一种智能台灯的设计与开发

2018-01-25马国强辛永田连梦想于淑卿薛磊

物联网技术 2018年1期

马国强辛永田连梦想于淑卿薛磊

摘要：文中设计实现了一种基于PWM调光的智能台灯。可将单片机技术与PWM调光技术相结合，实现台灯光强的调节。在不改变PWM方波周期的前提下，利用单片机控制PWM占空比，从而改变电压大小，调节灯光亮度。当人体在台灯感应范围内且环境光线较弱时，台灯会自动打开，且灯光亮度会随环境光线的改变而自动调节，一旦人体离开台灯感应范围后，即红外热释传感器检测不到人时，台灯将在1分钟后自动熄灯。该设计通过亮度的自动调节和人体检测控制台灯开关来达到绿色节能的效果。同时为了提高本设计的适用范围，还加入了手动控制模式，在该模式下，台灯亮度由按键调节，使得该台灯对部分特殊情况也具有较好的适应性。

关键词：单片机；智能；PWM；人体感应

中图分类号：TP274.+4；S817.3 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）01-00-03

0 引言

随着全球气候变暖与能源危机的加重，绿色节能成为影响人们生活各方面的重要因素，通过不断的探索，人们开始寻找各种节能产品。

目前，大多数台灯功能单一，无法随心控制台灯亮度，满足人们在生活中对电器的智能化要求，更无法进行人体感应，严重浪费了资源。而文中设计的智能台灯则很好地解决了这一问题，能够在外界环境光线较暗时自动开启，使用方便快捷，避免了人们在光线较暗时寻找台灯的繁琐，极大地提升了使用便捷度。

随着智能化时代的到来，智能产品层出不穷，已逐步渗入到人们工作和生活的方方面面。

当前，患有近视眼的人数越来越多，我国近视眼发病率尤其突出。由于没有正确使用台灯，当光线变得昏暗时忘记及时打开台灯，或者长时间在高亮度的台灯下工作，久而久之，都会对视力产生一定的影响。虽然市场上已出现了具有调亮功能概念的台灯，但其仍不具备成熟的自动调亮功能。本设计所制作的智能台灯具备手动和自动调节两种模式，同时还加入了人体检测功能，可实现人走灯灭。在保护视力的同时，也为节能环保做出了一份贡献。

1 系统总体方案设计

1.1 所需电子器件与软件开发环境

所需电子器件主要包括STC89C52单片机1台，单片机座子1个，12 MHz晶振1个，30 pF独石电容2个，10 μF电解电容1个，1 kΩ电阻1个，10 kΩ电阻2个，轻触开关3个，USB小灯1个，USB灯座1个，光敏电阻1个，ADC0832模数转换器1个，ADC0832座子1个，绿色LED指示灯1个，S8550（PNP）三极管1个，人体红外热释传感器1个，热释传感器座子1个，电源开关1个，电源座1個，9×15洞洞板1张，导线若干，电源线1根，下载线1根，30 W电烙铁1个，焊锡若干。

软件开发工具主要包括：Keil，即开发环境，可编写C语言程序，生成hex文件；STC-ISP软件，即程序烧写软件，经下载，可将hex文件烧写到单片机中；支持串口通信的计算机一台，可与单片机通过串口通信；Proteus仿真软件，该软件可根据原理图进行实物模拟，观察效果。

1.2 智能台灯的主要功能特点

在原有台灯的基础上，经过改装使台灯变得智能化，实现节能、环保的效果。当人体在台灯范围内且环境光线较弱时，台灯自动感应开灯，且灯光亮度随着环境光线的改变自动调节，一旦人体离开了台灯感应范围，即红外热释传感器检测不到有人存在时，台灯将在1分钟后自动熄灭。该设计通过亮度的自动调节和人体检测控制台灯开关实现了绿色节能的效果。为了提高本设计的适用范围，还加入了手动模式控制，在该模式下，台灯亮度由按键调节。系统总体流程如图1所示。

1.3 智能台灯的控制器

采用单片机作为系统控制器。单片机是一种容易编程且可擦除器件[1]，控制能力强，具有高可靠性，便于设计，复用性强，易于编程，趋于小型化，工作时可以采用5 V电源供电，功率较低。

1.4 智能台灯的显示方案

普通照明灯具通常采用可控硅进行调光，但这种方法会带来光色谱的变化，不利于防治近视。本设计采用脉宽调制方式（PWM）调节光线[2]，PWM将模拟信号转换为数字编码，利用波形的占空比调节信号编码[3]。PWM是数字信号，优势颇多，通过编程实现较为方便，且调光范围较广，精度较高，经调节后的光线不会产生色差，可以很好地与单片机融合，符合设计要求。

2 设计方法与技术

首先进行可行性分析，之后进行需求分析，并根据需求绘制系统框图，设计原理图。通过设计的原理图进行电路仿真，验证电路设计的可行性。并根据电路图焊接电路，完成编码工作，通过不断的调试代码，使单片机满足最初的需求。最后测试结果的正确性和功能的完善性。系统框图如图2所示。

2.1 最小系统模块

该设计的最小系统如图3所示，是主要由晶体振荡器构成的晶振电路，负责产生稳定的正弦波与电路起震。在单片机出现故障或者突发情况导致程序跑飞时，恢复复位电路。

电源部分可用5 V的USB直接供电，如手机充电器，电脑USB口，移动电源等。

2.2 LED照明电路模块

LED灯照明电路如图4所示。本设计使用USB小灯作为照明设备，其中6个白色LED灯串联6个电阻。使用该USB小灯不仅简化了设计，且外形更加美观，更接近实际台灯的外观。本设计的LED模块采用PNP三极管控制[4]，单片机输出0 V时，LED灯点亮，但需依靠电阻分压限流来实现。单片机IO口只需输出一个低电平信号便可控制三极管导通，继而点亮LED灯。

2.3 光照强度采集电路模块

光照采集电路模块的核心是光敏电阻，通过ADC0832将模拟量转换为数字量，方便单片机直接处理。当外界光线变亮时，光敏电阻自身阻值变大，台灯变暗。其阻值与外界环境成反比，较容易采集模拟量，在电路设计中能较好地与ADC0832结合，控制方便。

该智能化设计采集的外界光照为模拟量，不同于单片机可直接处理的数字量，因此需要采用ADC0832模块进行模数转换，该模块内部含有8个端口，CS端为片选端，低电平时有效。CH0和CH1为模拟信号输入端。该模块在很多设计中都发挥出了独特的优势，将一些不易直接处理的模拟量转换为数字量，以简化设计。光照强度采集电路如图5所示。

3 硬件组装与调试

3.1 元器件的选择与测量

本设计的核心为STC89C52，这是一款具有代表性的典型单片机，拥有负责产生正弦波的晶振，限流分压的电阻，可维护电路稳定性并有充放电功能的电容，可控制模式切换的开关，电源开关和亮度增减开关，控制电路导通的三极管和具有指示功能的发光二极管，进行模数转换的ADC芯片，可感应人体的红外热释传感器等。这些元器件的选择要符合一定规则，例如电阻和电容的大小都应经过精确的计算，以避免烧毁电路。

3.2 元件的焊接与组装

使用30 W的电烙铁根据原理图焊接电路，在焊接时应充分考虑节点是否牢固等问题，边焊接边测试。焊接时要合理安排布线，仔细辨明元件的正负极，不仅应确保连线排版简单方便，更要将所有地线连在一起，形成一个公共参考点。焊接时需要细心，有耐心，避免因一点焊接错误而导致设计损毁，因此事先应找一些练习器材提前熟悉。电路焊接时应尽量避免虚焊和短路等状况发生。

3.3 调试步骤

（1）通电前检查

电路焊接好后，对比原理图，查看实物图是否与原理图一一对应，元器件之间的连线是否正确，若发现错误则及时改正。也可以请同学帮自己核查。待做好所有准备工作后进行通电测试。

（2）通电观察

电路焊接好后，在没有错误的情况下，进行通电观察，上电前检查连线是否松动，虚连，或存在连线太长等情况。通电后观察电路中是否有元器件烧坏或短路现象，发生故障时立即断电，切勿用手直接触摸，防止人體自身导电将电路短路。故障排除后再次通电，进行局部功能测试，考察设计是否满足最初的需求。待系统工作稳定后记录现象。

（3）单元电路调试

单元电路指电路中某一部分具有特定功能的电路，可单独进行调试。检测并记录每部分电路的电压是否正常，并统一调试，对比每部分电路和整体电路间是否存在误差，以保证电路顺利调试。

（4）整机联调

整机联调借助整体性思维测试整体功能效果，但该方法存在一些弊端。电路整体性能好，并不代表每一部分电路性能都好。每一部分电路性能好，也不代表整体电路就好。整体联调的目的在于解决整体和部分调试时存在的差异，使得电路健壮性更好。

4 结语

本设计把单片机技术、传感器技术和PWM调光技术相结合，实现了台灯光照强度的智能化、自动化调节，达到了绿色节能的效果。同时为了扩大使用范围，加入了手动模式控制，在该模式下，台灯亮度由按键调节，使得该智能台灯在一些特殊情况下也能够使用。

由于单片机采用5 V的电压供电，因此只适用于带USB的小灯，对于采用其他方式供电的台灯则需要转换。光敏电阻的精度和人体红外热释传感器的灵敏度会影响设计的效果，尤其对于一些特殊的使用环境，灵敏度还有待进一步提高。

参考文献

[1]张毅刚.MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1990.

[2]王水平.PWM 控制与驱动器使用指南及应用电路[M].西安：西安电子科技大学出版社，2004.

[3]程安宁，王晋，尚相荣.白光LED的PWM驱动方式分析[J].电子设计工程，2010，18（2）：109-111.

[4]颜重光.LED灯具低压驱动技术[J].电子质量，2009（7）：61-64.