智能LED台灯的设计与实现

成凤敏

(唐山学院 信息工程系，河北 唐山 063000)

智能LED台灯的设计与实现

成凤敏

(唐山学院 信息工程系，河北 唐山 063000)

为解决传统台灯耗电量大，易造成视觉疲劳，无护眼功能等问题，设计了一种多功能智能LED台灯，实现了通过检测用户而自动开启或关闭、亮度调节以及用户坐姿提醒等功能。

LED；智能台灯；单片机；红外传感器；PWM

0 引言

台灯的光源一般有白炽灯和荧光灯。据相关数据显示，白炽灯只有5%的电耗用于发光照明，其他全都被转换成热能消耗掉，夏天使用甚至会使人有灼热感。由于白炽灯灯丝发光较集中，因此其功率稍大就会产生眩光，反之，又会造成亮度不够。普通荧光灯的台灯，由于供电方式的原因导致其亮度不可调节，易造成能源浪费。同时，因其供电电源频率为50 Hz，属于低频率的频闪光，会使人眼的调节器官处于紧张状态，易导致视觉疲劳[1]。

针对这些问题，设计出一种基于LED的智能台灯。LED被认为是21世纪的照明光源。其光效高、工作电压低、能耗低、无辐射，同样亮度下能耗为白炽灯的10%、荧光灯的50%。智能LED台灯的设计，符合家电的低碳设计理念，同时具备智能化与人性化。

1 方案设计

系统以单片机为核心，采用LED新型照明方式，比传统照明更加节能环保，也更加便捷。系统结构如图1所示。方案设计如下。

(1)通过光敏电阻，采集环境光线强度，据此改变PWM信号占空比，进而控制LED驱动器调节台灯亮度，实现5级PWM调光控制，以便于人机交互设置信息。

图1 系统整体结构框图

(2)通过热释电红外传感器1(放置在台灯的灯柱上)对人体红外线进行检测，检测用户是否存在，以便控制LED台灯的开启或关闭，实现人来灯亮，不必摸黑开灯，人走灯关，使设计更加节能与人性化。

(3)若用户存在，通过热释电红外传感器2(放置在台灯的底座上)检测用户到桌面的距离。当用户坐姿不正确时，可通过语音提醒用户纠正坐姿。

(4)具备智能调光和手动调光两种工作方式。智能调光根据环境光强自动调节台灯照明亮度，使台灯产生合理光强；手动调光通过人为调节，使台灯保持合适光强。两种调光方式可起到保护视力的作用。

2 硬件设计

整个系统主要包括台灯模块、单片机模块、红外感应模块、液晶显示模块、按键模块等。按照图2，各模块设计如下。

图2 主控系统电路图

2.1 台灯模块

采用20个LED作为发光源，为了节省I/O口资源，LED全部采用并联方式，并和1 kΩ电阻串联来限流。当工作在智能调光模式下时，需要光敏电阻感应外界光照强度来调节自身亮度。在有人的情况下，若室内照度X>200 lx(勒克斯)，LED台灯不开；若室内照度X<200 lx，LED台灯开启，LED释放到室内的平均照度E=200-X。当工作在手动调光模式下时，通过用户调节PWM输出来调整亮度。

2.2 单片机模块

采用STC89C52单片机作为主控芯片，P0口外接10 kΩ上拉电阻，P0.0-P0.7作为液晶显示器1602的数据接口。P2.0-P2.2分别连接1602的数据/命令选择端RS，读/写选择端RW，使能端EN。P1.3作为PWM信号的输出端，用于PWM调光控制。P3.4，P3.5，P3.6，P3.7分别连接S8-S11按键(按键功能见2.5)。

2.3 红外感应模块

人体红外感应模块通过热释电红外传感器、集成电路BISS0001和菲涅尔透镜共同控制。BISS0001是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路[2]。1脚接电源VCC，3脚接地，2脚通过NPN型的三极管接至单片机的P3.2口。由于该传感器带负载的能力较弱，可加一个三极管作为驱动电路，当P3.2口为低电平时有效。检测距离通过软件调节。为了提高探测器的灵敏度以及增大探测距离，在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70 dB以上，可以测出10～20 m范围内人的行动[3]。

2.4 液晶显示模块

采用专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块LCD1602。1602指显示的内容为16*2，即可以显示两行，每行16个字符。采用并行操作方式，第一行显示工作模式，工作在外部感应模式时，第一行显示“OUT”字样；工作在手动模式时，第一行显示“HAD”字样。第二行显示亮度，分别为：20%，40%，60%，80%，100%，共5个等级。

2.5 按键模块

由S8-S11 4个按键组成，其中S8为开关键，S9为模式调节，S10为亮度调节数值减小键，S11为亮度调节数值增大键。

3 程序设计

3.1 主程序设计

系统初始化并检测各按键状态。当S8按下时，PWM由初始化的0取反，变为1，则LED灯呈现20%的亮度。之后检测S9是否按下，按下之后，Num即会加1。当Num=1时，为自动模式；当Num=2时，进入手动模式。手动模式中，包含加减按钮，可通过增加或减少PWM值改变LED灯亮度。5级亮度对应的PWM值分别为1，2，3，4，5。

3.2 红外感应程序设计

当用户在热释电红外的探测范围内活动并且环境光强较弱时，台灯逐渐点亮。当用户离开，延时一段时间后台灯逐渐熄灭。在程序中体现为PWM控制，在自动控制模式下，当有人在1 m范围内，PWM不为0，灯始终亮，超出范围1 min后PWM=0，LED灯自动熄灭。具体程序代码如下：

sbit IR1=P3^2；//红外人体

sbit IR2=P2^5；//距离感应

CA_PWM0=0x00；//控制占空比的第九位为0

PCA_PWM1=0x00；//控制占空比的第九位为0

PCA_PWM0=0x00；//控制占空比的第九位为0

PCA_PWM1=0x00；//控制占空比的第九位为0

//CCAPM0=0x42；//允许P13作为PWM输出

//CCAPM1=0x42；//允许P14作为PWM输出

CR=1；//启动PCA计数器

CCAP0H=0；

CCAP1H=0；

3.3 PWM调光程序设计

PWM脉冲信号高低电平决定LED的通断状态。将定时器溢出中断定为1/2 500 s，每5次脉冲作为一个周期，即频率为500 Hz。这样，在每1/500 s的方波周期中，通过改变方波的占空比，实现5级亮度调节，即LED亮度等级由每个周期内的高电平脉冲数目决定。当高电平脉冲数目为1时，占空比为1/5，LED亮度最低；当高电平脉冲数目为5时，占空比为1，LED亮度最高。具体代码如下：Void pwmint()

{

CCON=0； //PCA初始化

CL=0； //PCA的16位计数器低八位

CH=0； //PCA的16位计数器高八位

CMOD=0x00；

f=sysclk/256/12；///12为计数脉冲，PWM的频率

CCAP0H=0X00；//占空比控制

CCAP0L=0x00；

CCAP1H=0x00；//占空比控制

CCAP1L=0x00；

PCA_PWM0=0x00；//控制占空比的第九位为0

PCA_PWM1=0x00；

ADC_Power_On()； //开AD电源

P1M0|=0x01； //设P1_0为开漏模式 如：P1_0=#00000000B

P1M1|=0x01；

ADC_CONTR=0xe0； //设置P1.0为输入AD转换口

delay(50)；

pwmint()；

CCAPM0=0x42；

num=0；

swfl=0；

4 结论

系统简单易行，实用性较强。采用LED能提供安全优质的光环境，提升照明系统的光效，并且没有红外和紫外的成分，可改善眩光，减少和消除光污染，同时保护用户眼睛。当房间亮度不够且有人在附近时，LED智能多功能台灯便会自动开启，省去了黑暗中找开关的麻烦。

[1] 金衡，邓松坤，宛铮，等.LED智能多功能台灯[J].科技视界，2012，4(11)：36-37.

[2] 周景雷.新型多功能控制LED台灯[J].电子技术，2011(5)：43-44.

[3] 位永辉，杨威.基于BISS0001的智能台灯设计[J].电子元器件应用，2010(7)：32-34.

(责任编校：白丽娟)

Design and Implementation of the Intelligent LED Desk Lamp

CHENG Feng-min

(Department of Information Engineering， Tangshan College， Tangshan 063000， China)

In order to remedy the shortcomings of traditional lamps， such as heavy power consumption， visual fatigue， and no eye protection， the author of this paper has designed a multi-functional intelligent LED lamp， which automatically turns on or off by detecting whether the user is close by ， adjusts the brightness and reminds the user about his sitting positions automatically.

LED； intelligent desk lamp； MCU； infrared sensor； PWM

TN312.8

A

1672-349X(2015)03-0034-02

10.16160/j.cnki.tsxyxb.2015.03.012