基于单片机的调光台灯控制系统的设计

安晓莉

摘要：随着家用电器的广泛使用，人们的生活质量得到了普遍的提高。现在，人们越来越追求方便、舒适的生活。单片机作为一种性价比较高的微型计算机，可以实现家用电器、工业控制产品的智能化、自动化控制。作为一种小型的家用电器，台灯也逐渐地走向智能化。虽然目前按键式台灯仍然在市场上占有很大的份额，但是，可以预见，它将会逐渐被智能台灯取代。

为了节约电能，保护视力，防止脊椎变形，该文采用单片机和热释电红外传感器设计出一种调光台灯控制系统。使用该系统可以实现对台灯的智能化控制：在黑夜，可以实现台灯的自动打开，给用户带来方便;当人离桌子的距离过近时，蜂鸣器发声，提醒用户调整坐姿，防止近视。

测试证明，该系统设计方案合理，性价比高，工作稳定，具有一定的使用价值。

关键词：单片机;调光台灯;PWM

中图分类号：TP301      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）30-0134-04

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

随着社会的发展，人们越来越注重节能和环保。照明作为人们生活不可或缺的组成部分，每年消耗的电能占总用电量的12%，且以3.44%的年增长率持续攀升。我国的年用电量大约是5185.9万兆瓦，其中，70%来自火力发电厂。据统计，火力发电厂每少发一度电，就会减少1千克的CO2的排放量。众所周知，CO2是造成大气温室效应的罪魁祸首。所以，减少照明用电量可以起到保护环境的作用。

现在，市面上的台灯大多是手动调光。用手转动旋钮，就可以调节灯光的亮度。这种台灯能够节约电能，但不能预防近视。目前，我国大约有四亿人近视，其中，大部分是中、小学生。近视严重危害着青少年的健康。中、小学学生患近视的原因是他们在学习或做作业的时坐姿不正确，人离台灯的距离过近，长时间的视疲劳引起的[1]。

随着科学技术的发展，自动控制技术被广泛同应用到电子产品中，使电子产品蕴含的科技含量增加，智能化程度提高。智能家用电器的共同特点是在其中嵌入了单片机[2]。智能家用电器和普通家用电器相比功能更多，使用更方便、安全、省电。作为一种小家电，台灯也逐渐走向智能化。为了预防近视，本文使用单片机设计了一种台灯控制系统。使用本控制系统可以使台灯灯光随人离灯的远近自动进行调节，同时，还可以起到调整人的坐姿的作用。

1 系统设计

采用热释电传感器RE200B感应人体发出的红外线，BISS0001芯片对其输出信号进行处理;光敏电阻采集环境光的强度， ADC0832將光强转换成数字量;红外测距传感器检测使用者离桌子的距离。这些信号被送入AT89S51单片机进行分析、处理，单片机发控制命令给灯光控制电路，实现台灯亮度随环境光的强度而改变。当人离桌面的距离太近时，由三极管与蜂鸣器构成的提醒电路给使用者发调整坐姿的提醒信号。另外，台灯灯亮的时间可以通过数码管倒计时显示出来，当时间到时，灯自动关闭。

本设计的系统框图如图1所示。

2 硬件设计

本系统的控制核心是AT89S51单片机。当环境光线比较强时，光敏电阻的阻值很小，环境光检测电路输出的是低电平，此时，禁止热释电传感器工作;当环境光线比较弱时，光敏电阻的阻值很大，环境光检测电路输出的是高电平，热释电传感器工作[3]。此时，当有人进入它的感应范围时，AT89S51单片机读取ADC0832的输出信号（该信号与环境光线的强弱有关），并根据环境光线的强弱调节台灯的亮度。当环境光线比较弱并且此时人离桌子的距离太近时（即坐姿不正确），红外测距传感器探测到人体活动信号，该信号被AT89S51处理后，启动蜂鸣器，发出报警声音，提示人离桌子远一点。当人调整了坐姿，即人离桌子不是太近，但仍然位于热释电传感器的感应范围内时，蜂鸣器停止发提示音。

2.1 传感器及信号处理电路设计

1）热释电人体检测与处理电路

热释电人体检测与处理电路如图2所示。

热释电人体检测与处理电路由热释电传感器、BISS0001处理芯片组成。热释电传感器仅对人体发出的红外线敏感，因此，除人体外，其他物体不会引起红外探头的动作。

当人走进感应区时，热释电元件接收到人体发出的红外线，在红外探测器的输出端输出信号。

2）光检测电路

光检测电路如图3所示。

当环境光比较弱时，光敏电阻阻值大，在模数转换器ADC0832的通道0上的高电平经AD转换后变成数字量，启动热释电传感器工作。当环境光较强时，光敏电阻阻值小，在ADC0832的通道0上的低电平经AD转换后，禁止热释电传感器工作。

在该单元电路中，电阻R4的作用是调节光敏电阻检测灵敏度。若天还亮，灯仍然开着，可以把R4换大一点以降低光检测灵敏度;若已经到了晚上，灯还未亮，可以把R4换小一点以提高光检测灵敏度。通过多次调节，可以将台灯调到最理想的状态。

3）红外接近开关

红外测距传感器按图4接线，就构成红外接近开关。当人离桌子太近时，红外接近开关闭合，P3.4上是低电平，驱动蜂鸣器发声，提醒人离桌面远点;当人调整完坐姿，此时，人离桌面不是很近，红外接近开关断开，蜂鸣器被关闭。

2.2 按键电路设计

模式切换键K1：实现自动和手动模式之间的切换;

设置键K2：用于设置变量，0-正常，1-调分，2-调秒;

加键K3：按下一次，变量增加1;

减键K5：按下一次，变量减小1;

按键电路图如图5所示。

2.3 灯光控制电路设计

灯光控制电路图如图6所示。

LED灯L1～L12构成了台灯的照明元件。三极管Q2、Q1驱动LED灯。当P3.5上为低电平，Q2、Q1导通，灯亮;当P3.5引脚上为高电平，Q2、Q1截止，灯灭[4]。

2.4 数码管显示电路设计

数码管显示电路图如图7所示。

本文用共阳极数码管上动态显示定时时间。在字段口上送字段码，一个时刻只让一个数码管位选通有效（I/O口线为低电平），其余位选通无效（I/O口线为高电平），点亮一位数码管，先最左端的数码管，后最右端的数码管，采用轮流导通，周而复始的方式，实现稳定显示。

2.5 报警电路设计

P3.7上为高电平，三极管Q3截止，蜂鸣器不响;P3.7上为低电平，三极管Q3导通，蜂鸣器响。

报警电路图如图8所示。

3 软件设计

3.1 主函数流程图

开机后，先进行系统初始化，开中断并启动定时/计数器的工作。系统默认为手动模式，延时500ms，点亮手动模式指示灯，然后进入循环：调用按键函数扫描按键、调用显示函数完成显示。

主函数流程图如图9所示。

3.2 按键扫描函数

开机后，默认为手动模式，置flag_set键标志为0、人体接近传感器标志位flag_jiejin为1。在模式切换键及设置键都没有被按下时，每按下一次加键，灯光比例scale变量增加1，加到41时，灯亮度为100%;每按下一次减键，灯光比例scale变量减少1，减到1，灯亮度到0%。

如果按下模式切换键，系统进入自动模式，由于flag_jiejin是1，当人离桌面过近时，蜂鸣器发提示音，提醒台灯使用者调整坐姿，并将flag_jiejin置0。若人在规定的时间内离开了桌面（即调整了坐姿），蜂鸣器停止发声、flag_jiejin被置1。

在自动模式下，若设置键被按下，蜂鸣器开始发声、设置键标志位被加1，加到3，清0。即flag_set可以取0～2，其中0是正常模式;flag_set=1时，加键、减键用来调定时时间分钟，在键按下时，蜂鸣器响、左面的两位数码管闪烁。flag_set=2时，加键、减键用来调定时时间秒，在键按下时，蜂鸣器响、右面的两位数码管闪烁。退出设置状态后，如果红外热释电传感器检测到有人，就将50个环境光强度信号取平均值。根据该平均值的大小给灯亮度比例变量scale赋值。如果红外热释电传感器没检测到人时，scale赋为最小值1。

3.3 显示函数流程图

显示函数完成将定时时间动态显示在数码管上。流程图如图10所示。

首先，计算标志变量flag的值，然后，判断flag是否等于1，如果等于1，则判断闪烁标志位ss是否为0，如果是0，则左边两位数码管闪烁显示，如果ss不是0，则左边两位数码管显示分钟;若flag不等于1，如果等于1，则判断闪烁标志位ss是否为0，如果是0，则右边两位数码管闪烁显示，如果ss不是0，则右边两位数码管显示秒;如果flag不等于1，且不等于2，则结束。

3.4 T0中断服务函数流程图

T0中断函数流程图如图11所示。

定时/计数器T0每25微秒中断一次。发生中断后，给T0重赋25微秒的定时初值，然后，变量n自加1。如果n的值小于灯光比例变量scale，则P3.5被置零，台灯被点亮;如果n的值大于灯光比例变量scale，则P3.5被置1，台灯被熄灭;n的值如果是40，即1毫秒时间到，则将n置0[5]。

4 结束语

本课题研究的内容紧密联人们的实际生活。目前，每个家庭都在使用台灯。生活中经常发生灯没有被及时关掉而导致电的浪费的现象。全世界有无数盏灯，它们浪费的能源就非常大。还有，台灯作为一个生活必备用品，应能够给人们带来更方便的生活。为了节约用电并满足人们的需要，本文较深入地研究了智能调光台灯控制系统。

本智能台灯控制系统的优点是使用方便且省电。根据门和桌子的距离来调节红外热释电传感器的检测范围。这可以实现：在黑夜，当人在门口一出现，灯就被点亮;人一离开，灯就被关掉;另外，人们在学习时，有时会坐姿不正确，比如人离桌面距离过近。这时，台灯灯光会变暗，提醒人离开桌子。当人及时调整了坐姿，灯光自动变亮，起到预防近视的作用。如果台灯的使用者在规定的时间内没离开桌子（即未调整坐姿），灯会自动熄灭，起到节约用电的效果。

本系统的难点是人体红外信号的采集与处理模块的设计。本设计使用热释电红外传感器检测人体信号。当有人走进它的感应区域时，该传感器会输出几mV的信号。为了减少外界信号的干扰，本文使用BISS0001红外热释电信号处理芯片對它二次放大、滤波，并将它转换成数字信号以供单片机分析、处理。

虽然本系统可以实现其基本功能，但是它还有不足之处。在台灯打开时，灯光会干扰光敏电阻的工作，引起误判断。为了防止这种现象的发生，应将光敏电阻与灯光控制电路相互隔离、分开放置。

今后，本系统可以拓展的功能有：添加闹钟、语音提醒等。

参考文献：

[1] 滕宇航.基于单片机的智能台灯控制系统[J].信息通信，2019，32（11）：119-121.

[2] 过梦旦.基于单片机的LED灯调光系统的研究[J].电子元器件与信息技术，2019，3（4）：104-107.

[3] 胡向东.传感器与检测技术[M].北京：机械工业出版社，2018.

[4] 李天然.基于51单片机的PWM调光灯设计与实现[J].信息通信，2019，32（3）：129-131.

[5] 马忠梅，籍顺心，张凯.单片机的C语言应用程序设计[M].4版.北京：北京航空航天大学出版社，2007.

【通联编辑：谢媛媛】