基于单片机的智能调光台灯设计

2022-12-03陈新芬邱小华金琦淳岳睿

鄂州大学学报 2022年4期

关键词：台灯亮度按键

陈新芬，邱小华，金琦淳，岳睿

(1.无锡城市职业技术学院机电工程学院，江苏无锡 214153；2.无锡市宏源弹性器材有限公司，江苏无锡 214161)

LED 作为一种固态冷光源，是继白炽灯、荧光灯、高强度放电灯之后的第四代新光源。本文研究基于单片机的智能LED 台灯设计，具有智能调节照明亮度，感应人员存在，达到人在灯亮，人走灯灭，节能环保的照明目的。

1 设计功能描述

本设计以STC89C52 单片机为主控芯片，利用C 语言编程，通过PWM技术实现智能调光台灯十级照明亮度功能。智能台灯可以工作在两种照明模式：自动照明模式和手动控制模式。

自动照明模式中，利用HC-SR501 人体红外传感器感知人员活动信息[1]，同时利用光敏传感器感知当前环境光照强度，达到人在时，灯开，并控制LED 灯工作在合适的亮度等级。

手动控制模式中，利用功能切换按键，以及亮度增、减两个功能按键，实现台灯普通状态下手动控制照明亮度功能。

2 硬件设计

2.1 硬件电路图

本系统由主控单片机芯片STC89C52，电源，按键，LED 指示灯，光敏电阻，模/数转换芯片ADC0832，人体热释电红外传感器HC-SR501，照明用并联LED 小灯模块，以及若干电阻，电容，三极管等部分组成，其中STC89C52 单片机为本设计的控制核心[2]。原理图如图1 所示。

图1 电路原理图

2.2 单片机最小系统

单片机最小系统由STC89C52 单片机芯片(MCU)、晶振电路、复位电路、电源电路组成[3]。设计中的上电复位电路由电源，电阻R4，电容C1串联构成。系统上电时，电容C1 和电阻R4 的连接处，由于电容瞬间充电，会产生有效的单片机复位所需高电平，此高电平连接到单片机的9 号引脚RST(Reset)。单片机工作所需的晶振电路则由12MHZ 晶振X1，以及两个30PF 电容C2，C3构成，晶振电路为最小系统提供基准时钟信号，单片机内部的工作以此时钟信号为基准[4]。

2.3 红外感应电路

设计中，红外感应模块采用集成热释电红外线模块HC-SR501。该模块是基于红外线技术的全自动感应模块，能以非接触形式检测人员活动信息，对人体辐射出的波长在10μm 左右的红外线感应灵敏度高，抗干扰能力强。该集成传感器体积小并可以实现低电压工作模式，广泛应用于各类自动感应电器设备中。

红外感应模块的工作电压为+5V，工作状态适应温度在-15℃～+70℃，感应角度在＜100 度锥角范围内可调，感应距离可以达到7m，反应延时时间短。触发方式分为不可重复触发以及重复触发，输出高电平有效。

本设计中，利用跳线的办法，将红外模块设置为重复触发工作方式。当人员出现在感应范围内时，模块输出有效高电平给到单片机P2.2 引脚。在延时时间段内，持续检测到人员活动信息时，红外模块重复触发方式下，引脚持续输出高电平信息给到单片机芯片。

2.4 光敏感应电路

设计中光照强度采集电路选用光敏电阻、ADC0832 模/数转换芯片等元件构成。光敏电阻R1 与10KΩ 固定值电阻R6 串联分压VCC，电阻R6 两端的电压值直接反应当前环境光照强度:当环境光照较强时,光敏电阻的阻值较小,电阻R6 两端分压VCC，分得的电压值较高；当环境光照较弱时，光敏电阻的阻值较大，电阻R6 两端的分电压值较小。环境光照越强，电阻R6 两端电压值越高，是直接反应环境光照的一个模拟量电压值。

上述反应环境光照强度的电压值是一个连续的模拟量值，单片机无法直接识别和处理，设计中，将此电压值送入ADC0832 模/ 数转换芯片实现数字量转换,转换后对应的数字量电压值送入单片机P2.1 口，为智能台灯的亮度调节做参考。

设计中选用ADC0832 作为A/D 转换芯片，ADC0832 为8 位分辨率A/D 转换芯片，其最高分辨可达256 级。ADC0832 处理数据的误差较小、转换速度快、稳定性能强，能与多个器件以及处理器连接，操作简便。

2.5 独立按键电路

设计选用三个独立按键：K1，K2 和K3，分别与单片机的P1.1，P1.2 和P1.3 三个I/O 口连接。K1 为工作模式切换按键，按下K1 台灯实现自动照明模式与手动照明模式之间切换。此设计中，台灯照明亮度等级划分为十档，K2 为亮度增加按键，连续按下K2 逐渐增加照明亮度，K3 为亮度降低按键，连续按下K3 逐渐降低台灯照明亮度。K2和K3 按键只能在手动照明工作模式下才发挥作用。自动照明模式下，台灯的照明亮度取决于环境光照及是否有人。

2.6 照明电路

照明模块采用独立LED 灯结构，模块通过USB 接口与单片机控制电路连接。智能台灯不用时，照明模块可以独立取下单独保存，使用时通过USB 接口连接控制电路。这样的设计使得照明模块电路便于检修和维护。

照明模块内部包含6 个并联的白色LED灯，每个LED 灯各自串联1 个限流电阻。照明模块电路采用PNP 三极管S8550 驱动，三极管基极串联一个限流电阻后连接单片机P1.4 接口，三极管发射极接VCC 电源，集电极连接LED 灯后连到电源地。只要单片机P1.4 口输出一个低电平信号，即可控制三极管导通，继而点亮LED照明灯。

2.7 指示灯电路

设计中利用一个绿色发光二极管D1 与一个1KΩ 的限流电阻R5 串联构成指示灯电路。指示灯电路发光二极管的亮灭标志着智能台灯的工作模式：绿色发光二极管点亮时，台灯工作于自动照明模式。发光二极管熄灭时，台灯工作于手动照明模式。指示灯电路连接单片机P1.0 接口。当按动K1 按键，P1.0 口输出低电平时，指示灯电路点亮，智能台灯进入自动照明模式[5]。

3 软件设计

接通电源，按下电源开关，系统进入主程序流程：首先定时器及中断系统初始化，系统上电后，模式指示灯绿色LED 灯点亮，示意系统上电后台灯默认进入自动照明模式，自动采集当前环境光照强度，对应当前环境光强，选择对应档位亮度点亮台灯。主程序接着循环检测模式切换按键1 是否按下：如果当前工作模式选择为手动控制模式，则程序调用手动工作模式子程序。如果当前工作模式选择为自动照明模式，则程序调用自动照明模式程序。在手动照明模式中，K2 和K3设计为亮度调节增减按键，通过按键K2 和K3 的增减功能，最终确定智能台灯的当前照明亮度等级。在自动照明模式中，系统自动采集当前环境光照强度，并根据当前环境光照，依照程序设计，控制智能台灯实现对应等级的照明亮度。环境光线越暗，智能台灯亮度越大。本设计中，智能台灯亮度等级设计为十级照明亮度等级。在智能照明模式中，台灯照亮的同时，自动检测当前环境是否有人，如果有人员活动，则台灯持续保持照明。如果人员离开，则智能台灯延时1 分钟后自动熄灭，达到节能环保的目的，图2 为智能台灯的主程序流程图。

图2 主程序流程图

4 仿真调试

利用Proteus 仿真软件，绘制本设计硬件电路。利用keil 编程，编译成目标代码后，输入仿真系统单片机芯片中。在仿真系统中，热释电人体红外传感器，用按键K4 开关代替，当按键K4 按下时，代表有人。光敏电阻阻值随环境光照强度变化用滑动变阻器RV1 代替。系统上电后，仿真界面显示绿色LED 指示灯D1 点亮，标志着程序进入自动照明模式：按键K4 此时按下，代表人在，同时滑动变阻器RV1 滑到最右端，代表当前环境为最暗状态，此时，照明LED 台灯D2 达到最大亮度。自动照明模式中，环境人在时，模拟环境亮度的滑动变阻器从最右端滑动到最左端，代表当前环境由黑变亮，仿真中可以看到照明LED 灯D2 亮度逐级降低，直至熄灭。自动照明模式下仿真电路如图3 所示。自动照明模式中，黑夜环境下，人体红外模拟按键弹起，代表人员离开，则系统进入延时倒计时，当延时到1 分钟时，系统自动熄灭照明LED 灯D2，达到人走灯灭的效果。

图3 自动照明仿真图

按下模式切换键K1，绿色LED 模式指示灯D1 熄灭，代表系统进入手动照明模式，此时，照明LED 台灯D2 的亮灭完全受K2 和K3 亮度等级设定按键控制，光敏电阻感知环境亮度及人体红外感应失去控制作用。

5 测试

实物焊接制作检测完成后，利用在线烧录软件STC-ISP 下载软件将编译后的.hex 机器文件烧录到STC89C52 单片机芯片中[6]，插上电源，给系统上电，台灯执行智能照明模式：绿色LED 指示灯亮起，光敏采集电路开始工作，自动采集环境光线，确定当前照明亮度等级。人体红外传感器同时工作，人员离开超过一分钟，则台灯自动熄灭，人在，则台灯持续保持照明状态。在自动照明模式中，人来则灯开，人走，灯延时一分钟熄灭。按下K1 模式切换按键，绿色LED 模式指示灯熄灭，系统进入手动照明模式，此时台灯照明亮度取决于K2 和K3 按键的调节。人体红外传感器以及光敏感应电路不再发挥智能感应作用。自动模式实物图如图4 所示。