基于单片机的多功能护眼灯

艾生辉+王泽华+温军+韩丁

摘 要：随着经济以及互联网的快速发展，手机以及更多的电子产片进入到人们的生活中来，近视问题变得尤为严重。多功能护眼灯通过红外检测传感器检测是否有人在使用护眼灯，通过光强度传感器检测周围亮度然后自动调节成最适合人眼的灯光亮度，减轻近视眼的患病机率。护眼台灯的研究，可以极大程度上减轻近视人口的比例，可以方便人们的生活，让人们的身心更加健康，防止了由于经常忘关台灯造成的能源浪费，可以减轻当下尤为严重的近视问题，以互联网为载体，带给人们快乐，带给人们不一样的感受。

关键词：单片机；护眼灯；节能

中图分类号：TS956.2 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）30-0025-02

1 概述

21世纪是信息时代，物联網的时代，所以，任何东西都将与网络息息相关，因此我们的“智能”台灯将紧跟时代的步伐，让它与网络紧紧的靠在一起，它可以具备电脑的功能，由App软件控制，手机就相当于它的遥控器。从能源方面而言，能源的浪费和不可再生是一个很重要的问题，我们应该抓住这一点，使“智能”台灯做到真正意义上的节能减耗，做到“有人我开，无人我关”的地步。我国人口近视发生率为33%，是世界平均水平22%的1.5倍，近视眼疾病同样是个不可忽视的问题。

2 国内外研究现状

针对当今国内外科技的发展，智能台灯在国外渐渐兴起，国内也步步紧逼，例如：在国外，一款名为Ario的智能台灯进入Kickstarter众筹，受到广泛支持。国内也几乎同时开始在此领域取得了初步成果，例如前不久发布的小米智能台灯，在节能、护眼、物联网、App等方面做的也很考究。相信在不久的将来这样类似的科技成果将会越来越多，谁又能说小科技不会带来大变革？当今科学研究正在步入物联网技术所引领的时代，物联网的发展将会赋予这些生活上的小科技更大的活力与前景。但是仍然有许多的问题亟需解决，经济发展中低碳环保、节约资源是重中之重，而研制过程中却必不可少造成一些资源、材料浪费；同时，社会发展仍然不是很平衡，产品价格的是否合理将直接决定该产品能否普及，这就涉及到了研发时要保证低能耗、低浪费等问题。因此要想使此项产品具有更加广阔的发展前景，这些问题亟需解决，如此，才能更加便民，有利于营造更加舒适、健康、环保的生活。而我们的“智能”台灯，则主要以减轻当下尤为严重的近视问题为主，以互联网为载体，带给人们快乐，带给人们不一样的感受。

3多功能护眼灯设计

3.1 人体的状态分析

当人坐在台灯前方时，人的坐姿坐态极大程度上影响了人的健康。人的头部、颈部以及胸部都与台灯有一定的距离，这就是所谓的安全距离。为了解决学习者，特别是青少年儿童的错误坐姿，国内已有许多学者和科研人员做了深入研究。纵观目前市场上的产品，大部分都是通过物理类的矫正器，如耳挂式坐姿矫正器、脊椎矫正器等来对人体坐姿进行强行矫正，这是从物理角度起到预防近视的目的。但是，这类矫正器使用非常不便，要求学生长期佩戴才能起到一定的效果，而长时间佩戴矫正器可能会导致孩子们的不适甚至厌烦。

针对上述问题，本文设计并开发了基于单片机的多功能护眼灯，在不需要任何物理器具辅助的情况下，通过单片机智能检测人体坐姿。当距离过近时，台灯就会发出报警提示，提示使用人规范自己的姿势，直至达到我们所预定的安全距离。通过这种方法可以在一定程度上更好地使使用人规范姿势。

3.2 红外检测传感器

正确的坐姿主要包括两方面的要求，一方面是双肩位置不能歪斜，要坐立端正；另一方面要求学习者的身体与桌面保持合适的距离，以使眼睛保持在舒适的状态。为了避免物理矫正带来的麻烦，本文采用了非接触式的红外传感器作为检测元件。红外测距传感器首先将红外信号发射出去，遇到障碍物后红外信号将被部分反射回来，障碍物离光源距离越近，反射强度越大，因而可以进行障碍物远近的检测。考虑到人体可能穿着不同反射特性的衣服，以及周围环境的不稳定因素，红外测距传感器同时利用其传播时间来精确计算学习者到台灯之间的距离。

本文的方案是在台灯上安装三个红外传感器用于检测人体坐姿，如图1所示。其中1与2两个区域分别检测使用者的坐姿，3检测其距离。当距离过近时，台灯会发出相应的语音提示，提醒学习者向后调整位置；反之，当学习者距离台灯过远时，台灯也会发出相应的语音提示。三个传感器直接配合达到调整坐姿的目的。当三个都没有检测到的时候，说明没有人使用它，自动关闭台灯减少能耗。

3.3 周围光照强度检测

考虑到不同的环境需要不同的光照强度来适应人们的眼睛，因为我们的台灯的照明方式选择的是直流供电，在其内部选择加入直流电源。要实现LED灯亮度的智能自动控制，就需要提前计算出一个适合学习的亮度，然后输入到寄存器中作为参考亮度。另外还需要一个外界光照传感器来对这个控制系统进行反馈。当检测到内部直流电源变化或者是周围环境的光照强度的改变时，微处理器通过对传感器穿来数值的分析和计算，计算出LED灯应该提供多少亮度的光照补偿，进行补偿后，再由传感器将数据传回，再分析，如此循环反复，以达到一个及时监控和将亮度维持的效果。具体原理如图2所示。

3.4 PWM调光控制

智能台灯须在LED全亮和熄灭之间显示许多不同亮度。LED亮度控制方法可分为模拟调光和PWM调光两种。模拟调光通过改变LED电流来调整亮度，简单的模拟调光机制只能满足一般照明的要求而无法满足学习者对台灯的智能灯光控制。

本文采用了PWM调光控制方案。PWM调光通过开启和关闭LED来改变正向电流导通时间以达到亮度调整效果，这种技术既能降低亮度，又能精确调节亮度。LED以最大电流导通，避免出现色偏移问题。通过100Hz以上频率的PWM波来控制LED电流，避免造成灯光闪烁。当需要调节LED亮度时，只需要旋转台灯的按键来改变PWM的占空比，即可轻易实现台灯亮度调节。我们的眼睛可平均LED的导通和截止时间，以造成LED变暗的感觉，其亮度则与LED导通负载周期成正比，脉冲导通电流可以很好地实现精确亮度控制。

4 结束语

本项目不仅具有一般灯具所具有的护眼功能，更是加入了智能控制，能够使用移动手持设备进行多功能操作，例如播放音乐，设置闹铃，时钟显示，智能感应，改变光的氛围等等。目前市面上所出现的灯具大多都是节能护眼灯，价格具有普遍性，在市场上没有太多的优势，只有少数商家生产的智能灯，功能强大，在市场上独占一席，但售价不菲。

现在人们的压力都很大，所以减压功能是一个必不可少的利器，比如增加音乐播放功能，视频播放功能以及人机对话功能，极大程度上做到减轻压力。身为父母，我们肯定不希望自己的子女将来有近视眼的疾病。对于成年人而言，我们的护眼灯同样有用，适用于各种阶段的人群，其节能的特点更是符合当代潮流发展，并且符合市场的需求，有很大的发展空间。

参考文献：

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[3]李光飞.单片机C程序设计实例指导[M].北京：航空航天大学业出版社，2005，9.

[4]王淼.多功能护眼灯的设计[J].科技创新与应用，2015（14）：45.endprint