亮度自适应的智能台灯设计

陈炳飞 周朝霞 邱义 陈清福 肖杨凡

摘 要：为解决生活中“白昼灯”或“长明灯”的浪费现象，文中设计一款个性化、智能化的便携式台灯。该台灯以单片机HT66F70A为主控制器，通过人体感应模块探测室内是否有人以便实现智能化开关灯操作；采用光敏感应模块来探测周围环境亮度，实时输出人眼舒适的台灯亮度，同时用户还可通过手势距离自主调节台灯亮度。经过不同场景的测试，该台灯性能稳定，实现了台灯亮度的自适应功能。

关键词：台灯亮度；人体感应；光敏感应；手势

中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）07-00-04

0 引 言

随着经济的发展和社会的进步，人们对照明的追求也由亮度和价格逐步转变为品质、环保以及舒适等保证工作区光照良好的视觉环境，对提高学习和办公质量，提高工作效率以及保护身体健康至关重要[1，2]。台灯使用广泛，生活中随处可见。在使用过程中，普通台灯无法调出人们所需的、眼睛感到舒适的光线亮度[3]。即现有的普通台灯大多只有开、关操作，无逻辑时序及亮、暗调光控制等功能，特别依赖于人们的主动性[4，5]，已无法满足人们对智能化生活的需求，特别是对于青少年学习群体而言，一款个性化、智能化的学习型台灯更适合他们。

近年来，能源浪费是社会发展过程不容忽视的问题，中国是世界上能源浪费最严重的国家[6]，抑制不合理能源浪费是能源消费革命的基本任务和要求[7]。生活中经常可以看到“长明灯”或“白昼灯”等现象，要解决此问题除了靠人的主观能动性外，还需辅以节能技术来实现。

从市场规模来看，针对青少年的学习型台灯的需求主要体现在个性化与功能智能化、人性化两方面。因此，本文设计一款低功耗、用户不在自动关灯、亮度随环境自动调节或用户通过手势自主调节亮度的个性化、智能化、人性化台灯。

1 总体设计

本智能台灯系统包括感应用户自动开关台灯功能、环境光自适应控制台灯亮度功能和手势控制台灯亮度功能，总体框架如图1所示。

（1）感应用户自动开关台灯功能：通过人体感应模块感知台灯周围是否有用户存在来实现开关灯动作，即用户在台灯旁边便自动打开台灯，用户离开之后自动关闭台灯以节省用电；

（2）环境光自适应控制台灯亮度功能：通过光敏采集模塊来实现根据周围环境光照强度实时调节台灯亮度，使输出光照满足人眼的舒适度要求；

（3）手势控制台灯亮度功能：如果用户对通过光敏模块调节的台灯亮度不满意，则可以通过手势自主调节台灯亮度。

本系统对台灯亮度调节部分的设计充分考虑了人眼对光线强度的适应能力，所以台灯光线强度的变化均呈缓慢递增或递减状。本产品设计不仅包括控制系统设计，还包括外观设计。控制系统设计主要完成信号采集、处理、交互任务，并把控制系统安装在台灯底座。外观设计主要考虑台灯的便携性和个性化。

2 硬件设计

本系统控制器选用型号为HT66F70A的合泰单片机。不仅价格低廉、功耗低，且运算速度快。该芯片集成了A/D转换功能和PWM输出模块，是一款适合民用产品开发的控制器。本产品的硬件系统设计不仅包括HT66F70A最小系统和电源电路设计，还包括3个功能模块，即人体感应模块、手势模块和光敏模块。系统硬件的总体框架如图2所示。

2.1 人体感应模块设计

人体感应模块的设计选用高灵敏度的热释电红外传感器，该传感器是由一种高热电系数广谱材料制成的探测元件。该传感器可探测人体辐射的红外光，实现在其探测范围内的人体检测[8]。因此，在该传感器的基础上加以适当的滤波、信号放大，使人体进入该模块的探测范围后，可通过Dout引脚输出一个高电平，电路原理如图3所示。单片机定时检测该Dout引脚的信号，当该引脚持续输出高电平时，表明台灯周围有用户存在。

2.2 手势测距模块设计

超声波测距是一种非接触式检测方式，在使用中不受光照度和电磁场等因素影响，加之其信息处理简单、速度快、成本低，在机器人避障、定位和液位测量等方面已经有了广泛的应用[9]。本产品的超声波模块采用HC-SR04模块，该模块共有4个引脚，分别为VCC，GND，Trig（控制端）和Echo（接收端）。硬件只要将Trig和Echo与主控器的普通I/O引脚相连即可，如图4所示。

超声波测距工作原理：测距时，主控芯片通过Trig引脚给出一个10 μs的脉冲，启动该模块测距。模块内部会自动发送8个40 kHz的方波，并自动检测是否有信号返回。当有信号返回时，Echo引脚会输出一个高电平，并且该高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，超声波测距时序如图5所示。主控芯片给出启动脉冲之后，开始检测Echo引脚是否变成高电平，如果检测到Echo引脚变成高电平，则启动计数器开始计时，直到Echo引脚变成低电平，停止计时得到时间t。由s=（v·t）/2就可计算出发射点到障碍物的距离s，其中v是声音在空气中传播的速度（340 m/s）。

本文所述的手势感应模块主要通过超声波测距模块来实现，通过测量手势和超声波模块的距离来控制台灯的亮度。即当手势离超声波模块越远，则视为用户要调高台灯的亮度，主控芯片调高输出的PWM脉冲宽度；手势离超声波模块越近，则视为用户要降低台灯的亮度，主控芯片降低输出的PWM脉冲宽度。

2.3 光敏模块设计

光敏模块采用性能稳定的光敏二极管传感器，当周围环境的光照亮度改变时，光敏二极管上的电压也相应的产生变化，这是由于光照产生的载流子参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏二极管的阻值迅速下降[9]。主控芯片利用自身集成的A/D模块采集该变化电压，并进行转换得到光照强度，光敏模块电路如图6所示。随后主控芯片根据光照强度等级控制输出的PWM脉冲宽度实现对台灯亮度的调节。

2.4 软件设计和测试

本产品的软件设计主要包括检测人体感应模块是否检测到有人进入台灯的范围、对光敏模块的电压进行采集和转换、对手势距离进行测量、输出PWM波控制台灯的亮度和定时巡检决定是否停止台灯工作。

软件设计流程如图7所示。程序初始化后实时检测人体感应模块的信号输出口，当其变为高电平时，判定为用户要使用台灯。启动定时巡检程序，实时判断用户是否离开。在用户离开一段时间后，如果灯没有关，则执行关灯操作，以节省用电。经过定时巡检程序之后，开始判断台灯亮度的控制模式，如果是手势控制模式，则通过手势控制台灯的亮度；否则根据采集的光照强度实时调节台灯亮度。在手势控制模式下，首先判断是否有新手势，如果有再判断是否为关灯手势，若是关灯手势则执行关灯操作；若非关灯手势则通过测量手势距离调节PWM波控制台灯亮度，其调节方式为手势远离台灯则台灯慢慢变亮，反之则台灯亮度变暗，如果手势距离超出范围，则保持台灯亮度不变；如果没有新手势，则保持台灯亮度不变。之后在手势控制台灯亮度的过程中，加入适当的延时滤波，以避免误触发手势亮度控制。在环境光控制模式下，主控芯片通过A/D转换模块采集光敏模块的电压变化，并进行光照强度转换，根据周围环境的光照强度等级实时自适应调节台灯的输出亮度。

2.5 台灯外观规格和实物

本产品的设计不仅包括台灯控制系统的设计，还包括台灯的外观设计。目前市场上台灯的外观各式各样，种类繁多。本产品在设计过程中，主要考虑的是产品的便携性和个性化。台灯的支架设计成可折叠式，折叠之后占用的体积较小。产品详细的外观规格如图8所示。产品实物如图9所示。

3 测试

3.1 光敏模块测试

在不同的环境光下对光敏模块进行测试，如图10和图11

所示。图10是在傍晚时测试，当时天色渐黑，根据环境光照强度开启台灯并将台灯的亮度控制在一定等级下进行工作；

图11是在中午时进行测试，当天属于晴天，台灯根据环境光照强度自动关闭。

3.2 手势模块测试

通过手势控制台灯的亮度如图12和图13所示。图12中，手势离台灯越远，台灯的亮度越亮；图13中，手势离台灯较近，近到一定距离后视为关灯操作。

4 结 语

本文设计的台灯是针对青少年群体和生活中的“長明灯”浪费现象而设计的一款智能化、个性化和人性化台灯。它实现了用户离开时自动关灯；可根据环境光照强度智能调节台灯亮度，自适应输出适合人眼舒适度的亮度；用户也可通过手势距离控制台灯的亮度等。经过大量实际测试，结果表明该产品性能稳定，实现了台灯亮度的智能化控制。目前，在人们对智能产品的要求不断提高和在资源节约型社会的倡导下，本产品将拥有巨大的市场应用前景。将来也可在本产品的基础上进行功能拓展，如增加蓝牙模块或WiFi模块，实现在手机上对台灯进行更加智能化的控制。

参考文献

[1]刘艾，廖晓惠.LED灯具-未来节能灯具的发展方向[J].能源研究与管理，2009（4）：64-67.

[2]花醒飞，刘乃涛，梁秉文.大功率LED在书写台灯中的应用[J].中国照明，2009（9）：32-35.

[3]徐安安，任乘乘，吴珊珊，等. 基于STC系列单片机对智能LED台灯调光系统设计[J].照明工程学报，2016，27（6）：88-93.

[4]柴君夫.基于STM32的LED智能学习型台灯系统的设计[D].秦皇岛：燕山大学，2016.

[5]周莉，陈杰，蔡加星.基于MSP430单片机的智能照明控制系统的设计[J].安徽理工大学学报，2014（2）：46-48.

[6]仲柯.刘吉臻：中国是世界上能源浪费最严重的国家[J].广西电业，2014（3）：72.

[7]郁聪.抑制不合理能源消费构建生态消费模式[J].中国能源，2015（12）：5-9.

[8]贾冬颖，王巍.基于 STC 单片机 LED 智能照明系统的设计[J]. 照明工程学报，2010，21（2）：71-73.

[9]万飞.模拟路灯控制系统[J].照明工程学报，2013，24（5）：125-130.