基于STC89C52單片機的多功能智能臺燈設計

摘要：隨著科技的不斷發展，各類臺燈產品也隨著走向智能化。該設計介紹一種基于STC89C52單片機的多功能智能臺燈設計，具有自適應調光、自動/手動調節切換、坐姿糾正提示、定時提醒等功能，并能實現“人來開燈、人走關燈”的智能控制，使臺燈的使用更加智能與人性化，并實現環保節能的效果。該設計給出了詳細的方案、硬件設計及軟件設計流程，對系統的原理及設計過程進行了深入解析，并通過Proteus與Keil軟件的仿真調試分析及實物調試分析，驗證了系統的正確性與可靠性。

關鍵詞：智能臺燈;單片機;自動調光;坐姿糾正;定時提醒

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）18-0198-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 背景

隨著社會的進步和科技的發展，人們對照明的追求從單一的追求亮度提高到對燈光的舒適度、對視力的影響、功能多樣化、智能化等方面的轉變。臺燈在我們生活中使用廣泛，但是普通臺燈由于光線單一、缺乏智能按鈕開關操作，無法實現人們對臺燈的智能化需求。特別是對青少年而言，由于學習需要較長用眼時間，青少年近視比例也越來越高，更需要一款可以保護青少年視力的多功能智能臺燈。本文介紹的這款智能臺燈，用戶可以主動調節亮度、自動開關燈，且能及時提醒用戶糾正坐姿、保護視力，并能實現手動自動切換控制。

2 設計方案

本智能臺燈系統的總體框架如圖1所示，主要由單片機、時鐘電路、復位電路、人體感應輸入模塊、按鍵輸入模塊、光敏檢測及其模數轉換電路、LED臺燈電路、指示燈電路等部分組成。

智能臺燈的系統功能主要包括：1）人體感應自動開關燈。當人靠近臺燈，即距離在40cm-llOcm之間時臺燈會亮;當人離開1分鐘后臺燈自動熄滅。2）自適應亮度調節。能自動根據環境光線的強弱變化進行亮度調節，達到環保節能效果。3）坐姿糾正功能。當人臉距離桌面過進時，進行聲光報警，提醒用戶糾正坐姿，從而保護使用者的視力。4）定時提醒功能。定時模塊提醒用戶，當持續用眼一小時則開啟學習時間提醒功能，進行報警提示。

3 硬件設計

根據系統設計方案，對硬件電路的具體設計如下：

1）單片機最小系統模塊：選用STC89C52作為主控制芯片，單片機最小系統由STC89CR52單片機、時鐘電路、按鍵復位電路及電源電路組成。

2）人體感應模塊：人體感應模塊采用的核心器件為熱釋電紅外線傳感器HC-SR501。它能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線能量的變化，將其轉換成電壓信號輸并放大，便可驅動各類控制電路。HC-SR501采用超低電壓工作模式，可靠性強，靈敏度高。該模塊只引出3個引腳，其中第1、3腳分別連接vcc和GND。2腳接單片機的1/0口引腳，當檢測到無人時輸出低電平，當有人出現檢測范圍內則輸出高電平，該模塊的3引腳接至單片機P2.3輸入。

3）光敏檢測及模數轉換模塊：本系統的傳感器采用光敏電阻，光敏電阻內部導電率會隨光照強度而發生改變。當光線強度變大時，導電率也隨之變大，使電阻值變小，輸出電壓也將線性增大。電路中，采樣到的電壓值u=VCCxLDR/（RI+LDR），經過AD轉換器ADC0832的CH1通道進行A/D轉換，轉換結果經單片機讀取后得到對應的電壓值，并進行PWM控制臺燈的亮度。

4）紅外測距模塊：本設計利用紅外模塊GP2D12對距離進行檢測。當檢測到人體距離紅外探頭距離過近時，開啟聲音提醒功能，避免坐姿不正使因眼睛距離桌面過近而導致的近視。該紅外模塊集發射與接收于一體的光電傳感器，檢測距范圍為lOcm-80cm，檢測距離可以根據要求進行調節，且受可見光干擾小，易于安裝，使用方便。該傳感器有三根導線，其中VCC和GND為電源線及地線，VO輸出端接至單片機I/O引腳P2.0作為數據輸入。當距離在范圍之內時該引腳輸出高電平，過近時輸出低電平，根據該引腳電平即可判斷使用者是否距離桌面過近。報警距離的設置可通過傳感器上的螺絲進行距離調節。

5）按鍵輸入電路：系統有三個功能按鍵，分別為手動/自動切換鍵實現手動與自動模式的切換，接至P1.0引腳;亮度加鍵為手動模式下亮度加一個等級，接至P1.1引腳，亮度減鍵為亮度減一個等級，接至P1.2引腳。

6）照明模塊及指示燈模塊：照明模塊采用6個LED燈進行共陽極并聯，單片機從P2.6輸出并通過PNP型三極管驅動LED燈點亮。指示燈模塊用于手動功能與自動功能切換的指示，從P1.3引腳輸出經過限流電阻驅動發光二極管出點亮。

7）報警模塊：蜂鳴器報警模塊采用PNP型三極管的開關管功能來控制蜂鳴器發音，蜂鳴器采用有源蜂鳴器，其內部設置有震蕩電路，單片機P3.0引腳只要輸出低電平即可控制蜂鳴器的發聲。

4 軟件設計

軟件設計思路及主流程設計。軟件設計采用C語言模塊化程序設計方法，根據系統各功能分析，得到主程序的控制流程如圖3所示，并分析主程序中各子程序功能。分析如下：上電后，系統初始化，進入亮度自動調節模式，可以通過按鍵K1進行自動/手動模式切換。當模式標志Mode=0時，工作在模式手動模式下，執行手動控制子程序;當Mode=1時，工作在自動調節模式下，執行亮度自動調節子程序，并進行報警判斷。在報警判斷子程序中，可實現根據距離檢測傳感器數據，若離桌面具體過近，或者光線亮度過高，或者設定時間到，則進行聲光報警提示。在手動控制子程序中，當按下K2按鍵時，若亮度等級不是最低級，則亮度等級減一，否則保持最低亮度等級不變;當按下K3鍵時，若亮度等級不是最高級，則亮度等級加一，否則保持亮度等級最高。自動亮度調節子程序是設計的關鍵子程序，其流程如圖4所示。當Mode=l時，工作在自動模式下：若120秒內檢測有人，則計時清0，并執行獲取光照強度值子函數，計算出光照強度值，根據光照強度與亮度區間比較，獲得亮度等級;若120秒內檢測不到人，則亮度等級最低。

除了主程序中、手動控制子程序、自動亮度調節子程序、報警判斷子程序外，還有光照強度讀取子程序、定時器TO中斷子程序等。

5 系統調試

在系統設計后，進行了Proteus和Keil的軟件仿真調試，最后進行系統實物調試。通電后系統初始化，當有人接近多功能臺燈時，系統會自動檢測到有人體活動，同時啟動自動工作模式。當外界光線亮度低于上限值且檢測到附近有人體活動時，臺燈處于自動感應模式;當沒有人體活動或者人離開2分鐘以上時，臺燈自動熄滅。此外，對臺燈亮10個亮度等級測試、按鍵手動功能調節、功能報警進行了若干次測試，功能均正常，實現證明了智能臺燈系統設計的正確性與可靠性。

6 結束語

針對青少年視力保護問題，對傳統臺燈的單一模式進行改造，設計出以STC89C52單片機為核心的多功能智能臺燈。該臺燈具有糾正坐姿、自動亮度調節、用眼時間提醒、自動手動亮度調節、聲光報警等多種功能，系統結構簡潔、性價比高、功能多樣、控制靈活，實現了臺燈的智能化控制。今后可在此基礎上，結合物聯網手機APP控制、藍牙技術、語音控制等，可進一步實現臺燈的智能化控制和人性化設計。

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【通聯編輯：謝媛媛】

作者簡介：李萍（1976-），女，講師，碩士，主要從事嵌入式系統開發應用的教學與科研工作。