基于人体感应的智能台灯设计

王 健， 高 靖， 武 政， 张兆颖

（1 内蒙古农业大学 机电工程学院， 呼和浩特010053； 2 内蒙机械动力研究所， 呼和浩特010053；3 中国铁路呼和浩特局集团公司车辆部， 呼和浩特010053）

0 引 言

随着传感器技术的发展和用户需求的提升［1］，家用电器越来越智能化，给我们的生活带来了极大的便利［2］。 在日常生活中，不管是工作还是学习，台灯的使用非常普遍。 出于节能和护眼考虑，目前市场上许多台灯具有亮度调节的功能，但大多通过手动来实现，如旋钮调节或触摸调节；且亮度调节使用的器件为光敏电阻，电能利用率低，同时也不具备人体感应和人体姿态检测功能。

本文设计的基于人体感应的智能台灯，通过感应灯前有人，自动开启，且随着环境亮度的变化，采用PWM 无极调压方式自动调节亮度，使得光线均匀，达到适宜阅读使用的需求；若无人使用或使用者处于趴着的姿态，则延时关闭，大大减少了电能的浪费。 设计中采用大容量锂聚合物电池为系统电路及照明电路供电。

1 系统硬件电路设计

系统的硬件电路设计包括各模块电路设计和PCB 设计。 其中，各模块电路包括主控模块、LED 驱动电路、电源电路和传感器接口电路，如图1 所示。

图1 系统设计方案框图Fig.1 Block diagram of design scheme of system

1.1 主控模块

选用单片机STC89C52 作为控制芯片，由晶振时钟电路和按键复位电路组成单片机最小系统，如图2 所示。

图2 单片机最小系统Fig.2 Minimum System of microcomputer

1.2 LED 驱动电路

设计中选用USB 接口的LED 灯作为光源，额定工作电流为240 mA。 驱动电路选用NMOS 作为驱动开关器件，型号为IRF840，驱动电流可达50 A，电路如图3 所示。

图3 LED 驱动电路Fig.3 Drive circuit of LED

1.3 传感器接口电路

传感器采用模块化设计，接口电路如图4 所示，光照度传感器模块采用IIC 通讯，人体红外感应模块与红外接近开关采用典型的开关量传感器接口。

1.4 电源管理电路

选用3.7 V 锂聚合物电池供电，硬件电路要求供电电压为5 V，需电源管理电路实现电压转换及充放电控制功能。 如图5 所示，模块BAT＋、BAT－接锂电池的正负极，VOUT＋和VOUT－接负载，VIN＋和VIN－接充电电源。

1.5 电源指示电路

电源指示电路包括电源开关电路和指示灯两部分组成，如图6 所示。

图4 传感器接口电路Fig.4 Interface circuits of sensor

图5 电源管理电路Fig.5 Power management circuit

图6 电源指示电路Fig.6 Power indicator circuit

2 软件设计

2.1 主程序设计

图7 为主程序流程图，初始化完成后，采集环境光照强度，判断是否适宜阅读和书写（250－500 lux［3］），检测是否有人坐在台灯前，若有人，根据环境照度调节台灯亮度，否则继续检测。 使用过程中实时检测人是否离开或者趴在桌上，若是，则延时15s 关闭［4］。

2.2 光照度采集子程序设计

如图8 所示为读光照强度子程序，传感器与单片机采用IIC 通讯。 读取两字节光照强度数据，合并成16 位数据，因传感器未标定，读出的数据与实际数据有所偏差，需进行数据补偿，得到实际光照强度数据［5］。

2.3 亮度调节子程序设计

灯光亮度的调节采用PWM 控制脉宽的方式，通过判断高电平脉宽与脉冲周期（频率为1 kHz）的关系，输出相应的电平或开始下一个脉冲的输出［6］，如图9 所示。

图7 主程序流程图Fig.7 Flow chart of main program

图8 光照采集子程序流程图Fig.8 Flow chart of illumination collection subroutine

图9 亮度调节子程序流程图Fig.9 Flow chart of brightness control subroutine

3 性能测试

智能台灯实物如图10 所示。 可通过红色指示灯亮的个数判断电源的剩余量，充满电后，理论上可工作33 小时。

早上8 点，环境光照强度满足写作需求，有人使用时，此时台灯无需工作，一直处于关闭状态，如图11 所示。

图10 智能台灯Fig.10 Intelligent Table Lamp

图11 环境光较亮时台灯工作情况Fig.11 Working condition of table lamp when ambient light is brighter

中午12 点，环境光较暗，有人使用时，台灯从关闭状态转换为工作状态，如图12 所示。

图12 环境光较暗时台灯工作情况Fig.12 Working condition of table lamp when ambient light is dim

使用中，红外接近开关检测到人的姿态为趴着，台灯从工作状态延时工作15s 后关闭，如图13 所示。

图13 人体姿态为趴着时台灯工作情况Fig.13 Working condition of table lamp when the human body posture is lying down

使用中，体红外感应模块检测到人已离开，台灯从工作状态延时工作15 s 后关闭，如图14 所示。

图14 人离开前、后台灯工作情况Fig.14 Working condition of table lamp Before and after people leaving

4 结束语

基于人体感应的智能台灯在感应人体的基础上，采用PWM 无极调压方式实现亮度的自动连续调节，光线调整均匀，使用者不会因光线突然变化产生刺眼的感觉。

智能台灯采用红外接近开关检测人体的姿态，通过判断使用者是坐着还是趴着，来调整台灯的工作情况，若趴着则延时15 s 关闭，进而提示使用者保持正确的坐姿。

智能台灯使用锂聚合物电池供电，具有充电功能。