自行移動智能照明燈的設計與實現

摘 要：針對現存照明設備無法自行移動的問題，設計了一種可自行跟隨使用者并能根據環境變化自動調節亮度的智能移動照明燈。采用模塊化思想，動力系統采用STC89C52單片機作為主控芯片，由超聲波傳感器測距并根據返回值判斷小車與使用者的距離，而后控制小車實現跟隨功能；照明系統采用Arduino單片機控制光敏電阻傳感器檢測所處環境的光線強度，通過PWM控制三色LED調光調色以適合當前環境所需的亮度。研究結果表明：該原型系統不僅能為使用者提供跟隨自適應照明，還具備較好的護眼功能和節能效果，具有較強的產品化和市場化潛力。

關鍵詞：自行跟隨；移動照明；STC89C52單片機；傳感器；自適應照明；節能護眼

中圖分類號：TP274+.2；TN98 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）07-00-03

0 引 言

隨著智能化的發展，健康、舒適、節能成為人們對現代照明的主要需求方向[1-2]。根據照明場所的不同可分為室內照明和室外照明。室內照明的研究熱點主要圍繞環境自適應和無影照明[3-4]。潘萍等[5]通過改進ZigBee路由算法實現基于增強現實的LED照明光源調節。呂聯榮等[6]提出了一種基于機器視覺的自動追蹤照明方案，結合顏色追蹤算法實現“無影燈”效果。室外照明主要研究道路照明和戶外作業[7-8]。

周華安等[9]依據路面實時平均亮度反饋和分時段平均車流量統計提出一種城市道路照明自適應節能控制算法。晉良海等[10]提出建立照明工效的光度學BIM輔助優化模型并優化照明燈源光學參數，可顯著提升塔機夜間起重作業面光照度。上述方法普遍以燈源位置固定或可小范圍移動為前提，以致無法隨時為使用者提供最佳照明。目前，跟隨技術在汽車、艦船等領域已有應用，可以將此技術借鑒在照明領域[11-13]。因此，設計一種可跟隨使用者自行移動和隨環境變化自適應調節，且價格適中的智能照明燈是必要的且有價值的。

本文提出了一種基于超聲傳感的自行移動智能照明系統，系統包含動力模塊和照明模塊。動力系統以STC89C52為主控制器，通過超聲波傳感器采集使用者位置信息，并根據位置信息控制智能小車跟隨使用者。照明系統以Arduino UNO R3為主控制器，采用光敏傳感器檢測環境亮度，主控制器根據環境亮度調節LED光亮值。該系統實現了自動跟隨使用者和自適應調節亮度功能，是物聯網技術在智能照明領域的一種有益探索與典型應用，經進一步改良和細化后將具備較強的市場應用潛力。

1 系統總體設計

自行移動智能照明燈包括跟隨使用者自行移動的小車和隨環境自適應調節亮度的照明燈。為更好地實現獨立控制及為進一步改良和細化做準備，考慮采用模塊化思想對動力系統和照明系統分別進行設計。

動力系統由單片機作為主控芯片，使用者進入跟隨預設值范圍后，啟動跟隨程序。首先預設使用者與小車距離范圍，然后采用超聲波傳感器測量小車與使用者之間的距離并將返回值與預設值進行比較，測距返回值大于預設值則驅動小車前進，小于預設值則驅動小車后退。通過超聲傳感器循環檢測，小車始終與使用者保持在預設值范圍內，實現自動跟隨功能。動力系統結構如圖1所示。

照明系統以單片機作為主控芯片，通過光敏傳感器檢測當前環境光亮程度并發送至單片機，單片機根據環境光亮程度調節LED燈光亮度以適應當前環境。照明系統結構如圖2所示。

2 系統硬件設計

2.1 動力系統設計

動力系統采用STC89C52單片機控制，通過超聲波傳感器檢測小車與目標人的距離，將直流電機作為小車驅動。程序運行流程如圖3所示。其中初始化模塊包括電機模塊和超聲波模塊。工作異常包括電壓過低、程序錯誤和芯片損壞。

程序中未檢測到目標人時循環檢測，檢測到目標人后電機控制小車按規劃距離進行跟隨。本系統選取15～30 cm作為使用者與小車之間的規劃距離。當距離小于15 cm時，小車后退并循環檢測直至間距達到15 cm后停止；當距離大于30 cm時，小車前進并循環檢測至間距達到30 cm時停止；當首次檢測距離大于15 cm且小于30 cm時，小車靜止直至距離達到30 cm后跟隨。當檢測到多個目標人時，以距離最近者作為目標，并保持跟隨直至收到按鍵信號或系統關機。

2.2 照明系統設計

動力系統采用Arduino UNO R3單片機作為控制單元，光敏電阻傳感器檢測所處環境的光線強度，通過RGB三色LED調光調色，實現自適應調光護眼功能。程序運行流程如圖4所示。

自動調光步驟所用LED燈采用三通道 PWM 調光調色，通過調節占空比的方式實現三色混合光，可以連續動態地模擬出不同色溫的太陽光，從而實現燈光始終保持適合人眼工作的效果。根據格拉斯曼定律和光通量與占空比近似成正比例函數關系這一特性，則有：

式中：DR、DG、DB分別為紅色、綠色、藍色的占空比；YR、YG、YB分別為光源紅色、綠色、藍色滿電流工作下的刺激值；Ym為混合光源刺激值[14]。通過計算可獲得2 000～6 000 K色溫下太陽光的刺激值。

光敏電阻隨光線強度增大，阻值減小。系統采用3.7 V參考電壓，將0～3.7 V分為5段，分別輸出不同色溫太陽光，見表1所列。其控制過程是將發出的RGB光亮度信息編碼調制后經模數轉換成不同頻率電信號，再經均衡和驅動電路處理后加載到LED燈。

2.3 電源低壓報警

動力和照明模塊采用同一個3.7 V可充電鋰電池供電，電壓過低時將影響系統正常工作。低壓報警電路如圖5所示。

圖5中T1、T2選用雙極結型晶體管BC547，首先調節滑動變阻器將VCC設置成報警電壓3.7 V，通過電阻分壓將T1基極電壓調到低于1.4 V，則T1截止、T2導通，蜂鳴器報警；當VCC電壓高于1.4 V時，T1導通、T2截止，蜂鳴器關閉，也可通過調節滑動變阻器來調整低壓電壓報警閾值。

3 系統實現及測試

自行移動智能照明燈實物樣品如圖6所示。跟隨測試時使用者由遠及近向小車靠近，距離小車50 cm時小車前進至距離30 cm時停止；使用者繼續靠近距離小于15 cm時，小車同步后退并與使用者始終保持15 cm；使用者遠離小車至

30 cm后，小車前進跟隨。結果表明，該智能照明燈可在與使用者距離為50 cm后啟動跟隨功能，并能根據使用者速度調整自身速度，始終保持移動跟隨，系統運行效果良好。

照明測試在可調節燈光環境下進行，由全亮環境開始不斷降低環境亮度至全暗，移動智能照明燈分5檔不斷變亮，智能照明燈在30 cm范圍內始終保持明亮。結果表明，分檔方式下調光過程抗干擾性強，系統可滿足護眼照明要求。

4 結 語

系統以Arduino UNO R3和STC89C52微控制器作為主控單元，采用模塊化設計，基于超聲傳感與光敏傳感技術，設計實現了一種同時具備自行跟隨與亮度自調節功能的移動智能照明燈系統。該系統在為使用者提供跟隨照明的同時，能夠較好地實現護眼功能；此外，該照明燈與使用者距離較近，因此對照明要求相對降低，具有節能效果。

在系統功能方面，仍有許多內容值得進一步細化與探究。首先，在燈光自適應算法方面，可以考慮與超聲傳感器獲取的距離信息結合，更好地實現護眼照明效果；其次，在設計器件封裝方面，可考慮根據應用場景進行芯片集成和封裝。例如室內照明、夜間行走、戶外作業等情形下可根據實際需求選取不同芯片進行設計封裝，則系統的實用性將進一步提高；再次，由于室內樓梯、室外凹凸不平路面對小車跟隨功能影響較大，如結合無人機技術研制低成本的智能飛行跟隨照明燈，將有更大的實際需求和應用

價值。

注：本文通訊作者為姜愉。

參考文獻

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