基于ARDUINO的智能LED臺(tái)燈設(shè)計(jì)

陳晶晶 吳治帆 宋 康

（四川大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610065）

0 引言

綠色環(huán)保照明研究成為照明設(shè)施研發(fā)的重要方向。臺(tái)燈是學(xué)生桌前必備的照明工具[1]，現(xiàn)有的臺(tái)燈僅能滿足學(xué)生的照明要求，無法根據(jù)周圍環(huán)境科學(xué)地調(diào)整適合學(xué)習(xí)的光照強(qiáng)度，為學(xué)生提供良好的光照環(huán)境[2]。

LED 作為照明光源，有節(jié)能環(huán)保、壽命長、體積小、發(fā)熱小、響應(yīng)速度快、安全電壓低、耐候性好、方向性好等優(yōu)點(diǎn)[4]。因此該文采用LED 作為光照器件，設(shè)計(jì)一款具備自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度、溫度顯示和聲控開關(guān)等功能的智能LED 臺(tái)燈，滿足人們的學(xué)習(xí)需求。

溫美遜等人設(shè)計(jì)的基于ARDUINO 的視力保護(hù)儀，使用光敏電阻、四電壓比較器LM339 和發(fā)光二極管組成的光檢測(cè)電路來實(shí)現(xiàn)測(cè)量周圍光線、及時(shí)補(bǔ)充和調(diào)整光源的功能。另外還利用超聲波測(cè)距模塊提醒使用者調(diào)整自己的坐姿，同時(shí)附加定時(shí)中斷提醒功能，系統(tǒng)工作一段時(shí)間之后報(bào)警提醒使用者休息，功能豐富[3]。

該文提出一種新的自動(dòng)調(diào)整光源的方案。光敏電阻傳感器采集光照強(qiáng)度，ARDUINO 開發(fā)板收集信息并進(jìn)行程序處理，自動(dòng)控制臺(tái)燈的亮度，簡(jiǎn)單方便。

1 臺(tái)燈系統(tǒng)總體介紹

臺(tái)燈系統(tǒng)基于ARDUINO 開發(fā)板，圍繞著其最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)了自動(dòng)調(diào)光、聲控開關(guān)和溫度顯示等功能模塊。系統(tǒng)如圖1 所示。其中包括6 個(gè)模塊。1）照明設(shè)備。2）聲控開關(guān)模塊，通過判斷聲音強(qiáng)度來開啟臺(tái)燈總電源，方便在黑暗情況下打開臺(tái)燈。3）光強(qiáng)采集模塊，光敏電阻傳感器采集光強(qiáng)信息，直接輸出模擬電壓值。4）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。5）臺(tái)燈光照強(qiáng)度的手動(dòng)改變則由電位器完成，調(diào)節(jié)旋鈕即可改變光強(qiáng)。6）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)的電模擬壓值，程序處理后在LCD1602 液晶顯示屏上顯示。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 ARDUINO簡(jiǎn)介

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)，是交互式編程學(xué)習(xí)的一種媒介，是為嵌入式開發(fā)學(xué)習(xí)而研發(fā)的一種控制終端[5]。

ARDUINO 包括硬件（各種型號(hào)的ARDUINO 板）和軟件（ARDUINO IDE）。ARDUINO 板通過USB 接口供電，電壓為5 V。復(fù)位按鍵（Reset Button）可以使ARDUINO 重新啟動(dòng)，并且開始運(yùn)行程序。ARDUINO UNO 有14 個(gè)數(shù)字輸入/輸出端口，6 個(gè)模擬輸入端口。ARDUINO 編程環(huán)境可以跨平臺(tái)，并且該軟件可以在Windows、Macintosh OSX、Linux 操作系統(tǒng)上運(yùn)行。另外ARDUINO 控制板價(jià)格低廉，可自行組裝，也可以購買完整的產(chǎn)品[6]。

2.2 自動(dòng)調(diào)光電路

2.2.1 光敏電阻傳感器

光敏電阻的電阻值與光線有關(guān)，照射在感光面的光線亮度增加時(shí)，電阻值會(huì)變小，亮度減少時(shí)電阻值會(huì)加大。當(dāng)環(huán)境光比較強(qiáng)時(shí)，光敏電阻的阻值減小，相反環(huán)境光較弱時(shí)，它的阻值增大，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換[7]。

圖1 智能LED 臺(tái)燈系統(tǒng)框圖

2.2.2 自動(dòng)調(diào)光模式

自動(dòng)調(diào)光模式下，由于光敏電阻傳感器采集的環(huán)境光強(qiáng)信號(hào)與LED 的亮度之和保持在一個(gè)定值，即最適合人眼的光照強(qiáng)度。當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)小于此定值時(shí)，LED 的亮度隨環(huán)境光照強(qiáng)度的減弱而增加。當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)大于此定值時(shí)，LED的亮度為零，即直接通過程序處理達(dá)到自動(dòng)調(diào)光的目的，保護(hù)眼睛。

2.3 手動(dòng)調(diào)光電路

2.3.1 電位器

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)，以此來對(duì)改變電阻值。電位器又稱為可變電阻器（VR，Variable Resistor）或簡(jiǎn)稱可變電阻，其是一種具有3 個(gè)端子，其中包括2 個(gè)固定接點(diǎn)與一個(gè)滑動(dòng)接點(diǎn)，可經(jīng)由滑動(dòng)而改變滑動(dòng)端與2 個(gè)固定端間電阻值的電子零件，屬于被動(dòng)元件，使用時(shí)可形成不同的分壓比率，改變滑動(dòng)點(diǎn)的電位。

2.3.2 手動(dòng)調(diào)光模式

通過電位器的分壓來改變LED 的亮度。轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕，即可改變當(dāng)前臺(tái)燈的亮度。在此模式下，LED 的亮度可隨意調(diào)節(jié)，不受環(huán)境光照強(qiáng)度的限制，滿足人們的不同需求。

2.4 LM35測(cè)溫電路

2.4.1 LM35簡(jiǎn)介

LM35 是一款精密的Celsius 集成溫度傳感器，其輸出電壓和溫度呈線性關(guān)系[8]。

LM35 是一種電壓型輸出傳感器，每升高11 ℃，溫度從-50 ℃上升至150 ℃，電壓增加10 mV[9]。通過對(duì)LM35傳感器的輸出電壓值進(jìn)行處理得到空氣溫度。

2.4.2 LM35測(cè)溫

LM35 感受溫度并將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成可用的輸出信號(hào)，輸出信號(hào)有模擬電壓信號(hào)和數(shù)字電壓信號(hào)2 種，下面的公式采用的輸出信號(hào)為模擬電壓。由LM35 的靈敏度可算溫度計(jì)算公式：

式中：U為ARDUINO 開發(fā)板內(nèi)部的工作電壓，通常為5 V。k為LM35 的靈敏度，k=10 mV/℃。temp 為當(dāng)前環(huán)境溫度，單位℃。analogRead（wendu）為ARDUINO 開發(fā)板讀取到溫度對(duì)應(yīng)的模擬電壓值，單位mV。

2.5 LCD1602顯示

LCD1602 為工業(yè)字符型LED，可同時(shí)顯示32 個(gè)字符。LCD1602 專門用來顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等。它由若干個(gè)5×7 或者5×11 等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符，每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔，從而分割字符和線條。1602 表示2 行16 個(gè)字符。

1602 采用標(biāo)準(zhǔn)的16 腳接口，其中特殊的第3 引腳：V0為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，實(shí)踐時(shí)可以通過調(diào)節(jié)10 K 的電位器來調(diào)節(jié)第15～16 腳：空腳或背燈電源。第15 引腳為背光電源正極，第16 引腳為背光電源負(fù)極[10]。

2.6 聲控開關(guān)

聲控裝置是智能家居設(shè)備中的重要組成部分，用戶可以通過聲音對(duì)家庭設(shè)備進(jìn)行控制。

該聲音傳感器可檢測(cè)周圍環(huán)境的聲音強(qiáng)度。但是只能識(shí)別聲音的有無，不能識(shí)別聲音強(qiáng)度的大小或者特定頻率的聲音，但對(duì)于該系統(tǒng)來說已經(jīng)足夠，靈敏度可調(diào)，且輸出形式為數(shù)字開關(guān)量輸出（0 和1 高低電平）。環(huán)境聲音的強(qiáng)度小于設(shè)定的閾值時(shí)，DO 口輸出高電平1，反之，環(huán)境聲音強(qiáng)度超過設(shè)定閾值時(shí)，模塊輸出低電平0。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 自動(dòng)調(diào)光子程序

void AUTO（ ）//光敏電阻傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)光

{

sensorval=analogRead（analogguangpin）；//將傳感器輸出轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的模擬量

if（sensorval＜300）//設(shè)定最適于人眼的光強(qiáng)對(duì)應(yīng)模擬電壓值為300

{

analogWrite（ledpin，sensorval*0.3）；//根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)自動(dòng)控制LED 亮度

}

else

analogRead（ledpin，300*0.3）；//設(shè)定最適于人眼的光強(qiáng)對(duì)應(yīng)模擬電壓值為300

}

3.2 手動(dòng)調(diào)光子程序

void HAND（ ）//電位器實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)光

{

sensorval=analogRead（analogrestpin）；//將電位器分壓值輸出轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的模analogWrite（ledpin，sensorval*0.25）；//根據(jù)電位器分壓手動(dòng)控制LED 亮度

}

3.3 主控制程序

if（digitalRead（song）==HIGH）//檢測(cè)聲音傳感器狀態(tài)

{

j=!j；

}

if（j or digitalRead（allpin））//聲控開關(guān)或按鍵開關(guān)打開之后顯示溫度

{

lcd.setCursor（0,0）；//設(shè)置光標(biāo)到第二行第一列，1 表示第二行，從0 開始數(shù)）

int temp=analogRead（wendu）；//讀取溫度信號(hào)并轉(zhuǎn)換成模擬電壓值

lcd.print（5*100*temp/1024）；//計(jì)算溫度值并顯示在LCD1602

lcd.print（“C”）；

delay（100）；//模式切換

if（digitalRead（chumo）==HIGH） //讀取觸摸傳感器的

狀態(tài)

{

i=!i；//記錄每一次觸摸傳感器的變化

}

if（i==HIGH） AUTO（ ）；//切換到自動(dòng)模式

if（i==LOW） HAND（ ）；//切換到手動(dòng)模式

}

else

digitalWrite（ledpin,LOW）；

}

4 硬件實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)得到結(jié)果，無論環(huán)境光強(qiáng)處于何種大小情況下，均可由按鈕開關(guān)打開臺(tái)燈總電源，或者可通過聲音傳感器來打開總電源。工作狀態(tài)下，LCD1602 液晶顯示屏顯示當(dāng)前環(huán)境溫度，觸碰觸摸傳感器可改變當(dāng)前臺(tái)燈的工作模式。

4.1 自動(dòng)模式

自動(dòng)模式下，當(dāng)前環(huán)境亮度與系統(tǒng)設(shè)定的定值比較，環(huán)境亮度小于定值時(shí)，臺(tái)燈的亮度隨環(huán)境亮度的增強(qiáng)而減弱。而當(dāng)環(huán)境亮度大于定值時(shí)臺(tái)燈的亮度不再改變，此時(shí)臺(tái)燈亮度為0，環(huán)境光照強(qiáng)度和臺(tái)燈亮度綜合后維持在最適于人眼的狀態(tài)。自動(dòng)模式下調(diào)節(jié)電位器旋鈕不會(huì)改變臺(tái)燈亮度。如圖2 所示，環(huán)境光強(qiáng)由強(qiáng)到弱變化時(shí)，臺(tái)燈亮度逐漸變強(qiáng)。

圖2 環(huán)境光強(qiáng)逐漸減弱的臺(tái)燈亮度增強(qiáng)

4.2 手動(dòng)模式

手動(dòng)模式下，環(huán)境光強(qiáng)不會(huì)對(duì)電位器的調(diào)節(jié)產(chǎn)生影響，可任意旋轉(zhuǎn)電位器旋鈕得到不同亮度。如圖3 所示，調(diào)節(jié)電位器使臺(tái)燈亮度逐增強(qiáng)。

圖3 電位器分壓逐漸增大時(shí)臺(tái)燈亮度增強(qiáng)

4.3 串口顯示結(jié)果

ARDUINO 軟件執(zhí)行代碼，將模擬輸出的LED 模擬電壓值打印到串口，串口數(shù)據(jù)見表1，串口顯示的結(jié)果與自動(dòng)調(diào)光模式實(shí)驗(yàn)（圖2）與手動(dòng)調(diào)光模式（圖3）相符。

表1 串口顯示輸出電壓結(jié)果

5 結(jié)語

該文以ARDUINO 開發(fā)板為核心，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，其能直接對(duì)光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行軟件處理，達(dá)到自適應(yīng)的目的，節(jié)約硬件的使用，簡(jiǎn)單方便。以各種傳感器作為其他功能模塊，實(shí)現(xiàn)聲控開關(guān)、溫度顯示等功能，體現(xiàn)其智能化。根據(jù)個(gè)人需求的不同，增加手動(dòng)調(diào)光功能，通過電位器的分壓以及ARDUINO 開發(fā)板引腳的PWM 輸出，達(dá)到控制LED亮度的效果。

此外，該臺(tái)燈系統(tǒng)還存在不完善的地方，可以擴(kuò)展一些其他功能，比如防止靠近桌面提醒、定時(shí)提醒和手機(jī)聯(lián)網(wǎng)控制等功能，因此，還可以進(jìn)一步提高臺(tái)燈系統(tǒng)的智能化程度。