WIFI智能臺(tái)燈設(shè)計(jì)

苗紫民 程澤華 高巧楠 姜銘 董一波 周慧

摘要：臺(tái)燈作為我們?nèi)粘Ｉ畹恼彰鞴ぞ撸坏o我們的生活提供了很大的便利，而且也豐富了我們的世界。隨著電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，家用電器逐漸趨向智能化，臺(tái)燈也更加智能。智能臺(tái)燈以專門感應(yīng)人體紅外信號(hào)的紅外傳感器為基礎(chǔ)，利用單片機(jī)進(jìn)行處理，從而控制臺(tái)燈。當(dāng)房間光線較昏暗，且周圍有人時(shí)，臺(tái)燈就會(huì)檢測出來進(jìn)而自動(dòng)發(fā)光，避免了人們在夜里尋找開關(guān)的不便;當(dāng)一定范圍內(nèi)無人時(shí)，臺(tái)燈就會(huì)自動(dòng)熄滅，以實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源的功能。本設(shè)計(jì)還增加了WIFI遠(yuǎn)程控制的功能，可以在手機(jī)App上遠(yuǎn)程控制手動(dòng)自動(dòng)模式和發(fā)光亮度，且可以遠(yuǎn)程查看燈光和環(huán)境亮度等信息。

關(guān)鍵詞：智能臺(tái)燈;單片機(jī);WIFI控制;自動(dòng)模式;手動(dòng)模式

中圖分類號(hào)：TP311? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）14-0217-03

Abstract： As a lighting tool in our daily life， desk lamp not only provides great convenience for our life， but also enriches our world. As the electronic products develops， household appliances are becoming more and more intelligent， even to the lamps. Single chip microcomputer is used to control the desk lamp based on infrared sensor. When the room light is dim and there are people around， the desk lamp will detect and then automatically light up， avoiding the inconvenience of people looking for the switch at night; when there is no one within a certain range， the lamp will automatically go out to realize the function of energy saving. The design also adds WIFI remote control function， which can remotely control the manual automatic mode and brightness on the mobile app， and remotely view the information such as lighting and ambient brightness.

Key words： intelligent desk lamp; MCU; WIFI control; automatic mode; manual mode

隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，多種多樣的智能電器漸漸走進(jìn)了人們的視野。智能家居是互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展背景下的代表產(chǎn)物，同時(shí)也是社會(huì)科技水平進(jìn)步的重要標(biāo)志[1]。電子時(shí)代的到來不僅方便了人們的生活，而且在很大程度上改變了我們的思維方式，使得人們自主去追求更高品質(zhì)的生活。臺(tái)燈作為我們每家每戶基本都有的一個(gè)電器，常常方便我們的生活。但是由于人們的粗心大意，不及時(shí)的關(guān)閉臺(tái)燈，很可能造成能源浪費(fèi)。并且，人們在半夜摸黑找臺(tái)燈也非常不方便。 現(xiàn)如今人們生產(chǎn)的臺(tái)燈較普通，大多數(shù)以手動(dòng)式為主，此類型臺(tái)燈低功耗，對(duì)眼睛傷害很大[2]。于是，我們分別從紅外控制、WIFI遠(yuǎn)程控制等方面設(shè)計(jì)了一款智能臺(tái)燈，從而更加方便人們的生活。

1系統(tǒng)主要功能及電路總體構(gòu)成

1.1系統(tǒng)的主要功能

本次設(shè)計(jì)的臺(tái)燈一共有兩種模式，一是自動(dòng)式，二是手動(dòng)式。在自動(dòng)模式中，臺(tái)燈通過紅外感應(yīng)模塊和光照采集模塊的共同作用能夠做到自動(dòng)亮滅、自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度的功能。在手動(dòng)模式中，人們可以利用加按鍵、減按鍵來調(diào)節(jié)臺(tái)燈的亮度。并且在此基礎(chǔ)上，我們設(shè)置了WIFI遠(yuǎn)程控制模塊。人們可以通過手機(jī)App來控制臺(tái)燈的模式以及檔位，同時(shí)，手機(jī)App上會(huì)顯示臺(tái)燈最后接收時(shí)間、當(dāng)前處于的模式與當(dāng)前光照亮度等信息。

為了達(dá)到預(yù)期的設(shè)想，我們對(duì)熟悉的單片機(jī)、光敏電阻、紅外傳感器等一些電子元件進(jìn)行測試，選出性能更好、價(jià)格更便宜的器件來設(shè)計(jì)臺(tái)燈。

1.2系統(tǒng)的總體構(gòu)成

此臺(tái)燈的硬件主要有單片機(jī)、紅外傳感器、ESP8266-12、并排LED燈等;電路設(shè)計(jì)主要由紅外感應(yīng)電路、光照采集電路、晶振電路、復(fù)位電路、燈光控制電路、按鍵電路、WIFI控制電路等電路組成。通過軟硬件設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)想結(jié)果，最終將其焊接在電路板上。電路總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

隨著科技的快速發(fā)展和人們對(duì)美好生活的向往需求，生活中人們不僅僅要求臺(tái)燈的外觀精致，還希望其能夠更節(jié)能環(huán)保、更智能化和人性化[3]。為了達(dá)到預(yù)期的功能，我們選用人體紅外傳感器，綜合多種硬件電路，利用核心器件單片機(jī)進(jìn)行工作，以達(dá)到控制臺(tái)燈的目的。當(dāng)周圍有人的時(shí)候，臺(tái)燈便會(huì)根據(jù)環(huán)境光線自動(dòng)調(diào)節(jié)燈光的亮度，避免了在夜里找東西的不便，保障了人們的安全;并且臺(tái)燈具有WIFI功能，可以在手機(jī)App上遠(yuǎn)程查看和控制臺(tái)燈進(jìn)行工作;當(dāng)周圍沒有人的時(shí)候，臺(tái)燈可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)熄滅的功能，以實(shí)現(xiàn)我們預(yù)期的功能。程序流程圖如圖2所示。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本臺(tái)燈硬件部分主要使用的是STC12C5A60S2單片機(jī)、應(yīng)用廣泛的人體紅外傳感器、ESP-12和LED燈等電子器件組成。

3.1 STC12C5A60S2單片機(jī)

與其他型號(hào)的單片機(jī)相比較，STC12C5A60S2單片機(jī)有很多閃光點(diǎn)。其特點(diǎn)表現(xiàn)為：運(yùn)行速度快;電壓寬;低功耗設(shè)計(jì);工作頻率高;可擦寫次數(shù)高達(dá)10萬次以上;有多個(gè)通用I/O口，且驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)，其模式可以設(shè)置多種，便于在多種電路中使用，主要在儀表和簡單的控制電路上應(yīng)用。

STC12C5A60S2單片機(jī)非常適合初學(xué)者使用，因燒錄程序非常容易，只需要買一條USB轉(zhuǎn)串口線即可，如需要燒錄軟件，使用者可以去STC官網(wǎng)上進(jìn)行下載。STC12C5A60S2是中國一家企業(yè)制造的一種新型的單片機(jī)，與傳統(tǒng)51類型的單片機(jī)兼容，但其運(yùn)行速度更快、抗干擾能力更強(qiáng)，適合于電機(jī)控制及其他電磁干擾較強(qiáng)的應(yīng)用領(lǐng)域 [4]?？傮w而言，在追求超高性價(jià)比方面，STC12C5A60S2單片機(jī)將是理想選擇之一。單片機(jī)最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

3.2 信號(hào)檢測與處理部分

信號(hào)檢測與處理部分由熱釋電紅外傳感器、光照采集電路等器件組成。臺(tái)燈的作用是根據(jù)環(huán)境光通過傳感器調(diào)節(jié)室內(nèi)燈的照明亮度，為學(xué)生提供一個(gè)舒適的學(xué)習(xí)光照環(huán)境[5]。所以我們使用的是人體紅外傳感器，這種傳感器只對(duì)波長很短的紅外輻射敏感，而對(duì)其他物體不敏感。人體紅外線傳感器是早期出現(xiàn)的一種高靈敏度探測元件，廣泛用于我們的生活中。在一定的距離內(nèi)，它可以檢測到是否有人的出現(xiàn)，并對(duì)其所在電路進(jìn)行控制。該模塊比較簡單，其3個(gè)引腳分別連接VCC、單片機(jī)的輸入輸出口、GND。在設(shè)置的范圍內(nèi)，如果周圍有人出現(xiàn)，臺(tái)燈可以利用紅外模塊迅速檢測到并自動(dòng)發(fā)光。人體紅外檢測電路圖如圖4所示。

3.3 按鍵輸入模塊

本臺(tái)燈設(shè)計(jì)了三個(gè)按鍵，分別是切換按鍵、亮度加按鍵和亮度減按鍵。切換按鍵用來切換自動(dòng)模式和手動(dòng)模式。在手動(dòng)模式的時(shí)候，人們可以通過長時(shí)間按加減按鍵或點(diǎn)按加減按鍵來調(diào)節(jié)亮度。K1、K2、K3按鍵的1號(hào)引腳分別連接單片機(jī)的P17、P16、P15口，4號(hào)引腳都接到GND。本設(shè)計(jì)一共設(shè)置了7個(gè)檔位，可以用在周圍環(huán)境光線不同程度的情況下，更加方便人們的生活。在自動(dòng)模式的時(shí)候，光照采集部分可以根據(jù)周圍環(huán)境的亮度來自動(dòng)調(diào)節(jié)臺(tái)燈的亮度。另外，在此基礎(chǔ)上，我們還設(shè)計(jì)了復(fù)位按鍵，可以使單片機(jī)重新啟動(dòng)并初始化程序。按鍵模塊電路圖如圖5所示。

3.4 照明模塊

隨著照明燈具的不斷更新?lián)Q代，LED燈以功耗低、價(jià)格便宜的特點(diǎn)占據(jù)了我們生活的每一處地方[6]。LED內(nèi)部利用固態(tài)半導(dǎo)體元件，將電能轉(zhuǎn)化為光能。LED燈的應(yīng)用十分廣泛，在很多領(lǐng)域都發(fā)揮著極大的作用[7]。LED燈安裝簡單，不需要整流器，LED光源能夠符合光生物安全檢測，有自動(dòng)控制節(jié)能裝置，符合我們臺(tái)燈設(shè)計(jì)的要求。我們設(shè)計(jì)了多個(gè)LED燈并聯(lián)來獲得較大的功率，當(dāng)單片機(jī)的I/O口輸出為高電平時(shí)，臺(tái)燈便發(fā)光，當(dāng)單片機(jī)的I/O口輸出為低電平時(shí)，臺(tái)燈便熄滅。由于人眼存在視覺暫留，我們便可以通過脈沖寬度調(diào)制來改變單片機(jī)I/O口輸出高低電平的比例，呈現(xiàn)出來的效果便是臺(tái)燈可以有多種亮度檔位的調(diào)節(jié)。此臺(tái)燈我們設(shè)計(jì)了7個(gè)檔位，給人們更多的選擇空間。其中第1檔亮度最低，第7檔亮度最高。照明模塊電路如圖6所示。

3.5 WIFI控制模塊

隨著4G/5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來，智能家居系統(tǒng)的功能更為強(qiáng)大，應(yīng)用范圍更加廣泛[8]。在本臺(tái)燈設(shè)計(jì)中，人們可以根據(jù)手機(jī)App利用WIFI遠(yuǎn)程控制模塊來控制臺(tái)燈的模式及亮度。其中WIFI控制模塊是利用ESP8266模塊來實(shí)現(xiàn)的，用戶可以利用手機(jī)APP與WIFI控制模塊進(jìn)行連接，以達(dá)到遠(yuǎn)程控制臺(tái)燈的功能。WIFI控制模塊與用戶手機(jī)之間使用ASCII碼進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。在手機(jī)App上，用戶必須先輸入賬號(hào)和密碼進(jìn)行登錄，通過設(shè)置按鈕進(jìn)行測試。登錄完成后，用戶可以在頁面上進(jìn)行模式和檔位的選擇，以便遠(yuǎn)程控制臺(tái)燈。WIFI控制電路圖如圖7所示。

4結(jié)束語

目前，市面上的臺(tái)燈基本上都是手動(dòng)加減亮度模式類型的，這種類型的臺(tái)燈對(duì)于我們來說，其功能太簡單，很難符合我們?nèi)粘Ｉ畹男枰?。并且，使用臺(tái)燈的人群大多數(shù)是青少年，由于臺(tái)燈亮度過低或者過高，很容易傷害眼睛，所以我們設(shè)計(jì)的這款臺(tái)燈可以根據(jù)周圍環(huán)境的光線強(qiáng)度來自動(dòng)調(diào)節(jié)臺(tái)燈的亮度，從而保護(hù)人們的眼睛。而且，我們可以利用手機(jī)App來控制臺(tái)燈。用戶手機(jī)打開熱點(diǎn)，打開臺(tái)燈開關(guān)后，等待幾秒初始化完成，WIFI控制模塊自動(dòng)連上熱點(diǎn)，用戶就可以在手機(jī)上?對(duì)臺(tái)燈的模式、檔位進(jìn)行控制。本臺(tái)燈不僅可以起到保護(hù)人們視力的作用，而且可以方便人們的生活、節(jié)約能源。

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【通聯(lián)編輯：梁書】