亮度自適應的智能臺燈設計

陳炳飛 周朝霞 邱義 陳清福 肖楊凡

摘 要：為解決生活中“白晝燈”或“長明燈”的浪費現象，文中設計一款個性化、智能化的便攜式臺燈。該臺燈以單片機HT66F70A為主控制器，通過人體感應模塊探測室內是否有人以便實現智能化開關燈操作；采用光敏感應模塊來探測周圍環境亮度，實時輸出人眼舒適的臺燈亮度，同時用戶還可通過手勢距離自主調節臺燈亮度。經過不同場景的測試，該臺燈性能穩定，實現了臺燈亮度的自適應功能。

關鍵詞：臺燈亮度；人體感應；光敏感應；手勢

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）07-00-04

0 引 言

隨著經濟的發展和社會的進步，人們對照明的追求也由亮度和價格逐步轉變為品質、環保以及舒適等保證工作區光照良好的視覺環境，對提高學習和辦公質量，提高工作效率以及保護身體健康至關重要[1，2]。臺燈使用廣泛，生活中隨處可見。在使用過程中，普通臺燈無法調出人們所需的、眼睛感到舒適的光線亮度[3]。即現有的普通臺燈大多只有開、關操作，無邏輯時序及亮、暗調光控制等功能，特別依賴于人們的主動性[4，5]，已無法滿足人們對智能化生活的需求，特別是對于青少年學習群體而言，一款個性化、智能化的學習型臺燈更適合他們。

近年來，能源浪費是社會發展過程不容忽視的問題，中國是世界上能源浪費最嚴重的國家[6]，抑制不合理能源浪費是能源消費革命的基本任務和要求[7]。生活中經?？梢钥吹健伴L明燈”或“白晝燈”等現象，要解決此問題除了靠人的主觀能動性外，還需輔以節能技術來實現。

從市場規模來看，針對青少年的學習型臺燈的需求主要體現在個性化與功能智能化、人性化兩方面。因此，本文設計一款低功耗、用戶不在自動關燈、亮度隨環境自動調節或用戶通過手勢自主調節亮度的個性化、智能化、人性化臺燈。

1 總體設計

本智能臺燈系統包括感應用戶自動開關臺燈功能、環境光自適應控制臺燈亮度功能和手勢控制臺燈亮度功能，總體框架如圖1所示。

（1）感應用戶自動開關臺燈功能：通過人體感應模塊感知臺燈周圍是否有用戶存在來實現開關燈動作，即用戶在臺燈旁邊便自動打開臺燈，用戶離開之后自動關閉臺燈以節省用電；

（2）環境光自適應控制臺燈亮度功能：通過光敏采集模塊來實現根據周圍環境光照強度實時調節臺燈亮度，使輸出光照滿足人眼的舒適度要求；

（3）手勢控制臺燈亮度功能：如果用戶對通過光敏模塊調節的臺燈亮度不滿意，則可以通過手勢自主調節臺燈亮度。

本系統對臺燈亮度調節部分的設計充分考慮了人眼對光線強度的適應能力，所以臺燈光線強度的變化均呈緩慢遞增或遞減狀。本產品設計不僅包括控制系統設計，還包括外觀設計?？刂葡到y設計主要完成信號采集、處理、交互任務，并把控制系統安裝在臺燈底座。外觀設計主要考慮臺燈的便攜性和個性化。

2 硬件設計

本系統控制器選用型號為HT66F70A的合泰單片機。不僅價格低廉、功耗低，且運算速度快。該芯片集成了A/D轉換功能和PWM輸出模塊，是一款適合民用產品開發的控制器。本產品的硬件系統設計不僅包括HT66F70A最小系統和電源電路設計，還包括3個功能模塊，即人體感應模塊、手勢模塊和光敏模塊。系統硬件的總體框架如圖2所示。

2.1 人體感應模塊設計

人體感應模塊的設計選用高靈敏度的熱釋電紅外傳感器，該傳感器是由一種高熱電系數廣譜材料制成的探測元件。該傳感器可探測人體輻射的紅外光，實現在其探測范圍內的人體檢測[8]。因此，在該傳感器的基礎上加以適當的濾波、信號放大，使人體進入該模塊的探測范圍后，可通過Dout引腳輸出一個高電平，電路原理如圖3所示。單片機定時檢測該Dout引腳的信號，當該引腳持續輸出高電平時，表明臺燈周圍有用戶存在。

2.2 手勢測距模塊設計

超聲波測距是一種非接觸式檢測方式，在使用中不受光照度和電磁場等因素影響，加之其信息處理簡單、速度快、成本低，在機器人避障、定位和液位測量等方面已經有了廣泛的應用[9]。本產品的超聲波模塊采用HC-SR04模塊，該模塊共有4個引腳，分別為VCC，GND，Trig（控制端）和Echo（接收端）。硬件只要將Trig和Echo與主控器的普通I/O引腳相連即可，如圖4所示。

超聲波測距工作原理：測距時，主控芯片通過Trig引腳給出一個10 μs的脈沖，啟動該模塊測距。模塊內部會自動發送8個40 kHz的方波，并自動檢測是否有信號返回。當有信號返回時，Echo引腳會輸出一個高電平，并且該高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間，超聲波測距時序如圖5所示。主控芯片給出啟動脈沖之后，開始檢測Echo引腳是否變成高電平，如果檢測到Echo引腳變成高電平，則啟動計數器開始計時，直到Echo引腳變成低電平，停止計時得到時間t。由s=（v·t）/2就可計算出發射點到障礙物的距離s，其中v是聲音在空氣中傳播的速度（340 m/s）。

本文所述的手勢感應模塊主要通過超聲波測距模塊來實現，通過測量手勢和超聲波模塊的距離來控制臺燈的亮度。即當手勢離超聲波模塊越遠，則視為用戶要調高臺燈的亮度，主控芯片調高輸出的PWM脈沖寬度；手勢離超聲波模塊越近，則視為用戶要降低臺燈的亮度，主控芯片降低輸出的PWM脈沖寬度。

2.3 光敏模塊設計

光敏模塊采用性能穩定的光敏二極管傳感器，當周圍環境的光照亮度改變時，光敏二極管上的電壓也相應的產生變化，這是由于光照產生的載流子參與導電，在外加電場的作用下作漂移運動，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負極，從而使光敏二極管的阻值迅速下降[9]。主控芯片利用自身集成的A/D模塊采集該變化電壓，并進行轉換得到光照強度，光敏模塊電路如圖6所示。隨后主控芯片根據光照強度等級控制輸出的PWM脈沖寬度實現對臺燈亮度的調節。

2.4 軟件設計和測試

本產品的軟件設計主要包括檢測人體感應模塊是否檢測到有人進入臺燈的范圍、對光敏模塊的電壓進行采集和轉換、對手勢距離進行測量、輸出PWM波控制臺燈的亮度和定時巡檢決定是否停止臺燈工作。

軟件設計流程如圖7所示。程序初始化后實時檢測人體感應模塊的信號輸出口，當其變為高電平時，判定為用戶要使用臺燈。啟動定時巡檢程序，實時判斷用戶是否離開。在用戶離開一段時間后，如果燈沒有關，則執行關燈操作，以節省用電。經過定時巡檢程序之后，開始判斷臺燈亮度的控制模式，如果是手勢控制模式，則通過手勢控制臺燈的亮度；否則根據采集的光照強度實時調節臺燈亮度。在手勢控制模式下，首先判斷是否有新手勢，如果有再判斷是否為關燈手勢，若是關燈手勢則執行關燈操作；若非關燈手勢則通過測量手勢距離調節PWM波控制臺燈亮度，其調節方式為手勢遠離臺燈則臺燈慢慢變亮，反之則臺燈亮度變暗，如果手勢距離超出范圍，則保持臺燈亮度不變；如果沒有新手勢，則保持臺燈亮度不變。之后在手勢控制臺燈亮度的過程中，加入適當的延時濾波，以避免誤觸發手勢亮度控制。在環境光控制模式下，主控芯片通過A/D轉換模塊采集光敏模塊的電壓變化，并進行光照強度轉換，根據周圍環境的光照強度等級實時自適應調節臺燈的輸出亮度。

2.5 臺燈外觀規格和實物

本產品的設計不僅包括臺燈控制系統的設計，還包括臺燈的外觀設計。目前市場上臺燈的外觀各式各樣，種類繁多。本產品在設計過程中，主要考慮的是產品的便攜性和個性化。臺燈的支架設計成可折疊式，折疊之后占用的體積較小。產品詳細的外觀規格如圖8所示。產品實物如圖9所示。

3 測試

3.1 光敏模塊測試

在不同的環境光下對光敏模塊進行測試，如圖10和圖11

所示。圖10是在傍晚時測試，當時天色漸黑，根據環境光照強度開啟臺燈并將臺燈的亮度控制在一定等級下進行工作；

圖11是在中午時進行測試，當天屬于晴天，臺燈根據環境光照強度自動關閉。

3.2 手勢模塊測試

通過手勢控制臺燈的亮度如圖12和圖13所示。圖12中，手勢離臺燈越遠，臺燈的亮度越亮；圖13中，手勢離臺燈較近，近到一定距離后視為關燈操作。

4 結 語

本文設計的臺燈是針對青少年群體和生活中的“長明燈”浪費現象而設計的一款智能化、個性化和人性化臺燈。它實現了用戶離開時自動關燈；可根據環境光照強度智能調節臺燈亮度，自適應輸出適合人眼舒適度的亮度；用戶也可通過手勢距離控制臺燈的亮度等。經過大量實際測試，結果表明該產品性能穩定，實現了臺燈亮度的智能化控制。目前，在人們對智能產品的要求不斷提高和在資源節約型社會的倡導下，本產品將擁有巨大的市場應用前景。將來也可在本產品的基礎上進行功能拓展，如增加藍牙模塊或WiFi模塊，實現在手機上對臺燈進行更加智能化的控制。

參考文獻

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