基于單片機(jī)系統(tǒng)的視力保護(hù)智能臺(tái)燈設(shè)計(jì)

戴忠祥

（江蘇大學(xué)京江學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江，212013）

0 引言

智能家居的目標(biāo)是為人類提供一個(gè)安全、舒適、高效和方便的生活環(huán)境。隨著社會(huì)科技水平的不斷發(fā)展，智能家居產(chǎn)業(yè)在互聯(lián)網(wǎng)影響下呈現(xiàn)物聯(lián)化的發(fā)展趨勢(shì)，日益受到研發(fā)人員的關(guān)注。其中，綠色環(huán)保照明研究成為照明設(shè)施研發(fā)的重要方向?，F(xiàn)有的臺(tái)燈雖能滿足基本的照明要求，但無法根據(jù)周圍環(huán)境科學(xué)地調(diào)整適合學(xué)習(xí)和工作的光照強(qiáng)度，隨著人們用眼量的不斷增加，越來越多的人飽受視力下降的困擾[1]，因此研制一種自動(dòng)化程度高、能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)光、保護(hù)視力的智能臺(tái)燈顯得尤為必要。

發(fā)光二極管（LED）是距今為止電光轉(zhuǎn)換效率最高的發(fā)光材料，采用LED 作為光源的照明設(shè)備已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，正逐步替代傳統(tǒng)光源照明設(shè)備。它具有高效節(jié)能、發(fā)熱量低、體積微小、經(jīng)久耐用、響應(yīng)快速和低壓安全等優(yōu)點(diǎn)[2]。本文采用柔光LED 作為光源器件，設(shè)計(jì)一款集自動(dòng)調(diào)節(jié)光強(qiáng)、聲控啟動(dòng)、紅外測(cè)距、測(cè)溫和屏顯等功能為一體的視力保護(hù)智能LED 臺(tái)燈，以滿足用戶的日常照明需求。

Arduino 是一款基于AVR 單片機(jī)的硬件電路和軟件開發(fā)環(huán)境共同開源的控制系統(tǒng)，它可提供交互式編程學(xué)習(xí)媒介，是為嵌入式開發(fā)學(xué)習(xí)而研發(fā)的一種控制終端[3]。Arduino 平臺(tái)由硬件（微處理器系統(tǒng)、Arduino 電路板等）和軟件（編程語言Arduino IDE）兩部分組成，Arduino編程軟件與 java、C 語言等程序開發(fā)環(huán)境類似，可使用 Arduino 語言與多種軟件進(jìn)行跨平臺(tái)互動(dòng)和融合，并可以在Windows、Linux 等操作系統(tǒng)上運(yùn)行，具有良好的兼容性。

1 臺(tái)燈系統(tǒng)總體介紹

臺(tái)燈基于Arduino 開源電子原型平臺(tái)，利用子系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)開發(fā)了自動(dòng)調(diào)光、聲控啟動(dòng)、紅外測(cè)距、測(cè)溫和屏顯等功能模塊，框架如圖1 所示。其中包括七個(gè)模塊：（1）柔光LED 照明模塊；（2）光強(qiáng)采集模塊，光敏電阻傳感器采集光強(qiáng)信息，轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)輸出；（3）臺(tái)燈光照強(qiáng)度的手動(dòng)調(diào)光則由電位器完成，調(diào)節(jié)旋鈕即可改變光強(qiáng)；（4）聲控傳感模塊，黑暗環(huán)境下通過聲音強(qiáng)度來開啟臺(tái)燈電源；（5）手動(dòng)和自動(dòng)模式切換，由電容型的觸摸傳感器實(shí)現(xiàn)，觸摸一次臺(tái)燈則工作模式自動(dòng)切換；（6）紅外測(cè)距模塊，能自主發(fā)射和接收特征頻率的紅外線并檢測(cè)距離，并附帶提示音功能；（7）周圍環(huán)境溫度信號(hào)采集由LM35 溫度傳感器完成，直接輸出對(duì)應(yīng)的電平模擬壓值，程序處理后在LCD1602 液晶顯示屏上顯示。

圖1

2 電路各模塊設(shè)計(jì)及說明

■2.1 自動(dòng)調(diào)光電路

半導(dǎo)體材料受到光照時(shí)，若入射光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，就會(huì)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，被光激發(fā)所產(chǎn)生的載流子留在材料內(nèi)部，使器件的電阻率變小的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。依據(jù)內(nèi)光電效應(yīng)制作而成的光敏電阻傳感器，受到光照時(shí)，光照越強(qiáng)，阻值越低。入射光消失，電子空穴對(duì)逐漸復(fù)合，電阻也逐漸恢復(fù)原值。通過阻值的變化來改變電壓，最終實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)光強(qiáng)的目的。

在自動(dòng)調(diào)光模式下，光敏電阻優(yōu)先檢測(cè)環(huán)境原始光強(qiáng)。為使光強(qiáng)達(dá)到最適合人眼的光照強(qiáng)度，通過調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)的模擬電壓值，運(yùn)行自動(dòng)調(diào)光子程序，使得光敏電阻傳感器采集的環(huán)境光強(qiáng)信號(hào)與LED 的亮度之和保持為設(shè)定光強(qiáng)，即可達(dá)到自動(dòng)調(diào)光的目的。當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)小于此設(shè)定值時(shí)，LED 的亮度隨環(huán)境光照強(qiáng)度的減弱而增加，以自動(dòng)補(bǔ)償缺失的光強(qiáng)。

■2.2 手動(dòng)調(diào)光電路

傳統(tǒng)的電位器主要是依靠機(jī)械結(jié)構(gòu)帶動(dòng)滑片運(yùn)動(dòng)來改變電阻值，進(jìn)而改變分壓比率，達(dá)到調(diào)節(jié)LED 亮度的目的。此模式下，可根據(jù)用戶需求自行定義，隨意調(diào)節(jié)LED 的亮度，不受環(huán)境光照強(qiáng)度的限制。

■2.3 聲控傳感模塊

聲控傳感器內(nèi)無接觸點(diǎn)，在特定環(huán)境光線下采用聲響效果激發(fā)拾音器進(jìn)行聲電轉(zhuǎn)換來控制用電器的開啟，廣泛應(yīng)用于智能家居設(shè)備中，用戶可以通過聲音對(duì)家庭設(shè)備進(jìn)行遙控。該聲音傳感器可檢測(cè)周圍環(huán)境的聲音強(qiáng)度。此模式下，若未開手動(dòng)模式，方便用戶在黑暗環(huán)境下臨時(shí)使用。通過調(diào)節(jié)聲音感應(yīng)器靈敏度，識(shí)別聲音，且輸出形式為數(shù)字開關(guān)輸出（0 或1）。環(huán)境聲音的強(qiáng)度小于設(shè)定的閾值時(shí)，D0 口輸出高電平1，經(jīng)非門轉(zhuǎn)換后最終輸出低電平0。反之，環(huán)境聲音強(qiáng)度超過設(shè)定閾值時(shí)，最終輸出高電平1，以開啟臺(tái)燈。

■2.4 紅外測(cè)距模塊

為防止臺(tái)燈使用者距離太近或坐姿不正，降低近視概率，添加紅外測(cè)距模塊，它能自主發(fā)射和接收特征頻率的紅外線，若檢測(cè)距離小于設(shè)定值時(shí)，傳感器發(fā)出蜂鳴實(shí)時(shí)提示音，以提醒使用者調(diào)節(jié)距離和調(diào)整坐姿。本設(shè)計(jì)選用2Y0A21 紅外測(cè)距傳感器模塊連接到單片機(jī)中，該傳感器的可調(diào)感應(yīng)距離范圍約為10～80cm，亦可設(shè)置程序參數(shù)自主調(diào)節(jié)感應(yīng)距離。

■2.5 溫度檢測(cè)模塊

LM35 是一款Celsius 集成溫度傳感器，能精確地將溫度轉(zhuǎn)換為電壓的線性關(guān)系輸出[4]。輸出信號(hào)可以分為模擬電壓信號(hào)和數(shù)字電壓信號(hào)兩種形式。當(dāng)單片機(jī)與溫度傳感器通信時(shí)，通過一個(gè)上拉電阻連接，這樣單片機(jī)和溫度芯片都能夠識(shí)別高低電平?？删_感知并實(shí)時(shí)通過液晶顯示臺(tái)燈周圍環(huán)境的溫度，以提高臺(tái)燈安全系數(shù)，直觀方便。

■2.6 液晶顯示模塊

LCD1602 為液晶顯示芯片，為工業(yè)字符型LED，具有體積小、功耗低、顯示容量大、接口簡單、穩(wěn)定耐久，方便顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等優(yōu)點(diǎn)，可同時(shí)顯示32 個(gè)字符。運(yùn)用液晶的物理性質(zhì)，通過電壓來控制它的顯示區(qū)域和圖形。LCD1602 與單片機(jī)之間的接線相對(duì)簡單，LCD1602 由若干5×7（或5×11）點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)獨(dú)立字符。為方便顯示，分割字符和線條，每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，每行之間也保持間距。1602 代表2行16 個(gè)字符，采用標(biāo)準(zhǔn)的16 腳接口，第1 引腳GND 為電源地；第2 引腳VCC 接電源（+5V）；第3 引腳V0 為對(duì)比度調(diào)節(jié)；第4 引腳RS 可實(shí)現(xiàn)輸入模式（0 輸入指令，1 輸入數(shù)據(jù)）；第5 引腳RW 為輸入讀寫模式（0 為寫入LCD，1 從LCD 讀?。?；第6 引腳H，為輸入使能信號(hào)；第7-14引腳連接數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)輸入輸出功能；第15 引腳LCA 接LCD 背光電源正極；第16 引腳LCB 接LCD 背光電源負(fù)極[5]。

■2.7 硬件電路設(shè)計(jì)

智能臺(tái)燈控制系統(tǒng)的硬件電路主要有單片機(jī)控制電路、光強(qiáng)檢測(cè)電路、聲音檢測(cè)電路、溫度顯示電路組合，如圖2所示。用電容、晶振設(shè)計(jì)晶振電路來設(shè)定電路的周期并與單片機(jī)的XTAL1、XTAL2 的端口相連。用電阻、電容、按鍵的結(jié)合，設(shè)定了復(fù)位電路，與單片機(jī)的RST 端口相連。采用20 個(gè)LED 作為發(fā)光源并采用并聯(lián)方式。P0.0—P0.7作為液晶顯示器1602 的數(shù)據(jù)接口，P2.0—P2.2 分別連接1602 的數(shù)據(jù)或命令選擇端，RW 為讀寫端，H 為使能端。P3.4 為信號(hào)的輸出端，用于調(diào)光控制。S8 為亮度調(diào)節(jié)鍵，S9 為模式調(diào)節(jié)鍵。

圖2

3 軟件設(shè)計(jì)

■3.1 自動(dòng)調(diào)光子程序

■3.2 手動(dòng)調(diào)光子程序

4 設(shè)備功能及實(shí)現(xiàn)

工作狀態(tài)下，可輕觸觸摸傳感器切換當(dāng)前臺(tái)燈的工作模式。若為手動(dòng)模式，無論環(huán)境光強(qiáng)大小和聲音強(qiáng)弱，均可由手動(dòng)按鈕開關(guān)打開臺(tái)燈總電源，通過電位器調(diào)節(jié)臺(tái)燈亮度；自動(dòng)模式下，可通過聲音傳感器來打開電源，根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)能自動(dòng)調(diào)光。距離太近觸發(fā)傳感器發(fā)出蜂鳴實(shí)時(shí)提示音，LCD1602 液晶顯示屏顯示當(dāng)前環(huán)境溫度。

5 結(jié)語

本臺(tái)燈基于Arduino 開源電子原型平臺(tái)，以光敏電阻傳感器為輔助器件，提出了一種自動(dòng)調(diào)節(jié)臺(tái)燈光強(qiáng)的新思路，該系統(tǒng)能直接通過軟件對(duì)光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行設(shè)置和調(diào)節(jié)，達(dá)到自動(dòng)調(diào)光目的，以增加人眼的舒適性。以各種傳感器作為擴(kuò)展功能模塊，實(shí)現(xiàn)聲控啟動(dòng)、紅外測(cè)距、測(cè)溫顯示等功能，使臺(tái)燈更加智能化。根據(jù)個(gè)人需求，增加手動(dòng)調(diào)光功能，通過電位器的分壓以達(dá)到控制LED 亮度的效果。本智能臺(tái)燈經(jīng)過多次調(diào)試和改進(jìn)后，總體設(shè)計(jì)具有安全可靠，設(shè)計(jì)簡單，節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，具有一定的實(shí)用性。