智能桌面照明系統設計

陸黎容 覃夢怡 韋彩玉 陳幸 曹銳 嚴小黑

摘 要： 本照明系統設計可通過超聲波測距，感應人體與LED燈的位置距離，當人體靠近至設定數值時，系統會發出警告以提醒人們的坐姿。采用的數碼管模塊，可設置相應的學習時長，用來提醒人們休息。采用的光檢測模塊，可不斷接收周圍光照強度，以能夠自動改變LED燈的亮度，使人們能在適合光照亮度下進行學習或工作，達到保護眼睛視力的功能。

關鍵詞： 智能照明; 超聲波測距; 光檢測; 數碼管

文章編號： 2095-2163（2021）03-0200-03 中圖分類號：U459.2 文獻標志碼：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習中一個不可或缺的部分。普通的照明系統雖也能滿足日常的照明需求，但人們在工作學習中，由于不能正確地形成一個良好的坐姿而距離燈光太近，或是在一個光源較暗或是光源太亮的環境下使用雙眼，以致于用眼疲勞，導致近視[1]。而嚴重的近視還會遺傳給下一代?；诖?，為了降低近視率，研究一款利于人們科學用眼學習的桌面照明系統是非常有必要的。

1 系統總體設計

系統的整體結構包括單片機控制系統、四位數數碼管模塊、超聲波檢測模塊、LED燈模塊、光檢測模塊和系統按鍵模塊。在智能照明系統中，超聲波傳感器測距模塊可以實現距離的測量，經STC89C52單片機控制系統來處理數據，當超聲波傳感器感應到人體小于設定的數值長度時將會發出警告，防止使用者距離桌面過近。光檢測模塊用于檢測光強度的大小，從而改變照明系統的光照亮度。系統總體設計如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 超聲波測距模塊設計

超聲波傳感器測距模塊可以實現智能照明系統中距離測量的功能。本設計的超聲波測距模塊選擇的是HC-SR04型號的超聲波傳感器進行距離測量，此型號的傳感器具有測距精確度高，差距小的功能，可以滿足產品功能的需求。模塊連接設計如圖2所示。圖2中，超聲波模塊的VCC引腳與電源相連，單片機2個I/O口中的一個接入引腳Trig，另一個接入Echo引腳，接地的引腳為GND。超聲波測距工作原理如圖3所示，Trig作為控制端，啟動測試距離的功能，如果輸入一個10 us左右的高電平信號，超聲波傳感器內部將其轉換成8個40 KHz的方波自動發送后等待是否會有信號返回。若有信號回來后會被接收端Echo收到，即會發出一個高電平。而高電平開始被接收端Echo發出時，就會打開定時器并開始計算時間。接收端Echo發送的高電平轉化為低電平時，就可以將定時器中的數值記錄下來。超聲波傳感器測距的時間就是這樣得來的。把記錄的時間代入公式：測試距離=（高電平時間*聲速）/2，聲速=340 m/s，即可算出測試的距離[2]。

2.2 LED燈模塊

LED燈模塊里的3×4個LED燈小燈珠使用的是串聯和并聯的方式連接起來的[3]，從而使燈珠的功能更穩定，并大大降低了產品的成本。LED燈燈珠串、并聯連接后，再與三極管Q10進行連接，如圖4所示。三極管就像開關，當基級處在低電平時，LED燈即會處于低電阻的狀態。與Q10三極管基級相連的是R26電阻，R26電阻是用于防止經過此路的電流過大而損壞三極管的使用。電阻R26和R25串聯接入Q11的發射級。因此，Q10的導通需要Q11基級處在高電平狀態，當Q11基級處于低電平時會截止Q10，這樣從單片機傳輸來的信號就能夠控制LED燈了。

2.3 光檢測模塊設計

光檢測模塊選用型號為5528的光敏電阻和ADC0832模數轉換芯片作為光檢測模塊的元件。光檢測模塊要實現的是根據周圍的光照強度自動調節LED燈光的亮度。光敏電阻的電阻值能夠隨著環境光照亮度的改變而變化，阻值變小時，燈光變暗，阻值變高時，燈光變亮，從而達到照明系統的燈光變暗或者變亮的目的[4]。單片機是數字器件，燈光的亮度受其控制，光敏電阻產生的是模擬數據，單片機的程序識別不出來，這時光敏電阻的模擬數據就會被ADC0832模數轉換芯片進行采集，再轉換成數字數據才能使單片機識別到。

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

3 系統軟件設計

3.1 系統主程序設計

在單片機中，主程序也稱main函數，為程序開始執行的地方，是程序運行的基礎，可以有序地執行和調用其他程序，對程序的運行制定規則，防止程序運行混亂。主程序的執行流程如圖6所示。程序運行中，main函數先要進行初始化設置，智能桌面照明系統設計主要實現光照檢測、定時警報和超聲波測距三個功能，因此，在程序初始化后是可以對其進行同時檢測的。其中，光照檢測是先檢測外界的光照強度，當檢測到外界光照過亮或過暗時，系統會調節燈光亮度。定時報警和超聲波測距都是檢測是否到達設置的值。當到達時，系統觸發警報;沒有到達時，系統繼續檢測。

3.2 超聲波檢測程序

該模塊實現的是當人體距離桌面的距離超過設定的距離時，系統會發出警告，以提醒人們調整坐姿。單片機發出測試信息，輸入一個高電平，自動發送并等待是否有信息返回。如果系統發送一個高電平時，則表明這個信號回來了。定時器也可以啟動并開始計算時間。當單片機不再輸出高電平并開始輸出低電平時就可以記錄定時器的數值，再通過公式計算出距離。根據距離的結果值來判斷人體是否達到已設定的距離。超聲波程序執行流程如圖7所示。

4 結束語

本設計主要實現以下三個功能：能根據周圍光照強度自動調節燈光亮度;能夠自動檢測人體距離桌面的距離是否達到所設定的值，避免因坐姿不對導致近視;可以設定時間，當達到設定的值時發出警報。本設計可以在一定程度上預防人們近視或近視度數的加深，具有一定的實際意義。

參考文獻

[1] ??夏麗. 智能LED照明系統設計[D]. 西安：西安電子科技大學，2014.

[2] 李從宏，嚴影. 一種新的智能LED臺燈設計[J]. 信息技術，2013，37（3）：133-135.

[3] 羅文正. LED照明智能控制系統的設計與實現[D]. 成都：電子科技大學，2014.

[4] 董云峰. 太陽能路燈控制器設計[J]. 科技創新與生產力，2018（3）：53-55.