智能護(hù)眼臺(tái)燈設(shè)計(jì)

田軍委，肖清林，張 波，馬 林，肖晨光

（西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

為了改善目前近視眼高發(fā)的現(xiàn)狀，需要青少年養(yǎng)成良好的用眼用腦習(xí)慣。目前市場(chǎng)上有關(guān)于坐姿和體型校正等相關(guān)類似的產(chǎn)品，但對(duì)于光線強(qiáng)度的自動(dòng)調(diào)節(jié)、用眼時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的提醒等功能尚無(wú)有效手段和產(chǎn)品進(jìn)行補(bǔ)償修正，因此有必要研制一款可控制光照亮度和學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)的智能護(hù)眼臺(tái)燈，以改善用眼用腦環(huán)境。

本課題從實(shí)際出發(fā)，以解決生活實(shí)際問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)，所設(shè)計(jì)的智能護(hù)眼臺(tái)燈具自動(dòng)調(diào)節(jié)光源亮度，根據(jù)用戶距離臺(tái)燈距離產(chǎn)生報(bào)警。此設(shè)計(jì)為青少年學(xué)生長(zhǎng)時(shí)間看書(shū)學(xué)習(xí)以及在光線昏暗的環(huán)境下學(xué)習(xí)等不當(dāng)?shù)挠醚墼斐傻膫ΓO(shè)計(jì)出一款具有自動(dòng)調(diào)節(jié)光亮，定時(shí)報(bào)警，坐姿矯正等功能于一體的智能化LED臺(tái)燈。該設(shè)計(jì)可以解決環(huán)境光線的自動(dòng)調(diào)節(jié)，不當(dāng)姿勢(shì)的報(bào)警提示等功能。

1 系統(tǒng)的工作原理

光亮檢測(cè)裝置用于檢測(cè)外界環(huán)境的光強(qiáng)并傳輸給處理器，MCU處理器根據(jù)外界采集來(lái)的亮度值判斷外界環(huán)境的光線明暗從而通過(guò)調(diào)節(jié)輸出的電壓來(lái)調(diào)節(jié)LED燈的亮度。而測(cè)距模塊用來(lái)測(cè)量人距離某個(gè)參考點(diǎn)的距離值，MCU通過(guò)數(shù)據(jù)處理來(lái)判段是否超出設(shè)定的參考距離從而判斷是否報(bào)警。而時(shí)間處理函數(shù)會(huì)記錄時(shí)間值，當(dāng)用戶長(zhǎng)時(shí)間處于燈下工作或?qū)W習(xí)時(shí)系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警甚至關(guān)閉臺(tái)燈。總體功能方案如圖1所示。

圖1中，光亮檢測(cè)部分用于檢測(cè)外部光照強(qiáng)度，以此作為自動(dòng)調(diào)節(jié)燈具亮度的依據(jù)；時(shí)鐘模塊主要提供定時(shí)功能，作為系統(tǒng)控制時(shí)間參考；檢測(cè)傳感模塊用于檢測(cè)學(xué)生或用戶和參考點(diǎn)的距離變動(dòng)情況，以此判別用戶的學(xué)習(xí)姿態(tài)；報(bào)警模塊主要實(shí)現(xiàn)聲音的報(bào)警信號(hào)；驅(qū)動(dòng)部分為L(zhǎng)ED提供恒流驅(qū)動(dòng)和不閃爍調(diào)光功能；處理器用于實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)控過(guò)程。

圖1 總體功能方案圖Fig.1 Diagram chart of the overall function

2 超聲波測(cè)距模塊

超聲波測(cè)距使用了時(shí)間檢測(cè)法，即由主控制芯片產(chǎn)生40 kHz的脈沖信號(hào)經(jīng)超聲波發(fā)射模塊發(fā)出，超聲波遇到障礙物返回由超聲波接收模塊接收，通過(guò)接收和發(fā)射的時(shí)間差值的一半與超聲波在空氣中的床波速度之積來(lái)計(jì)算障礙物和超聲波發(fā)出點(diǎn)的位距離[1]。

超聲測(cè)距模塊的電路包括發(fā)射電路、接收電路、放大電路、檢波電路及其他輔助電路構(gòu)成。在超聲測(cè)距模塊中采用接收和發(fā)射分離的方式有兩個(gè)好處：一是收發(fā)信號(hào)不會(huì)混疊，接收探頭所接收到的純?yōu)榉瓷湫盘?hào)；二是將接收探頭放置在合適位置，可以避免超聲波在物體表面反射時(shí)造成的各種損失和干擾，提高系統(tǒng)的可靠性[2]。其原理框圖如圖2所示。

圖2 超聲波測(cè)距原理框圖Fig.2 Block chart of ultrasonic ranging principle

3 光亮檢測(cè)模塊

光亮檢測(cè)的基本原理主要是通過(guò)光敏感材料感知光線強(qiáng)度的變化，輸出不同的模擬量；目前光敏元件發(fā)展迅速、品種繁多、應(yīng)用廣泛。市場(chǎng)出售的有光敏電阻、光敏二極管、光電三極管、硅光電池等[3]。

由于人的眼睛對(duì)光特別敏感，有一個(gè)最適合其工作的光亮度閾值范圍。若光亮度小與此范圍，則眼睛看東西比較吃力，長(zhǎng)此以往會(huì)導(dǎo)致視力下降并影響健康；若周圍環(huán)境光亮度太強(qiáng)，不但浪費(fèi)了能源，而且由于光亮度刺激太強(qiáng)而影響使用者眼睛的健康同時(shí)也會(huì)影響燈本身的使用壽命[3]。

查閱相關(guān)資料知光敏電阻、光敏二極管、光電三極管的主要參數(shù)如表1所示。

表1 幾種常見(jiàn)光亮檢測(cè)元件主要參數(shù)Tab.1 Severalmain parameters of the light detecting elem ents

由于在本設(shè)計(jì)中需要對(duì)于環(huán)境光強(qiáng)敏感度要求較高的材料作為光亮檢測(cè)的材料。由于光敏二極管對(duì)環(huán)境光強(qiáng)最敏感，一般用來(lái)檢測(cè)周圍環(huán)境的亮度和光強(qiáng)，并且光敏二極管方向性較好，可以感知固定方向的光源[4]。

綜上所述：選擇光亮檢測(cè)模塊作為光亮檢測(cè)的材料。

4 電位器模塊

電位器在電路中起到的作用有3個(gè)方面：分壓器、變阻器、電流控制器。在分壓器中，電位器是可調(diào)節(jié)的連續(xù)電阻器，隨著電位器手柄的滑動(dòng)調(diào)節(jié)，可以產(chǎn)生一定的相應(yīng)變化的輸出電壓。而用作變阻器時(shí)，可以在一定的行程范圍內(nèi)獲得比較連續(xù)變化的的電阻值。而在此我們考慮到電燈強(qiáng)弱在實(shí)際運(yùn)用中不符合個(gè)人的視覺(jué)習(xí)慣，故選擇了變阻電位器來(lái)進(jìn)行人眼光感的調(diào)節(jié)。

5 軟件控制部分

軟件設(shè)計(jì)的原則包括：1）可靠性；2）健壯性；3）可修改性；4）可測(cè)試性；5）效率性；6）容易理解等要求。可靠性是指軟件在測(cè)試運(yùn)行過(guò)程中避免可能發(fā)生故障的能力，且一旦發(fā)生故障后[5]，具有解脫和排除故障的能力；健壯性是指是指軟件對(duì)于規(guī)范要求以外的輸入能夠判斷出這個(gè)輸入不符合規(guī)范要求，并能有合理的處理方式；可修改性是指以科學(xué)的方法設(shè)計(jì)軟件，使之有良好的結(jié)構(gòu)和完備的文檔，系統(tǒng)性能易于調(diào)整；可測(cè)性是指軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中要求設(shè)計(jì)一個(gè)適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)集合[6]，用來(lái)測(cè)試所建立的系統(tǒng)，并保證系統(tǒng)得到全面的檢驗(yàn)；效率性一般用程序的執(zhí)行時(shí)間和所占用的內(nèi)存容量來(lái)度量，當(dāng)達(dá)到原理要求功能指標(biāo)的前提下，程序運(yùn)行所需時(shí)間愈短和占用存儲(chǔ)容量愈小，則效率愈高；容易理解要求軟件本身具有簡(jiǎn)單明了的結(jié)構(gòu)，方便程序的修改和移植。

軟件設(shè)計(jì)要求高內(nèi)聚低耦合。所謂高內(nèi)聚是指一個(gè)軟件模塊是由相關(guān)性很強(qiáng)的代碼組成，只負(fù)責(zé)一項(xiàng)任務(wù)，也就是常說(shuō)的單一責(zé)任原則[7]。低耦合是指一個(gè)完整的軟件系統(tǒng)，模塊與模塊之間，盡可能的使其獨(dú)立存在。

本課題采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，將各個(gè)硬件模塊分別調(diào)試然后各模塊的程序在聯(lián)調(diào)的方法。按設(shè)計(jì)思路軟件調(diào)試部分分為光亮檢測(cè)模塊，報(bào)警模塊，超聲測(cè)距模塊，PWM調(diào)光模塊的軟件設(shè)計(jì)[8]，軟件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 軟件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The chart of software design

6 總體功能流程圖

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試及適用性要求，設(shè)置了主要3大功能：讀取距離和距離合理值的判斷，讀取光強(qiáng)和光強(qiáng)值的判斷，自感柔和度的人性化調(diào)節(jié)。其總體功能流程圖如圖4所示。

圖4 總體功能流程圖Fig.4 Flow chart of the overall function

7 結(jié) 論

本文通過(guò)C8051F340型主控制芯片，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后以測(cè)得環(huán)境的亮度值，以PWM的方式調(diào)節(jié)LED的亮度，以超聲測(cè)距傳感器來(lái)進(jìn)行距離的測(cè)量，設(shè)計(jì)出一款具有自動(dòng)調(diào)節(jié)光亮，坐姿矯正等功能于一體的智能化LED臺(tái)燈。該設(shè)計(jì)可以解決環(huán)境光線的自動(dòng)調(diào)節(jié)，不當(dāng)姿勢(shì)的報(bào)警提示等功能的智能護(hù)眼臺(tái)燈。相對(duì)于市場(chǎng)上臺(tái)燈而言，避開(kāi)了其功能單一化特點(diǎn)，而具有多個(gè)功能的集成化和自動(dòng)化等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，具有成本低廉、性能優(yōu)越具有良好的實(shí)用性和商業(yè)價(jià)值。

[1]吳研．超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]．北京：北京理工大學(xué)，2005．

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[5]一種護(hù)眼臺(tái)燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].青島：山東科技大學(xué)，2010.

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