智能桌面照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陸黎容 覃夢(mèng)怡 韋彩玉 陳幸 曹銳 嚴(yán)小黑

摘 要： 本照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)可通過超聲波測(cè)距，感應(yīng)人體與LED燈的位置距離，當(dāng)人體靠近至設(shè)定數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警告以提醒人們的坐姿。采用的數(shù)碼管模塊，可設(shè)置相應(yīng)的學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)，用來提醒人們休息。采用的光檢測(cè)模塊，可不斷接收周圍光照強(qiáng)度，以能夠自動(dòng)改變LED燈的亮度，使人們能在適合光照亮度下進(jìn)行學(xué)習(xí)或工作，達(dá)到保護(hù)眼睛視力的功能。

關(guān)鍵詞： 智能照明; 超聲波測(cè)距; 光檢測(cè); 數(shù)碼管

文章編號(hào)： 2095-2163（2021）03-0200-03 中圖分類號(hào)：U459.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

【Abstract】This lighting system can detect the distance between the human body and the LED lamp through ultrasonic ranging. When the human body is close to the set value， the system could issue a warning to remind people of their sitting posture. The digital tube module can set the corresponding learning time to remind people to rest. The light detection module can continuously receive the surrounding light intensity， so as to automatically change the brightness of LED light， therefore people can study or work under suitable brightness， and achieve the function of protecting eye vision.

【Key words】 intelligent lighting; ultrasonic ranging; light detection; nixie tube

0 引 言

照明工具是人們的工作學(xué)習(xí)中一個(gè)不可或缺的部分。普通的照明系統(tǒng)雖也能滿足日常的照明需求，但人們?cè)诠ぷ鲗W(xué)習(xí)中，由于不能正確地形成一個(gè)良好的坐姿而距離燈光太近，或是在一個(gè)光源較暗或是光源太亮的環(huán)境下使用雙眼，以致于用眼疲勞，導(dǎo)致近視[1]。而嚴(yán)重的近視還會(huì)遺傳給下一代?；诖?，為了降低近視率，研究一款利于人們科學(xué)用眼學(xué)習(xí)的桌面照明系統(tǒng)是非常有必要的。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)包括單片機(jī)控制系統(tǒng)、四位數(shù)數(shù)碼管模塊、超聲波檢測(cè)模塊、LED燈模塊、光檢測(cè)模塊和系統(tǒng)按鍵模塊。在智能照明系統(tǒng)中，超聲波傳感器測(cè)距模塊可以實(shí)現(xiàn)距離的測(cè)量，經(jīng)STC89C52單片機(jī)控制系統(tǒng)來處理數(shù)據(jù)，當(dāng)超聲波傳感器感應(yīng)到人體小于設(shè)定的數(shù)值長(zhǎng)度時(shí)將會(huì)發(fā)出警告，防止使用者距離桌面過近。光檢測(cè)模塊用于檢測(cè)光強(qiáng)度的大小，從而改變照明系統(tǒng)的光照亮度。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 超聲波測(cè)距模塊設(shè)計(jì)

超聲波傳感器測(cè)距模塊可以實(shí)現(xiàn)智能照明系統(tǒng)中距離測(cè)量的功能。本設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距模塊選擇的是HC-SR04型號(hào)的超聲波傳感器進(jìn)行距離測(cè)量，此型號(hào)的傳感器具有測(cè)距精確度高，差距小的功能，可以滿足產(chǎn)品功能的需求。模塊連接設(shè)計(jì)如圖2所示。圖2中，超聲波模塊的VCC引腳與電源相連，單片機(jī)2個(gè)I/O口中的一個(gè)接入引腳Trig，另一個(gè)接入Echo引腳，接地的引腳為GND。超聲波測(cè)距工作原理如圖3所示，Trig作為控制端，啟動(dòng)測(cè)試距離的功能，如果輸入一個(gè)10 us左右的高電平信號(hào)，超聲波傳感器內(nèi)部將其轉(zhuǎn)換成8個(gè)40 KHz的方波自動(dòng)發(fā)送后等待是否會(huì)有信號(hào)返回。若有信號(hào)回來后會(huì)被接收端Echo收到，即會(huì)發(fā)出一個(gè)高電平。而高電平開始被接收端Echo發(fā)出時(shí)，就會(huì)打開定時(shí)器并開始計(jì)算時(shí)間。接收端Echo發(fā)送的高電平轉(zhuǎn)化為低電平時(shí)，就可以將定時(shí)器中的數(shù)值記錄下來。超聲波傳感器測(cè)距的時(shí)間就是這樣得來的。把記錄的時(shí)間代入公式：測(cè)試距離=（高電平時(shí)間*聲速）/2，聲速=340 m/s，即可算出測(cè)試的距離[2]。

2.2 LED燈模塊

LED燈模塊里的3×4個(gè)LED燈小燈珠使用的是串聯(lián)和并聯(lián)的方式連接起來的[3]，從而使燈珠的功能更穩(wěn)定，并大大降低了產(chǎn)品的成本。LED燈燈珠串、并聯(lián)連接后，再與三極管Q10進(jìn)行連接，如圖4所示。三極管就像開關(guān)，當(dāng)基級(jí)處在低電平時(shí)，LED燈即會(huì)處于低電阻的狀態(tài)。與Q10三極管基級(jí)相連的是R26電阻，R26電阻是用于防止經(jīng)過此路的電流過大而損壞三極管的使用。電阻R26和R25串聯(lián)接入Q11的發(fā)射級(jí)。因此，Q10的導(dǎo)通需要Q11基級(jí)處在高電平狀態(tài)，當(dāng)Q11基級(jí)處于低電平時(shí)會(huì)截止Q10，這樣從單片機(jī)傳輸來的信號(hào)就能夠控制LED燈了。

2.3 光檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

光檢測(cè)模塊選用型號(hào)為5528的光敏電阻和ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片作為光檢測(cè)模塊的元件。光檢測(cè)模塊要實(shí)現(xiàn)的是根據(jù)周圍的光照強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)LED燈光的亮度。光敏電阻的電阻值能夠隨著環(huán)境光照亮度的改變而變化，阻值變小時(shí)，燈光變暗，阻值變高時(shí)，燈光變亮，從而達(dá)到照明系統(tǒng)的燈光變暗或者變亮的目的[4]。單片機(jī)是數(shù)字器件，燈光的亮度受其控制，光敏電阻產(chǎn)生的是模擬數(shù)據(jù)，單片機(jī)的程序識(shí)別不出來，這時(shí)光敏電阻的模擬數(shù)據(jù)就會(huì)被ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行采集，再轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)才能使單片機(jī)識(shí)別到。

ADC0832芯片有8個(gè)引腳，在連接中的ADC0832芯片如圖5連接。引腳1連接單片機(jī)的CS口，即P1.2口。引腳2連接一個(gè)1 K電阻R141，且使用串聯(lián)連接R141和光敏電阻。這樣流經(jīng)的電流就會(huì)被共同分?jǐn)?，電阻R141能夠保護(hù)光敏電阻。引腳4與控制按鍵相連接地。用并聯(lián)的方式連接引腳5和6，并與單片機(jī)DI口相連，即P1.1口。引腳7與單片機(jī)CLK相連（CLK是單片機(jī)P1.0口）。引腳8外接電源。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

在單片機(jī)中，主程序也稱main函數(shù)，為程序開始執(zhí)行的地方，是程序運(yùn)行的基礎(chǔ)，可以有序地執(zhí)行和調(diào)用其他程序，對(duì)程序的運(yùn)行制定規(guī)則，防止程序運(yùn)行混亂。主程序的執(zhí)行流程如圖6所示。程序運(yùn)行中，main函數(shù)先要進(jìn)行初始化設(shè)置，智能桌面照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)光照檢測(cè)、定時(shí)警報(bào)和超聲波測(cè)距三個(gè)功能，因此，在程序初始化后是可以對(duì)其進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)的。其中，光照檢測(cè)是先檢測(cè)外界的光照強(qiáng)度，當(dāng)檢測(cè)到外界光照過亮或過暗時(shí)，系統(tǒng)會(huì)調(diào)節(jié)燈光亮度。定時(shí)報(bào)警和超聲波測(cè)距都是檢測(cè)是否到達(dá)設(shè)置的值。當(dāng)?shù)竭_(dá)時(shí)，系統(tǒng)觸發(fā)警報(bào);沒有到達(dá)時(shí)，系統(tǒng)繼續(xù)檢測(cè)。

3.2 超聲波檢測(cè)程序

該模塊實(shí)現(xiàn)的是當(dāng)人體距離桌面的距離超過設(shè)定的距離時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警告，以提醒人們調(diào)整坐姿。單片機(jī)發(fā)出測(cè)試信息，輸入一個(gè)高電平，自動(dòng)發(fā)送并等待是否有信息返回。如果系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)高電平時(shí)，則表明這個(gè)信號(hào)回來了。定時(shí)器也可以啟動(dòng)并開始計(jì)算時(shí)間。當(dāng)單片機(jī)不再輸出高電平并開始輸出低電平時(shí)就可以記錄定時(shí)器的數(shù)值，再通過公式計(jì)算出距離。根據(jù)距離的結(jié)果值來判斷人體是否達(dá)到已設(shè)定的距離。超聲波程序執(zhí)行流程如圖7所示。

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)功能：能根據(jù)周圍光照強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)燈光亮度;能夠自動(dòng)檢測(cè)人體距離桌面的距離是否達(dá)到所設(shè)定的值，避免因坐姿不對(duì)導(dǎo)致近視;可以設(shè)定時(shí)間，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的值時(shí)發(fā)出警報(bào)。本設(shè)計(jì)可以在一定程度上預(yù)防人們近視或近視度數(shù)的加深，具有一定的實(shí)際意義。

參考文獻(xiàn)

[1] ??夏麗. 智能LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 西安：西安電子科技大學(xué)，2014.

[2] 李從宏，嚴(yán)影. 一種新的智能LED臺(tái)燈設(shè)計(jì)[J]. 信息技術(shù)，2013，37（3）：133-135.

[3] 羅文正. LED照明智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 成都：電子科技大學(xué)，2014.

[4] 董云峰. 太陽能路燈控制器設(shè)計(jì)[J]. 科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力，2018（3）：53-55.