敏电阻，光敏电阻一端与GND相连，另一端经过一个10 kΩ的上拉电阻后与ADC0832的CH0引脚相连。ADC0832共有8个引脚，除了第4引脚和第8引脚分别为GND和VCC外，其他均为数据传输引脚。其中，D0和D1引脚为信号输入和信号读取引脚，但由于D0端与D1端在通信时并未同时有效且与单片机的接口是双向的，电路设计时可以将D0和D1并联在一根数据线上使用。因此在本设计中将它们合并在一起和单片机的一个引脚连接[7]。

　　2.3显示电路

　　LCD1602与单片机的接口电路如图4所示。LCD1602液晶显示器共有16个引脚，其中第1个和第2个分别是电源正极和负极，第15个和第16个分别是显示器背光的正和负极。第3个调节显示器显示文字对比度，第2个引脚通过调整电位器连接到液晶显示器的第1个引脚的负极和液晶显示器的显示画面。显示器的第3~5引脚分别连接到液晶显示器的命令输入、数据输入和有效性分别为P1.0、P1.1和P1.2的3个接口[8]。

　　2.4按键电路

　　独立按钮电路连接到微控制器的数据传输接口。各微控制器数据传输端口的状态与其他按钮相互不干涉。在这个按钮电路的设计中，按钮模块以有效的方法工作。不同的键盘识别、简单的编程、单芯片只需在单芯片微型计算机上读取引脚状态即可，高电平不按按钮。低电平情况下，延迟10~20 ms后读取数据后按下按钮5。SM89C52的P3.4、P3.5、P3.6、SM89C52的P3.7IO接口连接到按钮的一端，按钮的另一端连接负极或接地。按键部分电路如图5所示。

　　2.5灯光部分电路

　　灯光电路由3个LED灯、PNP三极管、4个电阻等构成。由于驱动LED灯不能直接被单片机的IO口驱动，所以在电路中添加了1个三极管用于放大信号。当三极管导通时，电流从正极流向LED[9]。即使控制三极管导通的电流很小，但有了三极管后，单片机的IO口也可以驱动LED。R8、R9和R10是分压电阻，这是因为LED灯的额定电压在2 V左右，而VCC处的电压为5 V，LED灯会容易因电压过高而烧毁，因此在LED灯的电路上串联电阻以起到分压的作用。三极管的基极与P3.3口相连，只需要控制P3.3在低电平，灯光电路就可以运行。灯光部分电路如图6所示。

　　2.6蜂鸣器报警电路设计

　　蜂鸣器报警电路由蜂鸣器、LED、2个1 kΩ电阻、PNP三极管组成。采用PNP三极管的原理，蜂鸣器报警电路与灯光部分电路相同，作用是放大信号，单片机的IO口驱动能力不足，不能直接控制LED灯，所以加1个三极管[10]。三极管发射极处有1个闭合电路，该闭合电路由蜂鸣器、LED、电阻构成，由于VCC处的电压为5 V，LED的电压为2 V，为防止LED灯因过高电压而燃烧，用1 kΩ电阻实现分压作用。单芯片微型计算机只需控制三级管的状态即可实现LED发光和蜂鸣器发声。三端双向可控硅开关元件的底部连接到单芯片P1.6，因此只控制低水平P1.6端，蜂鸣器报警电路就处于工作状态。蜂鸣器报警时，LED将发出红色的灯光，以此警示使用者。蜂鸣器报警电路如图7所示。

　　2.7超声波测距电路

　　在超声波测距电路中，TRIG连接微控制器的P2.3接口。这是超声波触发端口，微控制器可以通过这个端口控制超声波传感器工作。回声连接微控制器的P2.4接口。这是超声波传感器的返回口，主要将接收到的信息通过该端口输送到单片机。而VCC和GND是超声波传感器的电源正负极。超声波测距电路如图8所示。

　　2.8人体感应电路

　　人体感应电路主要由人体感应模块、电阻和电源正负极组成[11]。人体感应模块的核心是红外线。在该系统中，检测电路将HC-SR501作为人体感应模块使用。人体感应电路中OUT端口为输出端口，当内部电路的红外线感应到人体时，将通过OUT端口输出信息，传送到单片机中。人体感应电路连接如图9所示。

　　2.9物联网平台控制

　　利用物联网开关模块实现智能台灯，将电源线接入物联网开关的输入端，台灯接入物联网开关的输出端，此时物联网开关会自动生成一个“ESP_”开头没有密码的AP配置热点，用手机打开WIN管理页面搜索并连接。连接成功后，打开手机浏览器，在浏览器地址处输入IP，进入设备的配置页面，按照提示，填写相关信息[12]，或者使用App“疯狂物联”进行配置。配置成功后物联网模块会关闭AP配置热点，用机会自动连接到当前的WiFi网络中，手机上网后，打开浏览器，输入08y.net进行物联网管理平台，用QQ快捷登录物联网管理平台后，添加设备。由于物联网开关和传感器相连，用红外传感器自制人体红外感应灯，并可用手机对其进行远程控制，也可用其他传感器制作不同类型的感应台灯[13]。

　　3系统测试

　　根据一般的调试顺序，首先进行最重要的硬件系统调试，消除系统的硬件故障，然后进行软件调试，最后进行系统结合。常见故障有：逻辑错误、元器件问题、元器件受到干扰、电源问题[14]。调试方法有：(1)在实物没有接通电源之前首先用万用表检查实物的引脚及导线是否导通；(2)检查元器件的规格是否与产品的设计规格相同；(3)键检测系统总线和其他信号线是否短路短；(4)必须事先准备好商品电力，调试成功后才连接到电路上。上述调试可以发现并排除一些故障。对于程序的调试，主要观察LCD显示的内容是否符合整个系统的要求，显示的时候是否出现乱码，以及显示是否已安全初始化等。然后，对其他模块进行调试，从按键部位开始操作，在按下K1后，观察工作模式下的LCD显示情况，是否显示A/D的转换数值以及光照强度的数值。当再次按下按钮时，整个电路开始进入下一个工作模式，同时进入手动模式。经观察，整个工作系统正常运行，达到了预期的设计效果，表明按键程序的编写无误。当按下K1和K2按键时，液晶显示屏上的数字也相应地发生了改变，其显示的参数也符合设计要求。

　　4实验结果分析

　　在基于单片机的多功能智能台灯设计中，电路设计和软件编程会产生大量的数据，尤其在软件运行过程中，系统都是根据数据指令进行操作。在该设计中，主数据是根据多次实验得出的光强照度数据，再由这些数据设定光照度阈值。每2 h取得1次照明强度，并制作了如表1所示的照明强度比较表。由表可知，19点(日照良好)时天空变暗，需要打开。因此，控制系统检测到光照强度不足300 lx，此时可将LED的光照强度设定为300 lx。

　　除光强度数据外，液晶显示装置在动作中显示多个数据，主要以字符串的形式显示。当接通电源并按下电源开关后，显示屏上的Light是目前环境的光照强度；Time是台灯的工作时间；13 cm是台灯到人体的距离。如若按下设置键，可显示set-D、set-T、set-GL 3个设置值。set-D表示设置台灯到人体的距离；set-T表示设置台灯的工作时间；set-GL表示设置光照强度。实验时设置距离为30 cm，当使用者与台灯之间的距离小于这个值时，蜂鸣器会发出声音，并且红色LED灯发光。设置距离可以通过“加”键或者“减”键实现增加或减少，它可以有效预防近视。设置台灯的工作时间为45 min，当台灯工作时间到达预设值时，LED灯熄灭。这个值可以通过“加”键或者“减”键来增加或减少。设置台灯工作时间，可以有效纠正使用者久坐的习惯。设置台灯的光照强度为150 lx，当周围环境的光照强度低于这个值时，LED灯发光。通过分析数据和显示器的直观显示，可以清楚地、视觉化地判断系统的健康状态，为系统的良好操作提供强有力的保证。

　　5结束语

　　本文使用STC89C52单片微型计算机作为主芯片，使用模拟-数字转换芯ADC0832，采用传感器技术设计了一款多功能智能台灯控制系统。主要结论如下。

　　(1)该控制系统能够实现检测使用人与台灯之间的距离并提醒使用者矫正坐姿；可显示台灯的基本信息和光照强度，具有根据环境调节亮度的功能。

　　(2)光源信号由光强度功率信号收集，并且可以获得光强度的特定值。当模拟-数字转换器获得数值之后进行设置时，若打开智能去扰器，与低于该值的值相比，可以获得节能效果。

　　(3)可对使用者的坐姿进行检测和纠正，增加了坐姿纠正系统，系统可发出声音和红灯常亮，提示使用者纠正坐姿。可利用手机对台灯进行远程控制。

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