一种带矫正坐姿智能台灯的设计＊

兰州文理学院传媒工程学院 孙伟刚 刘悦婷 张发菊 王庆丽 保庭岳 石陶然 张雄

本设计以单片机作为带矫正坐姿的多功能智能台灯的控制器，是一款具有节省电能，利于环保，操作简单，预防脊椎变形和眼睛近视的智能台灯，是增加红外测光仪模块及光电传感器设计出的一款提醒使用者及时矫正、及时更正坐姿的智能台灯。

随着社会的进步，一些高科技产品的开发以新的面貌呈现出了新趋势和前景，并且智能化技术也愈发的成熟，在生活中，以单片机作为中央控制单元的电子产品得到了快速发展。例如，我们生活中的智能家具、智能门窗、智能清洁器、智能电饭煲、智能电磁炉等都是通过单片机的控制来完成的。方便、安全、可靠性成为了他们新的代名词。并且单片机技术的增强使得生活中家用电器的愈发智能化。目前看来，按键式台灯虽是台灯市场的主体，但为了顺应时代的发展以及市场的需求，我们要摒弃传统的按键台灯，极力打造一个防止双眼近视、脊椎变形、节约能源以及可以改善用户坐姿的新的智能台灯。

1 总体概述

以单片机作为带矫正坐姿控制器智能台灯设计主体，由单片微式电脑按键模块、灯光检测模块、人体传感器模块、红外线测距模块、模数转换模块、数码管显示模块和蜂鸣器模块等构成，首先采用红外测距仪进行对设定坐姿距离的测量，由待测距离超过或低于所设定的范围，所测信号经一个电容及二次放大器之后交由整济滤波电路，再将前期这部分电路产生的模拟信号转换为数字信号，传输给单片机STC89C51，然后单片机中央处理器经过信号处理，依次控制各个端口进行工作。单片机的PO 口控制LCD1602 液晶模块去显示当前坐姿偏离距离值之前所设声的上下限，并且在此基础上设有按键模块，按键模块在有4 个按键，即上下限分别加减按键，可以很方便的调节需要设定的距离范围，当超过一定的范围进而触发报警模块，报警模块不但发出蜂鸣声，进而牵动开关模块，还有继电器启动从而让指示灯亮起的设计。在比以往的设计过程中，此系统增加了光电藕感应模块，其作用是当人体忘记关灯时，光电藕感应模块会判断身边是否有人来自动开启或关闭台灯，这不仅方便台灯的开关，而且节省用电。设计总体图如图1 所示。

图1 设计总体图Fig.1 Overall design drawing

2 硬件电路设计

2.1 红外线测光仪

在本设计中所采用的是红外线传感器如图2 所示，它是由一个精密极高的实时测距工具，又称以红外线为主要照明来源的相对式光电测距器件。主要由经调节的光传送单元、接收器单元、光计数单元、指示单元和逻辑控制单元等部分所构成。利用了红外线在光传递时并不传输的基本原理。只需要出光脉冲电路信号，与待测距离之间往返传送所要求的时间，就能够计算出目标距离。最后再通过模数转换器ADC0809 获取所要求的距离信息。然后再传输至中央控制台STC89C51，由单片或微式电脑根据软件编程的判断结果决定台灯整体上需要采取何种模式，来提醒用户坐姿。

图2 红外传感器Fig.2 Infrared sensor

2.2 光电耦传感器

光线亮度感应器如图3 所示，通过测量周围环境的光强度，因此具有较强的检测特性，其主要是由投光器和受光器二组件所构成，通过透镜把从投光器传来的光源加以聚焦，进而传递至电感器，并且通过将所接收的光信息转化为电信号，从而可以更进一步的触发控制器的开关，这样将极大的增强台灯的操控功能，同时也通过调节温度使得人有更佳的视觉感受。最主要的原因是，通过这一功能可以使智能化台灯“明白”用户何时有需求，从而更好的节约电能，并且令用户摆脱离桌需要记得关灯这种焦虑。

图 3 光线亮度感应器Fig.3 Light light brightness sensor

在此设计的人体传感器模块的最主要原理器件：光电传感器。而所谓光电传感器就是通过所接受的光线强度的差异，形成不同的电信号从而来起到区别外界情况的功能。光电传感器的一般构成元件主要有：发送器、接收机以及测量电路。其中发送机是光电公司传感器向外部提供的触手，负责探知外部。接收机则是接受外部状况对光强度的影响，然后其将这些“影响”输入测量电路。将其测量得到对外部状况的相对精确的评估。一般按照其工作方式我们将其划分为：漫反射光型、反射板型，设计中我们采用漫反射型光电传感器来采集人是否处于台灯书桌前来判断其是否需要打开或者关闭台灯。

2.3 ADC0808 与单片机的接口电路

由单片或微型算法控制的ADC0808 单片机，是采样分辨率为八位数的、以逐次逼近方式实现A/D 变换的主要元件。它还内置有一个八通道多路开关，能够通过地址码锁存译码后的信息，只选通八路模拟输入输出信道中的一条实现A/D 变换。完成A/D 转换的大致过程，是首先由将加在IN 零输入输出口上的编码信息来进行的一路模拟信息进入芯片，同时将单片机上产生的高电平信息加到ADC0808 芯片上的START 引脚端，以驱动其定时地进行模数转换。当ADC0808 芯片上的转换成功时，芯片的EOC 端口的信息就会通知单片微型计算机控制器,来读取检测出的数据量。随后单片机通过OUT0-8 并行输出端口将数字量读到P1 口来进行程序处理判断。接口如图4 所示。

图4 接口电路Fig.4 Interface circuit

图 5 主程序流程图Fig.5 Main process flowchart

3 软件设计

在绘制总电路图时需要经过以下几个步骤：（1）打开电脑桌面的Keil4 软件，新建工程时我们STC89C51作为单片机作为CPU，新建一个源文件，编写设计好的程序，然后编译该程序，在正下方的输出区域显示编译运行结果，然后选择要保存的路径，进一步编写程序。（2）打开桌面上的Proteus 软件新建一个设计，按照自己的思路去做电路图进行仿真，在Proteus 中找到自己所需要的电路元器件，以相对的方式进行连接，以就近原则进行就近元器件的连接，选择自己所熟悉的标号进行连接，以方便后期错误的检查，当最后按照设计好的草稿电路原理图，检查接线是否正确，在此处一定要仔细认真检查，然后按下电路图左下角的仿真按钮，开始仿真，观察电路是否可以正常运行。若正常，进行下一步即可，将所有的设计及程序进行保存，若出现错误，进行一步一步的排查，直到解决所有错误为止。

本设计还可以利用红外检测模块测距和光电藕传感器来纠正人的姿势，当监测到的人的姿势不在其规定范围值内时，蜂鸣器伴随着LED 闪光进行告警，以说明姿势有误，致使触发了台灯的开关，台灯熄灭。在监测人处于正常的状况下，台灯可以正常使用。使用者也可通过按钮设定所需工作与学习时间的上限、下限值。而系统也能够按照所需的工作时限来调节台灯的开关，还能够实现自动模式和手动模式相转换。流程图如图5 所示。

4 结语

该研究主要以STC89C51 单片机为主要的核心技术去设计一种新型台灯，其主要功能由红外线测距模块、A/D 变换单元、电子报警功能等构成。红外测距模块测得的数据，通过A/D 转换器转换后再传送给单片机处理，当测试结果超过规定值，蜂鸣器伴随着警示灯的亮起也会产生报警，因此设计时我们先进行了硬件电路图的设计，然后再将硬件电路图电路写成C 语言编程，接着用Keil 编译器，就得到了我们所要求的HEX 文件，最后用Proteus 或者Keil 软件进行了系统的模拟和联调。最后的仿真结果，也满足了设计需求。

引用

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