基于STC89C51單片機的鄉村家用智能臺燈系統設計*

李 玲，郭泓序，田真子

（鄭州航空工業管理學院，河南 鄭州 450046）

自從19世紀末，電作為一種新能源進入到千家萬戶的生活以來，到如今人們的生活與電息息相關。一個又一個的電器用品也是從那時被發明出來，并且在以后的社會生活和科技發展中，不斷地被充實和完善。21世紀進入了一個科技高速發展的時代，信息技術及網絡的飛速發展，帶來了一次次的科技革命以及技術的革新。隨著新農村建設的逐步深入，人們對生活品質的要求也隨之不斷地提高，開始追求快捷、高效的生活方式，為了適應物質生活的需求，智能家電應運而生，而這些智能家電普遍有一個共同的標志，就是遠程控制。

當下家電的智能化正逐漸應用在人們的生活中，針對家電遠程控制技術及智能家電的使用現狀，安全性及普及性都有待提高，此外價格過高也是亟待解決的問題。目前由于經濟發展等各方面的原因，智能家電在農村的應用和普及還很困難。但是由于學習所需，臺燈又是一件必需品。本次設計的智能臺燈使用STC89C51單片機，借助ADC0809模數轉換、傳感器等裝置，是一臺智能臺燈，它不僅可以根據環境光線自動調節亮度，而且還可以實現坐姿報警、學習時間定時等功能，對于在農村的學生以及工作族來說，具有預防近視的良好效果，而且它的制作成本較低，因此具有良好的實用性和普及性。

1 系統方案設計

本系統主要由STC89C51單片機、ADC0809模數轉換器、數碼管、傳感器、蜂鳴器、LED燈等元件組成。該系統是基于感應人體紅外信號的熱釋電紅外傳感器的設計。它采用ADC0809作為模數轉換和信號處理電路，由STC89C51單片機進行處理，并發出控制指令來實現相關的控制目的。

圖1 智能臺燈系統總體框圖

系統的組成框圖如圖1所示，其中箭頭的指向代表了動作的方向，由框圖可見，系統的主要組成包括如下部分：

（1）傳感器包括：熱釋電紅外傳感器、紅外測距傳感器、光敏電阻；這是系統信號檢測與處理系統的主要組成部分。

（2）以STC89C51單片機和ADC0809模數轉換器組成的系統微處理器模塊，用于處理信號并發出相應的程序控制命令。

（3）LED燈光亮度控制電路部分：根據STC89C51單片機給出的指令來相應地控制燈光亮滅和調整亮度。

（4）蜂鳴器報警部分：用于到達學習設定時間時的報警，以及坐姿矯正的報警。

由于需要感知周圍是否有人在，因此在設計中采用了熱釋電紅外傳感器。因為該傳感器對人體波長約10μm的紅外輻射極其敏感，而其他物體的熱輻射不會引起探頭移動。所述臺燈頂部的光敏電阻能夠感知LED臺燈周圍環境的光強，從而自動調節臺燈的亮度;該系統微控制單元采用STC89C5l單片機，其主要功能是接收來自傳感器的返回信號，并控制經過處理的數碼管顯示、蜂鳴器報警、LED燈等電路;蜂鳴器單元主要是根據單片機單元發出的命令給出報警信號;光的控制由晶體管驅動，通過單片機的I/O口輸出相應的PWM脈沖。達到控制燈具亮度的效果。顯示部分使用4位1體共陽極數碼管，由9012三極管驅動。坐姿校正傳感器使用紅外測距傳感器來測量人體與傳感器系統之間的距離。當距離小于報警距離時，蜂鳴器報警。

2 系統硬件模塊簡介

2.1 STC89C51單片機簡介

STC89C51單片機系統的引腳與接線圖如圖2所示：

圖2 STC89C51單片機引腳與接線圖

STC89C51單片機是本次使用單片機作為系統的主要中心控制單元，對系統起到了極其重要的作用。單片機的主要任務是接收光敏傳感器和人體感應傳感器傳輸進來的數字信息，并對數字信息的大小以及相應的模式進行處理，進而發送控制指令?？刂频膶ο笾饕泄饷鬖ED的開啟和亮度、蜂鳴器報警以及數碼管顯示等多種功能。所以，對于單片機I/O口的應用較為豐富。在單片機的左下方是晶振電路，為單片機提供工作脈沖。這個脈沖也就是單片機的工作速度。在設計中使用的晶振是12MHz，即工作速度為每秒12M。左上部為復位電路，供單片機復位使用。

2.2 ADC0809模數轉換裝置

由于系統需要感應人體的靠近與否，它是一個模擬信號。但是，由于單片機只能處理數字信號，因此，ADC0809模數轉換器就起到了極其重要的作用，通過它與單片機和外設兩端的連接，即可進行模數轉換，該模塊在系統中也起到了橋梁的作用。

圖3 ADC0809模塊接線圖

如圖3所示，即為ADC0809模塊的接線圖，在需要進行A/D轉換時，只需在IN-0至IN-7這8個模擬輸入信號口中選擇一個端口即可，所以在設計階段，作者選用了IN-0接口，接入模擬信號，而將其他口關閉。經模塊的模數轉換后，右側端口輸出AD數字信號，與單片機相連，進行相關的指令動作。

2.3 傳感器和信號檢測與處理部分

傳感器在本次設計中發揮了重要作用。由傳感器組成的信號檢測與處理部分的電路原理如圖4所示。

圖4 傳感器和信號檢測與處理部分組成圖

信號檢測與處理部分主要由人體感應模塊、紅外接近傳感器以及蜂鳴器等元件組成。其核心部件是一個熱釋電紅外傳感器，因其對人體輻射的10μm左右紅外波長極其敏感，所以它可以靈敏地檢測到周圍環境是否有人，進而做出相應的動作。它的探針是兩個電極化完全相反的熱釋電元件，當周圍沒有人時，二者放電效應可相互抵消，因此就不會引發單片機指令帶動蜂鳴器報警；但是當它感受到周圍有人體的熱輻射時，相應電極的熱釋電單元就會吸收人體熱輻射，進而導致兩單元的熱釋電性產生不同，即電勢差改變，它不能偏移，所以會輸出檢測信號，此時單片機會發出命令動作，使蜂鳴器產生報警。

此外，除了需要檢測人體信號外，由于臺燈報警時，是達到一定的距離后才會報警的，因此需要一個測距傳感器。本設計選用的測距傳感器本質上就是一種光電傳感器，即將光強的變化轉變為電信號的變化，進而實現對系統信號的反饋與控制（見圖5）。

圖5 紅外測距模塊電路圖

這個裝置的電子感應器件主要是發射裝置、接收器和檢測電路。發射器發出的光源通常是一種半導體光源，如發光二極管（LED）等。這些光源會不停地發出，也可能改變其脈沖寬度。接收器由光電二極管、光電晶體管和光電池組成。同時接收器前還帶有像透鏡和光圈等光學器件。在接收裝置后面有檢測電路能把有效信號濾出鎖定起來并有效利用。

這個設計使用的多個傳感器，通常會在通電后輸出高電平。但當人體被確認在附近時，就將變成低電平信號傳送出去，然后將低電平信號傳送到單片機中處理。最終實現該燈具的設計目的即進行測距和報警。

2.4 光敏電阻LED燈光控制電路

系統的LED燈光控制電路如圖6所示。

圖6 LED燈光控制電路

圖6是由LED以及光敏電阻等組成的燈光控制電路。系統的所有LDE燈采用并聯連接，之后將并聯后的LED燈組的正極接在三極管Q8的集電極上，燈組的負極是接地的。當單片機的IO端口LED輸出高電平時，晶體管Q7被打開，Q8的基極被拉低。此時Q8打開，并聯LED燈的陽極連接到電源上，燈亮；當單片機的IO口LED輸出低電平時，晶體管Q7被切斷，Q8的基極被上拉電阻R12拉起。此時Q8被切斷，并聯LED的正極未接電源，燈滅。當IO口的頻率變化非?？鞎r，可以通過調節PWM占空比來控制燈的亮度。

本次設計的臺燈最終可實現以下功能：在自動模式下，臺燈能根據周圍環境光線的明暗與是否檢測到周圍有人來判斷是否開啟臺燈。并且能夠根據周圍環境的明暗自動調節亮度。當人體太靠近臺燈時，臺燈會感應到并對此發出警告，提醒人們要調整到正確的坐姿。并且我們可以自己設定時間，當工作學習的時間到了設定的時長后，臺燈發出提醒，提醒設定時間到了，適當休息一下。另外在手動模式下，手動調節亮度?？梢栽O置學習時間，按下設置鍵后可通過加減鍵調節分和秒。

3 系統軟件部分簡介

在Kile5軟件中,編寫相關的控制程序，本系統的主程序如下：

最終，將調試好的程序燒錄到制作好的硬件電路板中，即可實現本設計的相關功能，智能臺燈的設計就成功了。制作出的智能臺燈系統實物如圖7所示。

圖7 基于STC89C51單片機的智能臺燈實物圖

4 結束語

以上就是本設計的全部內容，本系統主要依靠單片機原理以及通信、物聯網控制等技術，結合了多種控制技術的優點選擇了家電遠程控制系統的硬件部分，最終完成了硬件電路的設計制作以及軟件的編程與寫入。

系統利用單片機領域的相關技術，實現了對智能臺燈控制系統的設計，與傳統的臺燈相比，不僅節約了能源，也為人們的日常生活提供了極大的便利。它不僅能夠根據環境光線自動調節亮度，而且人體感應裝置還可以根據坐姿，進行檢測和報警。其中的數碼管和按鍵設置能夠對學習時間進行定時，起到提醒功能。總的來說，這一設計不僅方便實用，而且對于在農村學習的人們來說，也是一個良好的預防近視的設計。相信，在新農村的建設，以及鄉村振興的道路上，諸如此類經濟實用的智能家電，能夠越來越多地走進千家萬戶，方便人們的生活，為新農村建設添磚加瓦。