一種護眼臺燈控制系統的設計

摘要:以單片機STC12C5202AD為控制器，采用超聲波技術來測量距離，完成了智能報警護眼臺燈控制系統的設計。系統設計中用STC12C5202A單片機、MAX232、NE5532、LM393、可控硅、蜂鳴器等完成系統的硬件設計;以Keil uVision3為軟件開發環境完成系統的程序設計。系統實現了報警距離的自由設定，進入報警范圍自動報警、報警方式自動切換等功能，可以達到矯正坐姿、保護視力的功能。

關鍵詞:單片機;超聲波;報警;程序設計

中圖分類號:TP249文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)05-1251-03

A Design of Eye Protection Table Lamp

WEI Gui-long， CHENG Yong， XUE Qing-jun

(Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266510， China)

Abstract: The design of the control system of intelligent alarming eye protection table lamp， with the single-chip microcomputer STC12C5202AD as the controller， using ultrasonic technology to measure distance. The hardware design of the system is achieved by STC12C5202AD single chip， MAX232， NE5532， LM393， SFR， buzzer and so on. And the software design of the system is accomplished by Keil uVision3 software development environment. The system can be set alarm distance freely， alarm automatically within alarming range and switch from different alarming methods automatically and so on. It can rectify the sitting posture and protect the eyesight of people.

Key words: single chip microcomputer; untrasonic; alarm; software design

1 概述

近視是困擾現在大部分人尤其是學生群體的一個普遍的問題，造成近視的原因有很多，其中一個原因就是在讀書寫字的時候眼睛離書本太近，時間長了以后造成的用眼疲勞。針對使用臺燈時看書學習姿勢不正確或者看書學習過程中下意識靠近書本的這些用戶，設計的以增強型單片機STC12C5202AD為控制器，基于超聲波測距技術、性能良好、高精確度的智能護眼臺燈控制系統。

2 設計方案說明

報警距離的自由設定是由用戶通過電位器來設置的。因為持續的超聲波會對人體造成傷害，判斷用戶與臺燈的距離采用的方法是間歇的發射超聲波來探測用戶與超聲波探頭的距離，當用戶距離臺燈在報警距離以內的時候，蜂鳴器就會聲音警報，報警持續10S以后，如果探測到得用戶與臺燈的距離如果仍然在報警距離以內，則采取給臺燈斷電動作來關斷臺燈的電源，當探測到用戶退出報警距離以外，打開臺燈電源，臺燈重新工作，以此來保證系統設計中的報警系統的有效性。本系統采用的控制臺燈電源打開與關斷的方法是通過控制可控硅來實現的。

3 硬件電路設計

智能護眼臺燈系統主要有控制部分、超聲波發射與接收部分、報警部分。系統的硬件結構圖如圖1所示。

3.1 超聲波發射與接收電路的設計

3.1.1 超聲波測距的原理

系統設計中采用的壓電式超聲波發生器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發生器內部有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發生共振，并帶動共振板振動，便產生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。由于雙晶直探頭檢測精度比單晶直探頭精度要高，且超聲信號的反射和接收的控制電路較單晶直探頭簡單，故系統選用分體的T-40-16，R-40-16型號的超聲波探頭，一個是發射，一個是接收。超聲波傳感器諧振頻率為40KHz。

采用超聲波技術來測量用戶與臺燈的距離，精度達到了厘米級。利用超聲波測距原理可以總結為:定期發送超聲波，遭遇障礙物的時候發生反射，發射波經由接收器接收并轉化為電信號，單片機只要獲得了發送和接收的時間差，由于超聲波在空氣中傳播速度很固定，按照以下公式:

S=C△t/2(1)

其中公式(1)中，S表示距離，C表示超聲波在空氣中的速度， △t代表從發送到收到超聲波的時間間隔，利用公式(1)得到的S就是用戶與臺燈的距離。

3.1.2 超聲波發射部分

由作為主控芯片的STC12C5202AD的P1.4、P1.5兩個I/O口[1]配合來產生40 kHz的方波信號，方波信號放大后輸出到超聲波換能器，產生超聲波信號。由于加在超聲波探頭的交變電壓的電壓值越高，發射探頭發出去的超聲波能量就越大，測得的距離就越遠。采用了MAX232芯片來拉高信號的電壓，MAX232芯片是使用+5V單電源供電專門為電腦的RS-232標準串口設計的接口電路，符合TIA/EIA-232-F標準，每一個接收器將TIA/EIA-232-F電平轉換成TTL/CMOS電平。每一個發送器將TTL/CMOS電平轉換成TIA/EIA-232-F電平。超聲波發射電路的電路如圖2所示。

3.1.3 超聲波接收部分

接收部分設計中選用的放大器NE5532是高性能低噪聲運放，有優良的輸出驅動能力及高性能的低噪聲。接受電路前級采用NE5532構成兩級放大電路構成放大10000倍的放大器，對接收信號進行放大，信號整形部分采用的LM393是雙電壓比較器電路， LM393的輸入信號來自NE5532放大后的信號，經過LM393的整形后的信號直接送給單片機的外部中斷入口。結構圖如圖3所示。

3.2 報警距離設定部分的設計

為了實現用戶的對不同的報警距離的自由設定，采用的方法是用電位器來調節送入AD的電壓，單片機利用AD轉換獲得的數字量來確定用戶所設定的報警距離的大小。系統采用的STC12C5202AD單片機內部有8通道8位高速ADC，速度可達30萬次/秒，選用單片機自帶的8位AD完全滿足本系統中模擬信號轉化為數字信號的精度需要，不過本系統中只用到了8通道AD中的其中一個通道。

3.3 報警部分的設計

報警部分分為兩種方法:第一種方法是蜂鳴器的聲音報警，如果用戶距離臺燈在報警范圍內的話，將發出聲音來報警;第二種方法是切斷臺燈電源，當聲音報警持續10S鐘以后如果探測到用戶仍然在報警范圍以內，蜂鳴器繼續報警并且切斷臺燈的電源，將臺燈熄滅，直到探測到用戶不在報警范圍時才撤銷報警，即停止蜂鳴器的報警并讓臺燈開始正常工作。

第一種聲音報警方式，蜂鳴器報警的設計是通過一個普通I/O口來控制的一個蜂鳴器，設計中利用了一個起開關作用的PNP三極管[2]做開關來進行控制。

固態繼電器是具有隔離功能的無觸點電子開關，在開關過程中無機械接觸部件，因此固態繼電器除具有與電磁繼電器一樣的功能外，還具有邏輯電路兼容，耐振耐機械沖擊，安裝位置無限制，具有良好的防潮防霉防腐蝕性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也極佳，輸入功率小，靈敏度高，控制功率小，電磁兼容性好，噪聲低和工作頻率高等特點[3]。所以，第二種切斷臺燈電源的報警方式，沒有采用普通的電磁繼電器，而是采用了可控硅輸出的光電耦合器MOC3021配合可控硅MAC97A6實現了對220V臺燈電源的關閉與打開。

4 軟件設計

4.1程序說明

本系統的程序的設計開發在Keil uVision3[4]中進行，由于與匯編相比，C語言[5]在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優勢，因而易學易用，故采用的編程語言是C語言。Keil uVision3集成開發環境是美國Keil Software開發的基于80C51內核的微處理器軟件開發平臺，可以完成從工程建立到管理、編譯、鏈接、目標代碼的生成、軟件仿真、硬件仿真等完整的開發流程。Keil uVision3支持所有的Keil 80C51的工具軟件，包括C51編譯器、宏匯編器、鏈接器器/定位器和目標文件至Hex格式轉換器。由于以上種種優點，選擇其作為開發環境。

4.2 主程序流程圖

本系統軟件設計部分的主程序流程圖如圖5所示，其中包括了系統初始化，信號發生和接收與調理、臺燈報警的控制、AD數據采集等功能模塊。

初始化程序中要對所選的STC12C5202AD單片機的引腳進行工作模式的配置，還有對中斷、定時器、AD轉換等相關功能寄存器進行初始化，由于此款單片機帶有看門狗，故還要對看門狗相應的WDT_CONTR寄存器進行配置。與超聲波發射與接收有關的子程序有定時器中斷服務程序和外部中斷服務程序，定時中斷服務程序是產生40KHz的方波信號的依據，外部中斷服務程序是檢測與接收超聲波返回時的接收到的超聲波信號，中斷服務程序中利用時間計算出距離。超聲波接收部分有一個需要注意的問題是，系統中超聲波來測量距離存在的問題是有一個10cm的盲區，所以在超聲波接收信號時，要先屏蔽外部中斷信號，待盲區外超聲波信號返回時，才打開外部中斷來取得相應外部中斷并測算用戶離臺燈的距離。報警部分控制蜂鳴器跟關閉和開關臺燈電源的控制程序各通過控制一個普通I/O口即可方便的實現操作。

5 結論

在際運行中，用戶可以通過對電位器來調節AD輸入電壓，來實現報警距離的設定。并且實際應用中將超聲波的發射探頭跟接受探頭獨立于其它部分，與其它部分通過引線相連，以實現探頭朝向的自由的旋轉，便于用戶方便的進行超聲波探頭方向的調節，實際應用中本系統可以很好的完成在設定的報警距離范圍內進行有效的報警，從而達到的矯正坐姿、預防近視的功能。

參考文獻:

[1] 胡輝.單片機原理及應用設計[M].北京:中國水利水電出版社，2005:124-283.

[2] 童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].北京:高等教育出版社，2001:36-79.

[3] 汪明添.電子元器件[M].北京:北京航空航天大學出版社，2008:56-67.

[4] 王為青，程國鋼.單片機Keil Cx51應用開發技術[M].北京:人民郵電出版社，2007:23-60.

[5] 胡偉，季曉衡.單片機C程序及應用實用[M].北京:人民郵電出版社，2003:1-506.