智能書房燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的智能書房燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在當(dāng)前社會(huì)中，學(xué)生的學(xué)習(xí)任務(wù)繁重，每天他們都會(huì)有很長(zhǎng)一段時(shí)間與書桌、書本為伴，當(dāng)夜幕降臨時(shí)，當(dāng)陰天光線不足時(shí)，他們就需要一盞合適的臺(tái)燈。這盞燈有著合適的亮度，能夠保護(hù)他們的視力，當(dāng)他們?cè)谡J(rèn)真學(xué)習(xí)時(shí)不用再去關(guān)注燈光是否合適；當(dāng)他們有事離開忘記關(guān)燈時(shí)，燈會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。固此，我們需要有一盞智能化的臺(tái)燈，來幫助孩子們更好更舒適地學(xué)習(xí)。

時(shí)代在不斷進(jìn)步，同時(shí)科學(xué)技術(shù)和人民生活水平也在不斷進(jìn)步，人們對(duì)于生活品質(zhì)的要求也在不斷提升，智能化是提升生活品質(zhì)的重要手段，成為趨勢(shì)已成必然。早在幾年前，國(guó)外就已經(jīng)開始了智能光控的研發(fā)和應(yīng)用，國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)了不少智能控制的臺(tái)燈，但是人們的要求在不斷提高，設(shè)計(jì)也需要不斷調(diào)整優(yōu)化。本設(shè)計(jì)不僅考慮到智能調(diào)光，還考慮到了人離開忘記關(guān)燈的情況，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，起到節(jié)約能源的目的。

一、智能書房燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和設(shè)計(jì)框圖

1、設(shè)計(jì)任務(wù)

單片機(jī)的智能書房燈系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)當(dāng)前書房中的光線亮度、有無人在書房中。

2、設(shè)計(jì)要求

光敏模塊采集書房中的光線亮度，人體感應(yīng)模塊采集有無人員在書房中，單片機(jī)控制系統(tǒng)接收這兩種信號(hào)，并與提前設(shè)置好的閾值做對(duì)比，發(fā)出控制信號(hào)控制書房燈的亮滅，同時(shí)單片機(jī)通過調(diào)節(jié)PWM秒沖，達(dá)到調(diào)光控制燈光的亮度。

3、設(shè)計(jì)框圖

設(shè)計(jì)思路：傳感器信息采集→傳感器信息處理→單片機(jī)控制。本設(shè)計(jì)主要由單片機(jī)控制模塊、人體感應(yīng)模塊、光敏模塊、繼電器模塊、LED照明模塊構(gòu)成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

二、智能書房燈系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是以STC89C52單片機(jī)為控制核心的智能書房燈設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)分自動(dòng)模式和手動(dòng)模式。

1、STC89C52單片機(jī)主控模塊設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制模塊由主控芯片STC89C52為核心，復(fù)位電路和時(shí)鐘電路組成的最小控制系統(tǒng)構(gòu)成。STC89C52單片機(jī)是一種低電壓、高性能、8位CMOS微處理器，可以擦寫達(dá)幾萬次以上，具有編程簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，使用方便等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用上電復(fù)位和12MHz晶振的時(shí)鐘電路組成最小系統(tǒng)，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(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過其OUT口發(fā)送給單片機(jī)P2.7口，從而完成對(duì)于室內(nèi)光線亮度的采集；紅外熱釋電人體感應(yīng)：采集紅外線感應(yīng)器的高低電平情況，將結(jié)果發(fā)送給單片機(jī)P1.3口，從而完成對(duì)于有無人判斷；繼電器控制模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)P1.0端口控制繼電器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于書房燈的自動(dòng)化控制。

2、人體感應(yīng)模塊設(shè)計(jì)

人體感應(yīng)模塊主要功能是檢測(cè)是否有人存在，采用人體紅外傳感器HC-SR501，它具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，有數(shù)字輸出接口與主控芯片連接，檢測(cè)波長(zhǎng)為10μm，因?yàn)檎Ｈ梭w會(huì)發(fā)出大概為10μm左右的紅外線。當(dāng)檢測(cè)到該波長(zhǎng)的紅外線時(shí)（即人進(jìn)入其感應(yīng)范圍）則輸出高電平，當(dāng)未檢測(cè)該波長(zhǎng)的紅外線時(shí)（即人離開感應(yīng)范圍）則自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平，輸出低電平。

3、光敏模塊設(shè)計(jì)

光敏電阻GR1是一種對(duì)光線強(qiáng)度比較敏感的元器件，不同的光線照射在該元件上會(huì)產(chǎn)生不同的阻值。亮度強(qiáng)，阻值就愈低，隨著亮度的升高，電阻值不斷變小至1kΩ以下。當(dāng)光線亮度變大，其電阻值會(huì)變小，此時(shí)GR1端的電壓值會(huì)變低，通過ADC采集GR1端電壓，然后將輸出信號(hào)發(fā)送到單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行判斷亮度所處的范圍，從而調(diào)整書房燈亮度。

4、LED照明模塊設(shè)計(jì)

LED照明模塊的亮度調(diào)節(jié)采用PWM調(diào)光技術(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)。PWM調(diào)光方式的原理是單片機(jī)輸出具有一定占空比的數(shù)字脈沖信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)器，使驅(qū)動(dòng)器按照設(shè)置的頻率工作，以此控制開關(guān)速度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)LED平均電流控制，達(dá)到調(diào)光的效果。

三、智能書房燈系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)思路：（1）系統(tǒng)具有兩種工作模式：手動(dòng)模式、自動(dòng)模式；（2）單片機(jī)控制模塊識(shí)別外部傳感器信號(hào)；（3）通過單片機(jī)編程產(chǎn)生簡(jiǎn)單的數(shù)字脈沖信號(hào)（即PWM脈沖信號(hào)），實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)LED燈的亮度變化。系統(tǒng)的手動(dòng)、自動(dòng)模式通過按鍵進(jìn)行切換。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)模式時(shí)，繼電器自動(dòng)控制打開電源開關(guān)，通過紅外檢測(cè)是否有人，通過光敏電阻檢測(cè)亮度，當(dāng)紅外檢測(cè)有人時(shí)點(diǎn)亮小燈，根據(jù)光敏檢測(cè)的亮度進(jìn)行調(diào)整小燈的亮度；若紅外檢測(cè)沒人，則小燈等待一定時(shí)間后熄滅。

四、智能書房燈系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與結(jié)果

本設(shè)計(jì)設(shè)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式，所有調(diào)試也將分別根據(jù)這兩種模式進(jìn)行。

1、手動(dòng)模式

在系統(tǒng)上電后，按下手動(dòng)模式開關(guān)，進(jìn)入手動(dòng)模式。手動(dòng)模式提前設(shè)置了幾個(gè)PWM脈沖占空比，通過按鍵次數(shù)設(shè)置不同的占空比，從而控制臺(tái)燈的亮度。手動(dòng)模式?jīng)]有涉及到傳感器的應(yīng)用，只應(yīng)用了LED小燈照明系統(tǒng)，程序簡(jiǎn)單，測(cè)試比較成功。

2、自動(dòng)模式

在系統(tǒng)上電后，按下自動(dòng)模式開關(guān)，進(jìn)入自動(dòng)模式。

（1）不同亮度調(diào)試：在測(cè)試自動(dòng)模式時(shí)，為了使測(cè)試現(xiàn)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(tái)燈隨著檢測(cè)到的不同亮度，能進(jìn)行亮度的調(diào)整，調(diào)試成功。

（2）有無人的測(cè)試：系統(tǒng)啟動(dòng)后，燈亮，檢測(cè)人員離開檢測(cè)范圍，達(dá)到設(shè)定時(shí)間仍未返回，則LED燈自動(dòng)熄滅；系統(tǒng)啟動(dòng)后，燈亮，檢測(cè)人員離開檢測(cè)范圍，達(dá)到設(shè)定時(shí)間，返回至檢測(cè)范圍，LED燈正常運(yùn)行。通過上述測(cè)試，確認(rèn)系統(tǒng)可以完成預(yù)期的目標(biāo)，即可以手動(dòng)調(diào)整燈的亮度，也可以通過自動(dòng)方式控制燈的亮度，以及及時(shí)關(guān)閉電源，既保護(hù)了眼睛，又可以及時(shí)關(guān)燈，節(jié)約了電能。

總結(jié)

本文設(shè)計(jì)方案基本只是在原理層面上的設(shè)計(jì)，在仿真軟件中測(cè)試，仿真中的元器件以及環(huán)境都是理想的環(huán)境，沒有什么大的干擾，電路的工作狀態(tài)可以達(dá)到理論分析的效果。后續(xù)將進(jìn)一步從實(shí)際情況完善本文所提方案。按照本文設(shè)計(jì)的方案，將設(shè)計(jì)做成實(shí)物，在各類環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，找出該方案在不同環(huán)境下的問題，并進(jìn)行優(yōu)化，將該方案最終達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)。

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