基于人體感應的智能臺燈設計

王 健， 高 靖， 武 政， 張兆穎

（1 內蒙古農業大學 機電工程學院， 呼和浩特010053； 2 內蒙機械動力研究所， 呼和浩特010053；3 中國鐵路呼和浩特局集團公司車輛部， 呼和浩特010053）

0 引 言

隨著傳感器技術的發展和用戶需求的提升［1］，家用電器越來越智能化，給我們的生活帶來了極大的便利［2］。 在日常生活中，不管是工作還是學習，臺燈的使用非常普遍。 出于節能和護眼考慮，目前市場上許多臺燈具有亮度調節的功能，但大多通過手動來實現，如旋鈕調節或觸摸調節；且亮度調節使用的器件為光敏電阻，電能利用率低，同時也不具備人體感應和人體姿態檢測功能。

本文設計的基于人體感應的智能臺燈，通過感應燈前有人，自動開啟，且隨著環境亮度的變化，采用PWM 無極調壓方式自動調節亮度，使得光線均勻，達到適宜閱讀使用的需求；若無人使用或使用者處于趴著的姿態，則延時關閉，大大減少了電能的浪費。 設計中采用大容量鋰聚合物電池為系統電路及照明電路供電。

1 系統硬件電路設計

系統的硬件電路設計包括各模塊電路設計和PCB 設計。 其中，各模塊電路包括主控模塊、LED 驅動電路、電源電路和傳感器接口電路，如圖1 所示。

圖1 系統設計方案框圖Fig.1 Block diagram of design scheme of system

1.1 主控模塊

選用單片機STC89C52 作為控制芯片，由晶振時鐘電路和按鍵復位電路組成單片機最小系統，如圖2 所示。

圖2 單片機最小系統Fig.2 Minimum System of microcomputer

1.2 LED 驅動電路

設計中選用USB 接口的LED 燈作為光源，額定工作電流為240 mA。 驅動電路選用NMOS 作為驅動開關器件，型號為IRF840，驅動電流可達50 A，電路如圖3 所示。

圖3 LED 驅動電路Fig.3 Drive circuit of LED

1.3 傳感器接口電路

傳感器采用模塊化設計，接口電路如圖4 所示，光照度傳感器模塊采用IIC 通訊，人體紅外感應模塊與紅外接近開關采用典型的開關量傳感器接口。

1.4 電源管理電路

選用3.7 V 鋰聚合物電池供電，硬件電路要求供電電壓為5 V，需電源管理電路實現電壓轉換及充放電控制功能。 如圖5 所示，模塊BAT＋、BAT－接鋰電池的正負極，VOUT＋和VOUT－接負載，VIN＋和VIN－接充電電源。

1.5 電源指示電路

電源指示電路包括電源開關電路和指示燈兩部分組成，如圖6 所示。

圖4 傳感器接口電路Fig.4 Interface circuits of sensor

圖5 電源管理電路Fig.5 Power management circuit

圖6 電源指示電路Fig.6 Power indicator circuit

2 軟件設計

2.1 主程序設計

圖7 為主程序流程圖，初始化完成后，采集環境光照強度，判斷是否適宜閱讀和書寫（250－500 lux［3］），檢測是否有人坐在臺燈前，若有人，根據環境照度調節臺燈亮度，否則繼續檢測。 使用過程中實時檢測人是否離開或者趴在桌上，若是，則延時15s 關閉［4］。

2.2 光照度采集子程序設計

如圖8 所示為讀光照強度子程序，傳感器與單片機采用IIC 通訊。 讀取兩字節光照強度數據，合并成16 位數據，因傳感器未標定，讀出的數據與實際數據有所偏差，需進行數據補償，得到實際光照強度數據［5］。

2.3 亮度調節子程序設計

燈光亮度的調節采用PWM 控制脈寬的方式，通過判斷高電平脈寬與脈沖周期（頻率為1 kHz）的關系，輸出相應的電平或開始下一個脈沖的輸出［6］，如圖9 所示。

圖7 主程序流程圖Fig.7 Flow chart of main program

圖8 光照采集子程序流程圖Fig.8 Flow chart of illumination collection subroutine

圖9 亮度調節子程序流程圖Fig.9 Flow chart of brightness control subroutine

3 性能測試

智能臺燈實物如圖10 所示。 可通過紅色指示燈亮的個數判斷電源的剩余量，充滿電后，理論上可工作33 小時。

早上8 點，環境光照強度滿足寫作需求，有人使用時，此時臺燈無需工作，一直處于關閉狀態，如圖11 所示。

圖10 智能臺燈Fig.10 Intelligent Table Lamp

圖11 環境光較亮時臺燈工作情況Fig.11 Working condition of table lamp when ambient light is brighter

中午12 點，環境光較暗，有人使用時，臺燈從關閉狀態轉換為工作狀態，如圖12 所示。

圖12 環境光較暗時臺燈工作情況Fig.12 Working condition of table lamp when ambient light is dim

使用中，紅外接近開關檢測到人的姿態為趴著，臺燈從工作狀態延時工作15s 后關閉，如圖13 所示。

圖13 人體姿態為趴著時臺燈工作情況Fig.13 Working condition of table lamp when the human body posture is lying down

使用中，體紅外感應模塊檢測到人已離開，臺燈從工作狀態延時工作15 s 后關閉，如圖14 所示。

圖14 人離開前、后臺燈工作情況Fig.14 Working condition of table lamp Before and after people leaving

4 結束語

基于人體感應的智能臺燈在感應人體的基礎上，采用PWM 無極調壓方式實現亮度的自動連續調節，光線調整均勻，使用者不會因光線突然變化產生刺眼的感覺。

智能臺燈采用紅外接近開關檢測人體的姿態，通過判斷使用者是坐著還是趴著，來調整臺燈的工作情況，若趴著則延時15 s 關閉，進而提示使用者保持正確的坐姿。

智能臺燈使用鋰聚合物電池供電，具有充電功能。