基于單片機的智能書房燈系統設計

蘇州工業園區工業技術學校 江蘇聯合職業技術學院蘇州工業園區分院，江蘇蘇州215121

一、前言

在當前社會中，學生的學習任務繁重，每天他們都會有很長一段時間與書桌、書本為伴，當夜幕降臨時，當陰天光線不足時，他們就需要一盞合適的臺燈。這盞燈有著合適的亮度，能夠保護他們的視力，當他們在認真學習時不用再去關注燈光是否合適；當他們有事離開忘記關燈時，燈會自動關閉。固此，我們需要有一盞智能化的臺燈，來幫助孩子們更好更舒適地學習。

時代在不斷進步，同時科學技術和人民生活水平也在不斷進步，人們對于生活品質的要求也在不斷提升，智能化是提升生活品質的重要手段，成為趨勢已成必然。早在幾年前，國外就已經開始了智能光控的研發和應用[1]，國內也出現了不少智能控制的臺燈，但是人們的要求在不斷提高，設計也需要不斷調整優化。本設計不僅考慮到智能調光，還考慮到了人離開忘記關燈的情況，進一步優化設計，起到節約能源的目的。

二、系統設計的目標和設計框圖

1、設計任務

單片機的智能書房燈系統，能夠實時檢測當前書房中的光線亮度、有無人在書房中。

2、設計要求

光敏模塊采集書房中的光線亮度，人體感應模塊采集有無人員在書房中，單片機控制系統接收這兩種信號，并與提前設置好的閾值做對比，發出控制信號控制書房燈的亮滅，同時單片機通過調節PWM秒沖，達到調光控制燈光的亮度。

3、設計框圖

設計思路：傳感器信息采集→傳感器信息處理→單片機控制。本設計主要由單片機控制模塊、人體感應模塊、光敏模塊、繼電器模塊、LED 照明模塊構成，結構框圖如圖 1 所示。

三、硬件設計

本設計是以 STC89C52 單片機為控制核心的智能書房燈設計。該系統分自動模式和手動模式。

1、STC89C52 單片機主控模塊設計

單片機控制模塊由主控芯片STC89C52為核心，復位電路和時鐘電路組成的最小控制系統構成。STC89C52單片機是一種低電壓、高性能、8位CMOS微處理器，可以擦寫達幾萬次以上，具有編程簡單，價格便宜，使用方便等優點。本設計采用上電復位和12MHz晶振的時鐘電路組成最小系統，具體電路如圖2所示。

光敏電路模塊：AD8217輸入端通過采集GR1端電壓，進行A/D轉換，將轉換結果通過其OUT口發送給單片機P2.7口，從而完成對于室內光線亮度的采集；

紅外熱釋電人體感應：采集紅外線感應器的高低電平情況，將結果發送給單片機P1.3口，從而完成對于有無人判斷；

繼電器控制模塊：單片機P1.0端口控制繼電器，從而實現對于書房燈的自動化控制。

2、人體感應模塊設計

人體感應模塊主要功能是檢測是否有人存在[2]，采用人體紅外傳感器HC-SR501，它具有靈敏度高、響應速度快、穩定性好、使用壽命長等優點，有數字輸出接口與主控芯片連接，檢測波長為10μm，因為正常人體會發出大概為10μm左右的紅外線[1]。當檢測到該波長的紅外線時（即人進入其感應范圍）則輸出高電平，當未檢測該波長的紅外線時（即人離開感應范圍）則自動延時關閉高電平，輸出低電平[3]。

3、光敏模塊設計

光敏電阻GR1是一種對光線強度比較敏感的元器件，不同的光線照射在該元件上會產生不同的阻值。亮度強，阻值就愈低，隨著亮度的升高，電阻值不斷變小至1kΩ以下[4]。當光線亮度變大，其電阻值會變小，此時GR1端的電壓值會變低，通過ADC采集GR1端電壓，然后將輸出信號發送到單片機，由單片機進行判斷亮度所處的范圍，從而調整書房燈亮度。

4、LED照明模塊設計

LED照明模塊的亮度調節采用PWM調光技術自動調節。PWM調光方式的原理是單片機輸出具有一定占空比的數字脈沖信號控制驅動器，使驅動器按照設置的頻率工作，以此控制開關速度，從而實現對LED平均電流控制，達到調光的效果。

四、軟件件設計

軟件設計思路：（1）系統具有兩種工作模式：手動模式、自動模式；（2）單片機控制模塊識別外部傳感器信號；（3）通過單片機編程產生簡單的數字脈沖信號（即PWM脈沖信號），實現調節LED 燈的亮度變化。

系統的手動、自動模式通過按鍵進行切換。當系統進入自動模式時，繼電器自動控制打開電源開關，通過紅外檢測是否有人，通過光敏電阻檢測亮度，當紅外檢測有人時點亮小燈，根據光敏檢測的亮度進行調整小燈的亮度；若紅外檢測沒人，則小燈等待一定時間后熄滅。

具體流程圖如圖3所示。

五、系統實現與結果

本設計設有手動和自動兩種模式，所有調試也將分別根據這兩種模式進行。

1、手動模式

在系統上電后，按下手動模式開關，進入手動模式。手動模式提前設置了幾個PWM脈沖占空比，通過按鍵次數設置不同的占空比，從而控制臺燈的亮度。手動模式沒有涉及到傳感器的應用，只應用了LED小燈照明系統，程序簡單，測試比較成功。

2、自動模式

在系統上電后，按下自動模式開關，進入自動模式。

（1）不同亮度調試

在測試自動模式時，為了使測試現象更為明顯，通過使用不同的遮光布掩蓋在光敏傳感器上，使得其獲得不同的亮度，LED臺燈隨著檢測到的不同亮度，能進行亮度的調整，調試成功。

（2）有無人的測試

系統啟動后，燈亮，檢測人員離開檢測范圍，達到設定時間仍未返回，則LED燈自動熄滅；

系統啟動后，燈亮，檢測人員離開檢測范圍，達到設定時間，返回至檢測范圍，LED燈正常運行。

通過上述測試，確認系統可以完成預期的目標，即可以手動調整燈的亮度，也可以通過自動方式控制燈的亮度，以及及時關閉電源，既保護了眼睛，又可以及時關燈，節約了電能。

六、結論

本文設計方案基本只是在原理層面上的設計，在仿真軟件中測試，仿真中的元器件以及環境都是理想的環境，沒有什么大的干擾，電路的工作狀態可以達到理論分析的效果。

后續將進一步從實際情況完善本文所提方案。按照本文設計的方案，將設計做成實物，在各類環境中進行測試，找出該方案在不同環境下的問題，并進行優化，將該方案最終達到最優設計。