一種帶矯正坐姿智能臺燈的設(shè)計＊

蘭州文理學(xué)院傳媒工程學(xué)院 孫偉剛 劉悅婷 張發(fā)菊 王慶麗 保庭岳 石陶然 張雄

本設(shè)計以單片機(jī)作為帶矯正坐姿的多功能智能臺燈的控制器，是一款具有節(jié)省電能，利于環(huán)保，操作簡單，預(yù)防脊椎變形和眼睛近視的智能臺燈，是增加紅外測光儀模塊及光電傳感器設(shè)計出的一款提醒使用者及時矯正、及時更正坐姿的智能臺燈。

隨著社會的進(jìn)步，一些高科技產(chǎn)品的開發(fā)以新的面貌呈現(xiàn)出了新趨勢和前景，并且智能化技術(shù)也愈發(fā)的成熟，在生活中，以單片機(jī)作為中央控制單元的電子產(chǎn)品得到了快速發(fā)展。例如，我們生活中的智能家具、智能門窗、智能清潔器、智能電飯煲、智能電磁爐等都是通過單片機(jī)的控制來完成的。方便、安全、可靠性成為了他們新的代名詞。并且單片機(jī)技術(shù)的增強(qiáng)使得生活中家用電器的愈發(fā)智能化。目前看來，按鍵式臺燈雖是臺燈市場的主體，但為了順應(yīng)時代的發(fā)展以及市場的需求，我們要摒棄傳統(tǒng)的按鍵臺燈，極力打造一個防止雙眼近視、脊椎變形、節(jié)約能源以及可以改善用戶坐姿的新的智能臺燈。

1 總體概述

以單片機(jī)作為帶矯正坐姿控制器智能臺燈設(shè)計主體，由單片微式電腦按鍵模塊、燈光檢測模塊、人體傳感器模塊、紅外線測距模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)碼管顯示模塊和蜂鳴器模塊等構(gòu)成，首先采用紅外測距儀進(jìn)行對設(shè)定坐姿距離的測量，由待測距離超過或低于所設(shè)定的范圍，所測信號經(jīng)一個電容及二次放大器之后交由整濟(jì)濾波電路，再將前期這部分電路產(chǎn)生的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，傳輸給單片機(jī)STC89C51，然后單片機(jī)中央處理器經(jīng)過信號處理，依次控制各個端口進(jìn)行工作。單片機(jī)的PO 口控制LCD1602 液晶模塊去顯示當(dāng)前坐姿偏離距離值之前所設(shè)聲的上下限，并且在此基礎(chǔ)上設(shè)有按鍵模塊，按鍵模塊在有4 個按鍵，即上下限分別加減按鍵，可以很方便的調(diào)節(jié)需要設(shè)定的距離范圍，當(dāng)超過一定的范圍進(jìn)而觸發(fā)報警模塊，報警模塊不但發(fā)出蜂鳴聲，進(jìn)而牽動開關(guān)模塊，還有繼電器啟動從而讓指示燈亮起的設(shè)計。在比以往的設(shè)計過程中，此系統(tǒng)增加了光電藕感應(yīng)模塊，其作用是當(dāng)人體忘記關(guān)燈時，光電藕感應(yīng)模塊會判斷身邊是否有人來自動開啟或關(guān)閉臺燈，這不僅方便臺燈的開關(guān)，而且節(jié)省用電。設(shè)計總體圖如圖1 所示。

圖1 設(shè)計總體圖Fig.1 Overall design drawing

2 硬件電路設(shè)計

2.1 紅外線測光儀

在本設(shè)計中所采用的是紅外線傳感器如圖2 所示，它是由一個精密極高的實時測距工具，又稱以紅外線為主要照明來源的相對式光電測距器件。主要由經(jīng)調(diào)節(jié)的光傳送單元、接收器單元、光計數(shù)單元、指示單元和邏輯控制單元等部分所構(gòu)成。利用了紅外線在光傳遞時并不傳輸?shù)幕驹?。只需要出光脈沖電路信號，與待測距離之間往返傳送所要求的時間，就能夠計算出目標(biāo)距離。最后再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809 獲取所要求的距離信息。然后再傳輸至中央控制臺STC89C51，由單片或微式電腦根據(jù)軟件編程的判斷結(jié)果決定臺燈整體上需要采取何種模式，來提醒用戶坐姿。

圖2 紅外傳感器Fig.2 Infrared sensor

2.2 光電耦傳感器

光線亮度感應(yīng)器如圖3 所示，通過測量周圍環(huán)境的光強(qiáng)度，因此具有較強(qiáng)的檢測特性，其主要是由投光器和受光器二組件所構(gòu)成，通過透鏡把從投光器傳來的光源加以聚焦，進(jìn)而傳遞至電感器，并且通過將所接收的光信息轉(zhuǎn)化為電信號，從而可以更進(jìn)一步的觸發(fā)控制器的開關(guān)，這樣將極大的增強(qiáng)臺燈的操控功能，同時也通過調(diào)節(jié)溫度使得人有更佳的視覺感受。最主要的原因是，通過這一功能可以使智能化臺燈“明白”用戶何時有需求，從而更好的節(jié)約電能，并且令用戶擺脫離桌需要記得關(guān)燈這種焦慮。

圖 3 光線亮度感應(yīng)器Fig.3 Light light brightness sensor

在此設(shè)計的人體傳感器模塊的最主要原理器件：光電傳感器。而所謂光電傳感器就是通過所接受的光線強(qiáng)度的差異，形成不同的電信號從而來起到區(qū)別外界情況的功能。光電傳感器的一般構(gòu)成元件主要有：發(fā)送器、接收機(jī)以及測量電路。其中發(fā)送機(jī)是光電公司傳感器向外部提供的觸手，負(fù)責(zé)探知外部。接收機(jī)則是接受外部狀況對光強(qiáng)度的影響，然后其將這些“影響”輸入測量電路。將其測量得到對外部狀況的相對精確的評估。一般按照其工作方式我們將其劃分為：漫反射光型、反射板型，設(shè)計中我們采用漫反射型光電傳感器來采集人是否處于臺燈書桌前來判斷其是否需要打開或者關(guān)閉臺燈。

2.3 ADC0808 與單片機(jī)的接口電路

由單片或微型算法控制的ADC0808 單片機(jī)，是采樣分辨率為八位數(shù)的、以逐次逼近方式實現(xiàn)A/D 變換的主要元件。它還內(nèi)置有一個八通道多路開關(guān)，能夠通過地址碼鎖存譯碼后的信息，只選通八路模擬輸入輸出信道中的一條實現(xiàn)A/D 變換。完成A/D 轉(zhuǎn)換的大致過程，是首先由將加在IN 零輸入輸出口上的編碼信息來進(jìn)行的一路模擬信息進(jìn)入芯片，同時將單片機(jī)上產(chǎn)生的高電平信息加到ADC0808 芯片上的START 引腳端，以驅(qū)動其定時地進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。當(dāng)ADC0808 芯片上的轉(zhuǎn)換成功時，芯片的EOC 端口的信息就會通知單片微型計算機(jī)控制器,來讀取檢測出的數(shù)據(jù)量。隨后單片機(jī)通過OUT0-8 并行輸出端口將數(shù)字量讀到P1 口來進(jìn)行程序處理判斷。接口如圖4 所示。

圖4 接口電路Fig.4 Interface circuit

圖 5 主程序流程圖Fig.5 Main process flowchart

3 軟件設(shè)計

在繪制總電路圖時需要經(jīng)過以下幾個步驟：（1）打開電腦桌面的Keil4 軟件，新建工程時我們STC89C51作為單片機(jī)作為CPU，新建一個源文件，編寫設(shè)計好的程序，然后編譯該程序，在正下方的輸出區(qū)域顯示編譯運行結(jié)果，然后選擇要保存的路徑，進(jìn)一步編寫程序。（2）打開桌面上的Proteus 軟件新建一個設(shè)計，按照自己的思路去做電路圖進(jìn)行仿真，在Proteus 中找到自己所需要的電路元器件，以相對的方式進(jìn)行連接，以就近原則進(jìn)行就近元器件的連接，選擇自己所熟悉的標(biāo)號進(jìn)行連接，以方便后期錯誤的檢查，當(dāng)最后按照設(shè)計好的草稿電路原理圖，檢查接線是否正確，在此處一定要仔細(xì)認(rèn)真檢查，然后按下電路圖左下角的仿真按鈕，開始仿真，觀察電路是否可以正常運行。若正常，進(jìn)行下一步即可，將所有的設(shè)計及程序進(jìn)行保存，若出現(xiàn)錯誤，進(jìn)行一步一步的排查，直到解決所有錯誤為止。

本設(shè)計還可以利用紅外檢測模塊測距和光電藕傳感器來糾正人的姿勢，當(dāng)監(jiān)測到的人的姿勢不在其規(guī)定范圍值內(nèi)時，蜂鳴器伴隨著LED 閃光進(jìn)行告警，以說明姿勢有誤，致使觸發(fā)了臺燈的開關(guān)，臺燈熄滅。在監(jiān)測人處于正常的狀況下，臺燈可以正常使用。使用者也可通過按鈕設(shè)定所需工作與學(xué)習(xí)時間的上限、下限值。而系統(tǒng)也能夠按照所需的工作時限來調(diào)節(jié)臺燈的開關(guān)，還能夠?qū)崿F(xiàn)自動模式和手動模式相轉(zhuǎn)換。流程圖如圖5 所示。

4 結(jié)語

該研究主要以STC89C51 單片機(jī)為主要的核心技術(shù)去設(shè)計一種新型臺燈，其主要功能由紅外線測距模塊、A/D 變換單元、電子報警功能等構(gòu)成。紅外測距模塊測得的數(shù)據(jù)，通過A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后再傳送給單片機(jī)處理，當(dāng)測試結(jié)果超過規(guī)定值，蜂鳴器伴隨著警示燈的亮起也會產(chǎn)生報警，因此設(shè)計時我們先進(jìn)行了硬件電路圖的設(shè)計，然后再將硬件電路圖電路寫成C 語言編程，接著用Keil 編譯器，就得到了我們所要求的HEX 文件，最后用Proteus 或者Keil 軟件進(jìn)行了系統(tǒng)的模擬和聯(lián)調(diào)。最后的仿真結(jié)果，也滿足了設(shè)計需求。

引用

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