亮度自適應(yīng)的智能臺燈設(shè)計

陳炳飛 周朝霞 邱義 陳清福 肖楊凡

摘 要：為解決生活中“白晝燈”或“長明燈”的浪費現(xiàn)象，文中設(shè)計一款個性化、智能化的便攜式臺燈。該臺燈以單片機HT66F70A為主控制器，通過人體感應(yīng)模塊探測室內(nèi)是否有人以便實現(xiàn)智能化開關(guān)燈操作；采用光敏感應(yīng)模塊來探測周圍環(huán)境亮度，實時輸出人眼舒適的臺燈亮度，同時用戶還可通過手勢距離自主調(diào)節(jié)臺燈亮度。經(jīng)過不同場景的測試，該臺燈性能穩(wěn)定，實現(xiàn)了臺燈亮度的自適應(yīng)功能。

關(guān)鍵詞：臺燈亮度；人體感應(yīng)；光敏感應(yīng)；手勢

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）07-00-04

0 引 言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步，人們對照明的追求也由亮度和價格逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槠焚|(zhì)、環(huán)保以及舒適等保證工作區(qū)光照良好的視覺環(huán)境，對提高學(xué)習(xí)和辦公質(zhì)量，提高工作效率以及保護身體健康至關(guān)重要[1，2]。臺燈使用廣泛，生活中隨處可見。在使用過程中，普通臺燈無法調(diào)出人們所需的、眼睛感到舒適的光線亮度[3]。即現(xiàn)有的普通臺燈大多只有開、關(guān)操作，無邏輯時序及亮、暗調(diào)光控制等功能，特別依賴于人們的主動性[4，5]，已無法滿足人們對智能化生活的需求，特別是對于青少年學(xué)習(xí)群體而言，一款個性化、智能化的學(xué)習(xí)型臺燈更適合他們。

近年來，能源浪費是社會發(fā)展過程不容忽視的問題，中國是世界上能源浪費最嚴重的國家[6]，抑制不合理能源浪費是能源消費革命的基本任務(wù)和要求[7]。生活中經(jīng)?？梢钥吹健伴L明燈”或“白晝燈”等現(xiàn)象，要解決此問題除了靠人的主觀能動性外，還需輔以節(jié)能技術(shù)來實現(xiàn)。

從市場規(guī)模來看，針對青少年的學(xué)習(xí)型臺燈的需求主要體現(xiàn)在個性化與功能智能化、人性化兩方面。因此，本文設(shè)計一款低功耗、用戶不在自動關(guān)燈、亮度隨環(huán)境自動調(diào)節(jié)或用戶通過手勢自主調(diào)節(jié)亮度的個性化、智能化、人性化臺燈。

1 總體設(shè)計

本智能臺燈系統(tǒng)包括感應(yīng)用戶自動開關(guān)臺燈功能、環(huán)境光自適應(yīng)控制臺燈亮度功能和手勢控制臺燈亮度功能，總體框架如圖1所示。

（1）感應(yīng)用戶自動開關(guān)臺燈功能：通過人體感應(yīng)模塊感知臺燈周圍是否有用戶存在來實現(xiàn)開關(guān)燈動作，即用戶在臺燈旁邊便自動打開臺燈，用戶離開之后自動關(guān)閉臺燈以節(jié)省用電；

（2）環(huán)境光自適應(yīng)控制臺燈亮度功能：通過光敏采集模塊來實現(xiàn)根據(jù)周圍環(huán)境光照強度實時調(diào)節(jié)臺燈亮度，使輸出光照滿足人眼的舒適度要求；

（3）手勢控制臺燈亮度功能：如果用戶對通過光敏模塊調(diào)節(jié)的臺燈亮度不滿意，則可以通過手勢自主調(diào)節(jié)臺燈亮度。

本系統(tǒng)對臺燈亮度調(diào)節(jié)部分的設(shè)計充分考慮了人眼對光線強度的適應(yīng)能力，所以臺燈光線強度的變化均呈緩慢遞增或遞減狀。本產(chǎn)品設(shè)計不僅包括控制系統(tǒng)設(shè)計，還包括外觀設(shè)計?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計主要完成信號采集、處理、交互任務(wù)，并把控制系統(tǒng)安裝在臺燈底座。外觀設(shè)計主要考慮臺燈的便攜性和個性化。

2 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)控制器選用型號為HT66F70A的合泰單片機。不僅價格低廉、功耗低，且運算速度快。該芯片集成了A/D轉(zhuǎn)換功能和PWM輸出模塊，是一款適合民用產(chǎn)品開發(fā)的控制器。本產(chǎn)品的硬件系統(tǒng)設(shè)計不僅包括HT66F70A最小系統(tǒng)和電源電路設(shè)計，還包括3個功能模塊，即人體感應(yīng)模塊、手勢模塊和光敏模塊。系統(tǒng)硬件的總體框架如圖2所示。

2.1 人體感應(yīng)模塊設(shè)計

人體感應(yīng)模塊的設(shè)計選用高靈敏度的熱釋電紅外傳感器，該傳感器是由一種高熱電系數(shù)廣譜材料制成的探測元件。該傳感器可探測人體輻射的紅外光，實現(xiàn)在其探測范圍內(nèi)的人體檢測[8]。因此，在該傳感器的基礎(chǔ)上加以適當?shù)臑V波、信號放大，使人體進入該模塊的探測范圍后，可通過Dout引腳輸出一個高電平，電路原理如圖3所示。單片機定時檢測該Dout引腳的信號，當該引腳持續(xù)輸出高電平時，表明臺燈周圍有用戶存在。

2.2 手勢測距模塊設(shè)計

超聲波測距是一種非接觸式檢測方式，在使用中不受光照度和電磁場等因素影響，加之其信息處理簡單、速度快、成本低，在機器人避障、定位和液位測量等方面已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用[9]。本產(chǎn)品的超聲波模塊采用HC-SR04模塊，該模塊共有4個引腳，分別為VCC，GND，Trig（控制端）和Echo（接收端）。硬件只要將Trig和Echo與主控器的普通I/O引腳相連即可，如圖4所示。

超聲波測距工作原理：測距時，主控芯片通過Trig引腳給出一個10 μs的脈沖，啟動該模塊測距。模塊內(nèi)部會自動發(fā)送8個40 kHz的方波，并自動檢測是否有信號返回。當有信號返回時，Echo引腳會輸出一個高電平，并且該高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間，超聲波測距時序如圖5所示。主控芯片給出啟動脈沖之后，開始檢測Echo引腳是否變成高電平，如果檢測到Echo引腳變成高電平，則啟動計數(shù)器開始計時，直到Echo引腳變成低電平，停止計時得到時間t。由s=（v·t）/2就可計算出發(fā)射點到障礙物的距離s，其中v是聲音在空氣中傳播的速度（340 m/s）。

本文所述的手勢感應(yīng)模塊主要通過超聲波測距模塊來實現(xiàn)，通過測量手勢和超聲波模塊的距離來控制臺燈的亮度。即當手勢離超聲波模塊越遠，則視為用戶要調(diào)高臺燈的亮度，主控芯片調(diào)高輸出的PWM脈沖寬度；手勢離超聲波模塊越近，則視為用戶要降低臺燈的亮度，主控芯片降低輸出的PWM脈沖寬度。

2.3 光敏模塊設(shè)計

光敏模塊采用性能穩(wěn)定的光敏二極管傳感器，當周圍環(huán)境的光照亮度改變時，光敏二極管上的電壓也相應(yīng)的產(chǎn)生變化，這是由于光照產(chǎn)生的載流子參與導(dǎo)電，在外加電場的作用下作漂移運動，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負極，從而使光敏二極管的阻值迅速下降[9]。主控芯片利用自身集成的A/D模塊采集該變化電壓，并進行轉(zhuǎn)換得到光照強度，光敏模塊電路如圖6所示。隨后主控芯片根據(jù)光照強度等級控制輸出的PWM脈沖寬度實現(xiàn)對臺燈亮度的調(diào)節(jié)。

2.4 軟件設(shè)計和測試

本產(chǎn)品的軟件設(shè)計主要包括檢測人體感應(yīng)模塊是否檢測到有人進入臺燈的范圍、對光敏模塊的電壓進行采集和轉(zhuǎn)換、對手勢距離進行測量、輸出PWM波控制臺燈的亮度和定時巡檢決定是否停止臺燈工作。

軟件設(shè)計流程如圖7所示。程序初始化后實時檢測人體感應(yīng)模塊的信號輸出口，當其變?yōu)楦唠娖綍r，判定為用戶要使用臺燈。啟動定時巡檢程序，實時判斷用戶是否離開。在用戶離開一段時間后，如果燈沒有關(guān)，則執(zhí)行關(guān)燈操作，以節(jié)省用電。經(jīng)過定時巡檢程序之后，開始判斷臺燈亮度的控制模式，如果是手勢控制模式，則通過手勢控制臺燈的亮度；否則根據(jù)采集的光照強度實時調(diào)節(jié)臺燈亮度。在手勢控制模式下，首先判斷是否有新手勢，如果有再判斷是否為關(guān)燈手勢，若是關(guān)燈手勢則執(zhí)行關(guān)燈操作；若非關(guān)燈手勢則通過測量手勢距離調(diào)節(jié)PWM波控制臺燈亮度，其調(diào)節(jié)方式為手勢遠離臺燈則臺燈慢慢變亮，反之則臺燈亮度變暗，如果手勢距離超出范圍，則保持臺燈亮度不變；如果沒有新手勢，則保持臺燈亮度不變。之后在手勢控制臺燈亮度的過程中，加入適當?shù)难訒r濾波，以避免誤觸發(fā)手勢亮度控制。在環(huán)境光控制模式下，主控芯片通過A/D轉(zhuǎn)換模塊采集光敏模塊的電壓變化，并進行光照強度轉(zhuǎn)換，根據(jù)周圍環(huán)境的光照強度等級實時自適應(yīng)調(diào)節(jié)臺燈的輸出亮度。

2.5 臺燈外觀規(guī)格和實物

本產(chǎn)品的設(shè)計不僅包括臺燈控制系統(tǒng)的設(shè)計，還包括臺燈的外觀設(shè)計。目前市場上臺燈的外觀各式各樣，種類繁多。本產(chǎn)品在設(shè)計過程中，主要考慮的是產(chǎn)品的便攜性和個性化。臺燈的支架設(shè)計成可折疊式，折疊之后占用的體積較小。產(chǎn)品詳細的外觀規(guī)格如圖8所示。產(chǎn)品實物如圖9所示。

3 測試

3.1 光敏模塊測試

在不同的環(huán)境光下對光敏模塊進行測試，如圖10和圖11

所示。圖10是在傍晚時測試，當時天色漸黑，根據(jù)環(huán)境光照強度開啟臺燈并將臺燈的亮度控制在一定等級下進行工作；

圖11是在中午時進行測試，當天屬于晴天，臺燈根據(jù)環(huán)境光照強度自動關(guān)閉。

3.2 手勢模塊測試

通過手勢控制臺燈的亮度如圖12和圖13所示。圖12中，手勢離臺燈越遠，臺燈的亮度越亮；圖13中，手勢離臺燈較近，近到一定距離后視為關(guān)燈操作。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計的臺燈是針對青少年群體和生活中的“長明燈”浪費現(xiàn)象而設(shè)計的一款智能化、個性化和人性化臺燈。它實現(xiàn)了用戶離開時自動關(guān)燈；可根據(jù)環(huán)境光照強度智能調(diào)節(jié)臺燈亮度，自適應(yīng)輸出適合人眼舒適度的亮度；用戶也可通過手勢距離控制臺燈的亮度等。經(jīng)過大量實際測試，結(jié)果表明該產(chǎn)品性能穩(wěn)定，實現(xiàn)了臺燈亮度的智能化控制。目前，在人們對智能產(chǎn)品的要求不斷提高和在資源節(jié)約型社會的倡導(dǎo)下，本產(chǎn)品將擁有巨大的市場應(yīng)用前景。將來也可在本產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進行功能拓展，如增加藍牙模塊或WiFi模塊，實現(xiàn)在手機上對臺燈進行更加智能化的控制。

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