基于单片机的智能加湿台灯设计

郭晓

（1.河南理工大学鹤壁工程技术学院，河南鹤壁，458030；2.鹤壁职业技术学院，河南鹤壁，458030）

0 前言

干眼症是指任何原因造成的泪液质量异常或动力学异常，导致泪膜稳定性下降，并伴有眼部不适、眼组织病变为特征的多种疾病的总称。手机、电脑等电子设备的广泛使用及空调的普及是干眼症形成的主要原因之一，我国干眼患病率约为6.1%～52.4%[2]。LED是由半导体材料制作，属于冷光源，具有眩光小、辐射低等优点，非常适合晚上看书、看电脑等人群。将LED灯与加湿器结合，不仅可以减少灯光对眼睛的伤害，还可以通过改善环境湿度，降低干眼症的发生，有效保护人们的眼睛健康。

本文基于单片机AT89C52设计了一款智能化加湿器台灯，可实现照明、温湿度显示、自动加湿及休息提醒等功能，该设计是以AT89C52单片机为控制核心，20个LED灯为照明设备，温湿度传感器DHT11为温湿度监控设备，配以蜂鸣器、按键、LCD1602液晶显示器等组成。设计的基本要求为：除可以提供照明外，还可以显示环境的温湿度，根据设置的湿度阈值自动控制加湿器的开关，通过设置休息提醒时间提示休息。

1 设计原理

本次设计的智能加湿台灯主要由7部分组成，分别是：温湿度传感器、单片机主控芯片、液晶显示器、按键控制、休息提醒、加湿器、LED照明灯。工作原理：（1）由温湿度传感器采集数据，输出数字信号给单片机；（2）单片机通过计算在显示器上显示环境温度和湿度；（3）可通过按键设置湿度的阈值，当环境湿度低于阈值时，自动打开加湿器，当湿度高于阈值时，自动关闭加湿器；如果不设置湿度阈值，默认的湿度阈值为45%RH。（4）可通过按键设置休息提醒时长，当时间到后，蜂鸣器响起并台灯自动关闭，提醒用户需要休息；如果不设置休息提醒时长，默认的休息提醒时长为40min。硬件原理图见图1。

图1 智能加湿台灯硬件原理图

2 硬件电路设计

本设计采用Proteus8软件进行仿真，用Keil μVision4进行程序编程。Proteus8可以完成原理图布图、代码调试、单片机与外围电路仿真及PCB板设计，支持IAR、Keil和MATLAB等多种编译器[3]。注：LED照明模块由20个1W的LED灯构成，由于仿真电路的空间有限，因此仅用5个LED灯表示。在加湿模块中，由于Proteus8软件没有加湿模块，因此仅有绿色的LED指示灯代表加湿器。硬件电路仿真图见图2。

图2 硬件电路仿真图

■2.1 单片机最小系统

单片机最小系统是指可以正常工作的最小电路，除单片机外，至少还需要晶振电路和复位电路。其中：晶振电路相当于单片机的心脏，为单片机提供源源不断的信号脉冲。本系统采用振荡频率为12MHz的晶振片，电容C1和C2的电容值大小均为30pF，分别与单片机AT89C52的XTAL1与XTAL2引脚相连。复位电路相当于电脑的重启系统，当单片机程序跑飞时，按下按键开关后程序将从头开始执行。复位电路由按键开关、电容和电阻构成，电容值大小为1μF，电阻值大小为10kΩ。复位电路与单片机AT89C52的RST引脚相连，当高电平持续时间大于两个机器周期时便可实现复位功能。

■2.2 LED照明模块

LED照明模块由20个LED灯组成，一排10个，LED灯通过脉冲宽带调整PWM进行灯光控制[3]。其中：1个LED灯功率为1W，台灯额定功率为20W。脉冲宽度调制PWM调光原理：在固定的时间周期T内，通过改变灯光点亮与熄灭的时间比值（占空比）实现LED灯光控制。在实际应用中，为避免灯光闪烁引起的眼睛不适，根据人眼对光的残留效应，周期T要小于20ms，即脉冲频率大于50Hz。通过按键加、按键减实现占空比的改变，以达到调节灯光的目的。LED照明模块见图3。

图3 LED照明模块

■2.3 温湿度传感器DHT11

温湿度传感器DHT11[4]是由温湿度传感模块和数字采集模块构成，采用单线串行接口和4针单排引脚封装。DHT11具有精度高、可靠性高、稳定性强、集成简易、连接方便等特点。其湿度量程为5%～95%RH，精度为±5%RH，温度量程为-20℃～+60℃，温度精度为±2℃。

连接方式：温湿度传感器DHT11输出引脚接单片机AT89C52的P2.0引 脚。其中，需要在输出端接4.7k的上拉电阻，作用是将不确定的信号置于高电平和限制电流，目的是防止信号干扰和保护I/O引脚。DHT11模块见图4。

图4 温湿度传感器模块

■2.4 LCD液晶显示器

本设计采用LCD1602液晶显示器，能够显示字母、数字和符号。液晶显示器与单片机采用直接控制方式，即LCD1602液晶显示器的8根数据线和3根控制线E、RS和R/W与单片机直接相连。单片机AT89C52的P0引脚漏极开路，如果LCD1602的数据端口内阻较大，可能会发生通讯异常，因此使用外部上拉电阻作为电平转换芯片。

■2.5 按键模块

按键模块由5个独立按键组成，分别完成台灯开关、湿度阈值设置、休息提醒时间设置、灯光亮、灯光暗、五个功能，分别接AT89C52单片机的P3.0～P3.4引脚。

■2.6 休息提醒模块

休息提醒模块的主要功能是为了提醒用户休息，防止长时间看屏幕造成眼睛疲劳。休息提醒时长可设置或默认，默认时间为40，时长设定后将会倒计时。当倒计时结束，台灯发出警报提醒用户注意休息。该模块主要由两部分组成：第一部分为蜂鸣器；第二部分为按键，可用来设置休息提醒时长。当超过设置时长时，引脚被置为低电平，蜂鸣器报警，同时台灯关闭。休息提醒模块见图5。

图5 休息提醒模块

■2.7 加湿器模块

加湿器模块主要由三部分组成：电磁继电器、指示灯和超声波加湿器。继电器相当于加湿器的开关，闭合时，LED指示灯亮，加湿器开始工作。通过一个三极管控制继电器的通断：低电平导通，高电平断开。三极管通过P3.7引脚与AT89C52连接。

3 程序设计

■3.1 加湿器流程

首先，对单片机、液晶显示屏、温湿度传感器初始化；然后，单片机读取温湿度传感器的数据，通过计算将数字电压信号转换为温湿度值，并传输给显示器显示；再次，如果湿度值低于阈值（设置或默认），将自动打开加湿器，且加湿器指示灯（绿色）亮起。如果低于阈值，加湿器自动关闭。最后，不断读取温湿度值，重复以上操作[5]。

■3.2 休息提醒流程

首先，对单片机、液晶显示屏、温湿度传感器初始化；然后，判断是否手动设置了休息提醒时长，如果手动设置了休息提醒时长，按照设置地进行倒计时，如果没有手动设置休息提醒时长，则按照默认的40min进行倒计时。程序设计流程图见图6。

图6 程序设计流程图

4 软硬件调试

■4.1 仿真调试

根据硬件电路系统设计，使用Proteus8进行仿真调试，连接好单片机及各个模块引脚，进行仿真调试。（1）设置湿度阈值为45%RH，显示器显示当前湿度为43%RH，加湿器自动开始工作，且指示灯亮起。（2）设置休息提醒时长为2min，倒计时2min后，蜂鸣器响，且LED照明灯关闭。（3）通过多次按键加减，LED灯光亮暗调整正常。通过调试各个模块均能正常工作。

■4.2 硬件调试

按照仿真连接实物，排查连接线是否正确，确定无误后，对实物进行通电调试。调试步骤为：（1）将编译后的十六进制程序文件烧录到单片机内；（2）按台灯开关键，查看LED灯能否正常打开与关闭。然后按调光加或减，查看LED灯能否变亮或变暗；（3）查看显示器能够正常显示温度与湿度；（4）设置湿度阈值高于和低于当前湿度，查看加湿器能否正常打开和关闭；（5）设置休息提醒时长，查看蜂鸣器是否正常启动与关闭，台灯能否自动关闭。均无问题后，硬件调试完成。

5 结语

智能加湿器台灯的设计思路来自平时的生活和工作，因需要长时间看电脑，经常会出现腰酸背痛及眼睛疲劳等情况，尤其冬季空气干燥，更容易出现眼睛干涩。通过局部的加湿，不仅可以改善环境湿度，还有利于减少电脑屏幕的紫外线辐射，降低对眼睛的损伤。本次设计的智能加湿台灯，可通过设置湿度阈值，自动开启、关闭加湿器，增加局部环境湿度。同时，可通过设置休息提醒，提示用户休息，缓解腰酸背痛，减少视疲劳，有效降低用户干眼症的发生率。随着人们对智能化要求的不断提高，未来台灯将更加智能化，比如人机互动、自动灯光控制、坐姿矫正提醒、视频通话、手机无线充电等，将是我们后续工作的目标[6]。