基于ARDUINO的智能LED台灯设计

陈晶晶 吴治帆 宋 康

（四川大学机械工程学院，四川 成都 610065）

0 引言

绿色环保照明研究成为照明设施研发的重要方向。台灯是学生桌前必备的照明工具[1]，现有的台灯仅能满足学生的照明要求，无法根据周围环境科学地调整适合学习的光照强度，为学生提供良好的光照环境[2]。

LED 作为照明光源，有节能环保、寿命长、体积小、发热小、响应速度快、安全电压低、耐候性好、方向性好等优点[4]。因此该文采用LED 作为光照器件，设计一款具备自动调节亮度、温度显示和声控开关等功能的智能LED 台灯，满足人们的学习需求。

温美逊等人设计的基于ARDUINO 的视力保护仪，使用光敏电阻、四电压比较器LM339 和发光二极管组成的光检测电路来实现测量周围光线、及时补充和调整光源的功能。另外还利用超声波测距模块提醒使用者调整自己的坐姿，同时附加定时中断提醒功能，系统工作一段时间之后报警提醒使用者休息，功能丰富[3]。

该文提出一种新的自动调整光源的方案。光敏电阻传感器采集光照强度，ARDUINO 开发板收集信息并进行程序处理，自动控制台灯的亮度，简单方便。

1 台灯系统总体介绍

台灯系统基于ARDUINO 开发板，围绕着其最小应用系统设计开发了自动调光、声控开关和温度显示等功能模块。系统如图1 所示。其中包括6 个模块。1）照明设备。2）声控开关模块，通过判断声音强度来开启台灯总电源，方便在黑暗情况下打开台灯。3）光强采集模块，光敏电阻传感器采集光强信息，直接输出模拟电压值。4）模式切换由电容型的触摸传感器实现，触摸一次台灯则工作模式自动切换。5）台灯光照强度的手动改变则由电位器完成，调节旋钮即可改变光强。6）环境温度信号采集由LM35 温度传感器完成，直接输出对应的电模拟压值，程序处理后在LCD1602 液晶显示屏上显示。

2 电路设计

2.1 ARDUINO简介

ARDUINO 是一款基于AVR 单片机的硬件电路和软件开发环境共同开源的控制系统，是交互式编程学习的一种媒介，是为嵌入式开发学习而研发的一种控制终端[5]。

ARDUINO 包括硬件（各种型号的ARDUINO 板）和软件（ARDUINO IDE）。ARDUINO 板通过USB 接口供电，电压为5 V。复位按键（Reset Button）可以使ARDUINO 重新启动，并且开始运行程序。ARDUINO UNO 有14 个数字输入/输出端口，6 个模拟输入端口。ARDUINO 编程环境可以跨平台，并且该软件可以在Windows、Macintosh OSX、Linux 操作系统上运行。另外ARDUINO 控制板价格低廉，可自行组装，也可以购买完整的产品[6]。

2.2 自动调光电路

2.2.1 光敏电阻传感器

光敏电阻的电阻值与光线有关，照射在感光面的光线亮度增加时，电阻值会变小，亮度减少时电阻值会加大。当环境光比较强时，光敏电阻的阻值减小，相反环境光较弱时，它的阻值增大，从而实现光电转换[7]。

图1 智能LED 台灯系统框图

2.2.2 自动调光模式

自动调光模式下，由于光敏电阻传感器采集的环境光强信号与LED 的亮度之和保持在一个定值，即最适合人眼的光照强度。当环境光强小于此定值时，LED 的亮度随环境光照强度的减弱而增加。当环境光强大于此定值时，LED的亮度为零，即直接通过程序处理达到自动调光的目的，保护眼睛。

2.3 手动调光电路

2.3.1 电位器

传统的电位器主要是依靠机械结构带动滑片运动，以此来对改变电阻值。电位器又称为可变电阻器（VR，Variable Resistor）或简称可变电阻，其是一种具有3 个端子，其中包括2 个固定接点与一个滑动接点，可经由滑动而改变滑动端与2 个固定端间电阻值的电子零件，属于被动元件，使用时可形成不同的分压比率，改变滑动点的电位。

2.3.2 手动调光模式

通过电位器的分压来改变LED 的亮度。转动旋钮，即可改变当前台灯的亮度。在此模式下，LED 的亮度可随意调节，不受环境光照强度的限制，满足人们的不同需求。

2.4 LM35测温电路

2.4.1 LM35简介

LM35 是一款精密的Celsius 集成温度传感器，其输出电压和温度呈线性关系[8]。

LM35 是一种电压型输出传感器，每升高11 ℃，温度从-50 ℃上升至150 ℃，电压增加10 mV[9]。通过对LM35传感器的输出电压值进行处理得到空气温度。

2.4.2 LM35测温

LM35 感受温度并将温度信号转换成可用的输出信号，输出信号有模拟电压信号和数字电压信号2 种，下面的公式采用的输出信号为模拟电压。由LM35 的灵敏度可算温度计算公式：

式中：U为ARDUINO 开发板内部的工作电压，通常为5 V。k为LM35 的灵敏度，k=10 mV/℃。temp 为当前环境温度，单位℃。analogRead（wendu）为ARDUINO 开发板读取到温度对应的模拟电压值，单位mV。

2.5 LCD1602显示

LCD1602 为工业字符型LED，可同时显示32 个字符。LCD1602 专门用来显示字母、数字、符号等。它由若干个5×7 或者5×11 等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，从而分割字符和线条。1602 表示2 行16 个字符。

1602 采用标准的16 脚接口，其中特殊的第3 引脚：V0为液晶显示器对比度调整端，实践时可以通过调节10 K 的电位器来调节第15～16 脚：空脚或背灯电源。第15 引脚为背光电源正极，第16 引脚为背光电源负极[10]。

2.6 声控开关

声控装置是智能家居设备中的重要组成部分，用户可以通过声音对家庭设备进行控制。

该声音传感器可检测周围环境的声音强度。但是只能识别声音的有无，不能识别声音强度的大小或者特定频率的声音，但对于该系统来说已经足够，灵敏度可调，且输出形式为数字开关量输出（0 和1 高低电平）。环境声音的强度小于设定的阈值时，DO 口输出高电平1，反之，环境声音强度超过设定阈值时，模块输出低电平0。

3 软件设计

3.1 自动调光子程序

void AUTO（ ）//光敏电阻传感器实现自动调光

{

sensorval=analogRead（analogguangpin）；//将传感器输出转换成对应的模拟量

if（sensorval＜300）//设定最适于人眼的光强对应模拟电压值为300

{

analogWrite（ledpin，sensorval*0.3）；//根据环境光强自动控制LED 亮度

}

else

analogRead（ledpin，300*0.3）；//设定最适于人眼的光强对应模拟电压值为300

}

3.2 手动调光子程序

void HAND（ ）//电位器实现手动调光

{

sensorval=analogRead（analogrestpin）；//将电位器分压值输出转换成对应的模analogWrite（ledpin，sensorval*0.25）；//根据电位器分压手动控制LED 亮度

}

3.3 主控制程序

if（digitalRead（song）==HIGH）//检测声音传感器状态

{

j=!j；

}

if（j or digitalRead（allpin））//声控开关或按键开关打开之后显示温度

{

lcd.setCursor（0,0）；//设置光标到第二行第一列，1 表示第二行，从0 开始数）

int temp=analogRead（wendu）；//读取温度信号并转换成模拟电压值

lcd.print（5*100*temp/1024）；//计算温度值并显示在LCD1602

lcd.print（“C”）；

delay（100）；//模式切换

if（digitalRead（chumo）==HIGH） //读取触摸传感器的

状态

{

i=!i；//记录每一次触摸传感器的变化

}

if（i==HIGH） AUTO（ ）；//切换到自动模式

if（i==LOW） HAND（ ）；//切换到手动模式

}

else

digitalWrite（ledpin,LOW）；

}

4 硬件实验结果及分析

实验得到结果，无论环境光强处于何种大小情况下，均可由按钮开关打开台灯总电源，或者可通过声音传感器来打开总电源。工作状态下，LCD1602 液晶显示屏显示当前环境温度，触碰触摸传感器可改变当前台灯的工作模式。

4.1 自动模式

自动模式下，当前环境亮度与系统设定的定值比较，环境亮度小于定值时，台灯的亮度随环境亮度的增强而减弱。而当环境亮度大于定值时台灯的亮度不再改变，此时台灯亮度为0，环境光照强度和台灯亮度综合后维持在最适于人眼的状态。自动模式下调节电位器旋钮不会改变台灯亮度。如图2 所示，环境光强由强到弱变化时，台灯亮度逐渐变强。

图2 环境光强逐渐减弱的台灯亮度增强

4.2 手动模式

手动模式下，环境光强不会对电位器的调节产生影响，可任意旋转电位器旋钮得到不同亮度。如图3 所示，调节电位器使台灯亮度逐增强。

图3 电位器分压逐渐增大时台灯亮度增强

4.3 串口显示结果

ARDUINO 软件执行代码，将模拟输出的LED 模拟电压值打印到串口，串口数据见表1，串口显示的结果与自动调光模式实验（图2）与手动调光模式（图3）相符。

表1 串口显示输出电压结果

5 结语

该文以ARDUINO 开发板为核心，以光敏电阻传感器为辅助器件，提出了一种自动调节台灯光强的新思路，其能直接对光强信号进行软件处理，达到自适应的目的，节约硬件的使用，简单方便。以各种传感器作为其他功能模块，实现声控开关、温度显示等功能，体现其智能化。根据个人需求的不同，增加手动调光功能，通过电位器的分压以及ARDUINO 开发板引脚的PWM 输出，达到控制LED亮度的效果。

此外，该台灯系统还存在不完善的地方，可以扩展一些其他功能，比如防止靠近桌面提醒、定时提醒和手机联网控制等功能，因此，还可以进一步提高台灯系统的智能化程度。