基于52单片机和WIFI信号控制的智能台灯设计

魏矗 刘国宁 徐歆怡

摘 要：本文基于52单片机设计了具备多种功能的智能台灯，通过52单片机对红外传感器、光敏传感器等的控制设计四种台灯模式：学习模式、睡眠模式、起夜模式和自动模式。并基于WIFI信号控制技术，将台灯与手机连接，并可用手机调试各项参数。

关键词：52单片机；传感器；WIFI信号控制技术

本设计采用单片机红外遥控功能进行控制，通过使用红外遥控器按键自由切换工作模式，使用一个红外遥控器发射一个红外控制信号，接收模块把接收到的信号给STC89C52[1]单片机，单片机根据信号来控制相应的模式。当检测到学习模式，设定一个时间值，当工作学习时间超过这个时间值会有语音提醒休息。当检测到自动模式时，光敏传感器检测光照强度是否变暗，同时当红外传感器检测到有人时便开启灯源。当检测到睡眠模式，此时LED灯开启光源，STC89C52单片机内部定时开始计时，灯光根据程序设定的时间段逐步变暗，当LED灯全灭后主动进入起夜模式。当检测到起夜模式，超声波检测器发射出超声波，通过回波检测是否有人，如果有人则开灯，没有人则关灯并跳出起夜模式，进行下一次检测。

该设计的红外遥控智能台灯成本低廉、节能高效、实用性较强、便于开发和生产。同时，还拥有很强的应用性，可广泛的应用工作学习、居家照明等领域，是未来智能家居照明发展的必然趋势，具有较好的应用前景。

一、方案的设计

1.1智能台灯的场景模式

本文根据人们对台灯的日常使用习惯，将台灯的日常使用总结为四种场景：

（1）学习模式：设定工作学习时间，到时提醒；自动校正坐姿，保护视力。

（2）睡眠模式：自动调节光源，逐渐变暗，营造良好睡眠氛围。

（3）起夜模式：夜间检测使用者起夜时自动开启。

（4）自动模式：自动调节亮度和色温，同时检测周围是否有人，无人时自动关断。

1.2智能台灯的设计逻辑图

根据划分的四种场景模式，针对每一种场景模式设计产品想要达到的功能进行分析以及设计。

本设计通过STC89C52单片机对红外传感器、超声波传感器以及光敏传感器的控制，进而实现产品在各种场景模式下的功能。

二、主流功能的实现

2.1台灯的整体设计

主要模塊配置：电源模块，传感器模块，处理器模块，按键模块，LED模块和wifi模块。

2.1.1电源源模块

电源模块采用市电输入，其输出为系统供电；

电源模块的输入端与电网相连，电源模块的输出端与传感器模块，处理器模块，LED模块相连，传感器模块的输出端与处理器模块连接，按键模块的输出端与处理器连接，物联网芯片模块串口与处理器模块串口相连。

2.1.2传感器模块

本申请中的传感器模块包含光强传感器，热释传感器，距离传感器均为已经公开的广泛运用于日常的已知技术，具有工作稳定，经济易用的特点，以提高系统的可靠性和经济性。

热释传感器采用人体红外感应模块HC-SR501[2]，距离传感器采用红外测距传感器模块GP2Y0A21YK0F[3]。

传感器模块包含光强传感器，热释传感器，距离传感器，其中：光强传感器用于采集当前环境光强度，热释传感器用于探测灯具附近是否有人，距离传感器用于探测用户与灯具距离，采集坐姿等信息；

距离传感器可探测用户坐姿输入处理器模块，由处理器控制输出信息，纠正用户坐姿或保护视力。

2.1.3处理器模块

处理器模块用于处理传感器数据，接受控制输入，实现对系统的控制；采用STC89C52单片机

2.1.4按键模块

按键模块用于用户输入系统参数；按键模块采用HC8T0506可编程电容触摸芯片[4]控制，在美观操作方便的同时，寿命高于传统开关；

2.1.5 LED模块

LED模块采用双路或多路不同色温LED，结合PWM波[5]输入实现灯光色温调节；

本申请中的LED的模块由一路高色温和一路低色温LED灯珠组成，两路灯珠输入端与处理器的两路IO口相连，处理器模块通过输出两路PWM波控制高低色温灯珠亮度比例，从而实现灯光色温的调节。

三、创新功能的实现

本设计与主流智能台灯的创新之处在于坐姿矫正功能和WiFi模块与手机在APP上的连接，所以本文重点分析两种功能的设计原理。

3.1坐姿矫正功能的实现

人体在工作学习时坐姿的主要问题是弯腰和过度低头，致使人体与台灯的距离过近。针对这一现象，决定采用超声波测距系统测量智能台灯与使用者间的距离和方位，然后利用集成电路收集信号，进而将转换之后的电信号输入单片机，设计算法计算使用者距台灯灯源的方位和位置。

3.1.1坐姿矫正系统

典型超声测距系统[6]一般由超声换能器、换能器驱动电路及数据采集系统组成。超声换能器的主要作用是发射和接收超声信号；换能器驱动电路是用来产生一定频率的交变电压作为换能器的工作电源；数据采集系统主要是用来捕捉并采集回波信号，我们选用超声波测距专用集成电路。

根据超声波传播理论，当障碍物的尺寸小于超声波波长的1/2时，超声波将发生绕射，只有障碍物尺寸大于波长的1/2时，超声波才发生反射。超声测距的工作原理为：超声波向空气中发射声脉冲，声波遇到被测物体反射回来，测量距离d的计算公式为：

其中，c=声速；

t=第一个回波到达的时间与发射脉冲时的时间差；

s=超声换能器与反射点之间的距离；

t的测量方法选用检测脉冲计数法，脉冲检测法是对有回波信号经检测电路产生的脉冲进行检测的方法。

在台灯的灯管上安装两个超声换能器分别用来发射和接收超声波，发射出的超声波在接触到人体时会发生反射，由于人体坐姿不规范时，身体会靠近台灯，所以导致发射和接收声波的时间会减小，即可检测出坐姿不规范需要矫正，单片机控制蜂鸣报警器报警，直至使用者坐姿规范之后报警停止。超声测距在台灯上的应用方式如图：

3.2物联网功能的实现

随着电子技术的进步和物联网技术的发展，使得产品的使用更加便捷成为家居产品领域的潮流。本设计中的物联网芯片主要采用wifi协议连接至云端，上传灯具状态参数，下载调节参数。

作为一种优选的实施方案，物联网芯片采用 ESP8266模组[7]，该模组集成了一颗32位 处理器，处理性能强大，支持标准的物联网通信协议栈。结合本申请为该模组配置的固件可以使得在灯具首次使用时快速配置网络，增加了产品的易用性。当处理器模块进入低功耗模式时，该模组仍由电源保持供电，以接受网络数据，唤醒处理器执行指令。

参考文献：

[1]沈天元.基于STC89C52单片机的智能台灯系统设计[J].电子技术与软件工程，2017（19）：63.

[2]王东，莫先.基于STM32和HC-SR501智能家居的智能照明系统设计[J].重庆理工大学学报（自然科学），2016，30（06）：135-142.

[3]张凌寒.基于51单片机的红外测距仪的设计与实现[J].数字技术与应用，2016（09）：133.

[4]陈斌.电容式触摸按键设计与专用芯片应用[J].电子世界，2014（16）：281.

[5]Khalil Monfaredi，Mousa Yousefi，Kamran Razyani. A compact CMOS DC-DC buck converter based on a novel complement value leaping PWM technique[J]. International Journal of Circuit Theory and Applications，2019，47（4）.