基于單片機的調光臺燈控制系統的設計

安曉莉

摘要：隨著家用電器的廣泛使用，人們的生活質量得到了普遍的提高。現在，人們越來越追求方便、舒適的生活。單片機作為一種性價比較高的微型計算機，可以實現家用電器、工業控制產品的智能化、自動化控制。作為一種小型的家用電器，臺燈也逐漸地走向智能化。雖然目前按鍵式臺燈仍然在市場上占有很大的份額，但是，可以預見，它將會逐漸被智能臺燈取代。

為了節約電能，保護視力，防止脊椎變形，該文采用單片機和熱釋電紅外傳感器設計出一種調光臺燈控制系統。使用該系統可以實現對臺燈的智能化控制：在黑夜，可以實現臺燈的自動打開，給用戶帶來方便;當人離桌子的距離過近時，蜂鳴器發聲，提醒用戶調整坐姿，防止近視。

測試證明，該系統設計方案合理，性價比高，工作穩定，具有一定的使用價值。

關鍵詞：單片機;調光臺燈;PWM

中圖分類號：TP301? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）30-0134-04

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

隨著社會的發展，人們越來越注重節能和環保。照明作為人們生活不可或缺的組成部分，每年消耗的電能占總用電量的12%，且以3.44%的年增長率持續攀升。我國的年用電量大約是5185.9萬兆瓦，其中，70%來自火力發電廠。據統計，火力發電廠每少發一度電，就會減少1千克的CO2的排放量。眾所周知，CO2是造成大氣溫室效應的罪魁禍首。所以，減少照明用電量可以起到保護環境的作用。

現在，市面上的臺燈大多是手動調光。用手轉動旋鈕，就可以調節燈光的亮度。這種臺燈能夠節約電能，但不能預防近視。目前，我國大約有四億人近視，其中，大部分是中、小學生。近視嚴重危害著青少年的健康。中、小學學生患近視的原因是他們在學習或做作業的時坐姿不正確，人離臺燈的距離過近，長時間的視疲勞引起的[1]。

隨著科學技術的發展，自動控制技術被廣泛同應用到電子產品中，使電子產品蘊含的科技含量增加，智能化程度提高。智能家用電器的共同特點是在其中嵌入了單片機[2]。智能家用電器和普通家用電器相比功能更多，使用更方便、安全、省電。作為一種小家電，臺燈也逐漸走向智能化。為了預防近視，本文使用單片機設計了一種臺燈控制系統。使用本控制系統可以使臺燈燈光隨人離燈的遠近自動進行調節，同時，還可以起到調整人的坐姿的作用。

1 系統設計

采用熱釋電傳感器RE200B感應人體發出的紅外線，BISS0001芯片對其輸出信號進行處理;光敏電阻采集環境光的強度， ADC0832將光強轉換成數字量;紅外測距傳感器檢測使用者離桌子的距離。這些信號被送入AT89S51單片機進行分析、處理，單片機發控制命令給燈光控制電路，實現臺燈亮度隨環境光的強度而改變。當人離桌面的距離太近時，由三極管與蜂鳴器構成的提醒電路給使用者發調整坐姿的提醒信號。另外，臺燈燈亮的時間可以通過數碼管倒計時顯示出來，當時間到時，燈自動關閉。

本設計的系統框圖如圖1所示。

2 硬件設計

本系統的控制核心是AT89S51單片機。當環境光線比較強時，光敏電阻的阻值很小，環境光檢測電路輸出的是低電平，此時，禁止熱釋電傳感器工作;當環境光線比較弱時，光敏電阻的阻值很大，環境光檢測電路輸出的是高電平，熱釋電傳感器工作[3]。此時，當有人進入它的感應范圍時，AT89S51單片機讀取ADC0832的輸出信號（該信號與環境光線的強弱有關），并根據環境光線的強弱調節臺燈的亮度。當環境光線比較弱并且此時人離桌子的距離太近時（即坐姿不正確），紅外測距傳感器探測到人體活動信號，該信號被AT89S51處理后，啟動蜂鳴器，發出報警聲音，提示人離桌子遠一點。當人調整了坐姿，即人離桌子不是太近，但仍然位于熱釋電傳感器的感應范圍內時，蜂鳴器停止發提示音。

2.1 傳感器及信號處理電路設計

1）熱釋電人體檢測與處理電路

熱釋電人體檢測與處理電路如圖2所示。

熱釋電人體檢測與處理電路由熱釋電傳感器、BISS0001處理芯片組成。熱釋電傳感器僅對人體發出的紅外線敏感，因此，除人體外，其他物體不會引起紅外探頭的動作。

當人走進感應區時，熱釋電元件接收到人體發出的紅外線，在紅外探測器的輸出端輸出信號。

2）光檢測電路

光檢測電路如圖3所示。

當環境光比較弱時，光敏電阻阻值大，在模數轉換器ADC0832的通道0上的高電平經AD轉換后變成數字量，啟動熱釋電傳感器工作。當環境光較強時，光敏電阻阻值小，在ADC0832的通道0上的低電平經AD轉換后，禁止熱釋電傳感器工作。

在該單元電路中，電阻R4的作用是調節光敏電阻檢測靈敏度。若天還亮，燈仍然開著，可以把R4換大一點以降低光檢測靈敏度;若已經到了晚上，燈還未亮，可以把R4換小一點以提高光檢測靈敏度。通過多次調節，可以將臺燈調到最理想的狀態。

3）紅外接近開關

紅外測距傳感器按圖4接線，就構成紅外接近開關。當人離桌子太近時，紅外接近開關閉合，P3.4上是低電平，驅動蜂鳴器發聲，提醒人離桌面遠點;當人調整完坐姿，此時，人離桌面不是很近，紅外接近開關斷開，蜂鳴器被關閉。

2.2 按鍵電路設計

模式切換鍵K1：實現自動和手動模式之間的切換;

設置鍵K2：用于設置變量，0-正常，1-調分，2-調秒;

加鍵K3：按下一次，變量增加1;

減鍵K5：按下一次，變量減小1;

按鍵電路圖如圖5所示。

2.3 燈光控制電路設計

燈光控制電路圖如圖6所示。

LED燈L1～L12構成了臺燈的照明元件。三極管Q2、Q1驅動LED燈。當P3.5上為低電平，Q2、Q1導通，燈亮;當P3.5引腳上為高電平，Q2、Q1截止，燈滅[4]。

2.4 數碼管顯示電路設計

數碼管顯示電路圖如圖7所示。

本文用共陽極數碼管上動態顯示定時時間。在字段口上送字段碼，一個時刻只讓一個數碼管位選通有效（I/O口線為低電平），其余位選通無效（I/O口線為高電平），點亮一位數碼管，先最左端的數碼管，后最右端的數碼管，采用輪流導通，周而復始的方式，實現穩定顯示。

2.5 報警電路設計

P3.7上為高電平，三極管Q3截止，蜂鳴器不響;P3.7上為低電平，三極管Q3導通，蜂鳴器響。

報警電路圖如圖8所示。

3 軟件設計

3.1 主函數流程圖

開機后，先進行系統初始化，開中斷并啟動定時/計數器的工作。系統默認為手動模式，延時500ms，點亮手動模式指示燈，然后進入循環：調用按鍵函數掃描按鍵、調用顯示函數完成顯示。

主函數流程圖如圖9所示。

3.2 按鍵掃描函數

開機后，默認為手動模式，置flag_set鍵標志為0、人體接近傳感器標志位flag_jiejin為1。在模式切換鍵及設置鍵都沒有被按下時，每按下一次加鍵，燈光比例scale變量增加1，加到41時，燈亮度為100%;每按下一次減鍵，燈光比例scale變量減少1，減到1，燈亮度到0%。

如果按下模式切換鍵，系統進入自動模式，由于flag_jiejin是1，當人離桌面過近時，蜂鳴器發提示音，提醒臺燈使用者調整坐姿，并將flag_jiejin置0。若人在規定的時間內離開了桌面（即調整了坐姿），蜂鳴器停止發聲、flag_jiejin被置1。

在自動模式下，若設置鍵被按下，蜂鳴器開始發聲、設置鍵標志位被加1，加到3，清0。即flag_set可以取0～2，其中0是正常模式;flag_set=1時，加鍵、減鍵用來調定時時間分鐘，在鍵按下時，蜂鳴器響、左面的兩位數碼管閃爍。flag_set=2時，加鍵、減鍵用來調定時時間秒，在鍵按下時，蜂鳴器響、右面的兩位數碼管閃爍。退出設置狀態后，如果紅外熱釋電傳感器檢測到有人，就將50個環境光強度信號取平均值。根據該平均值的大小給燈亮度比例變量scale賦值。如果紅外熱釋電傳感器沒檢測到人時，scale賦為最小值1。

3.3 顯示函數流程圖

顯示函數完成將定時時間動態顯示在數碼管上。流程圖如圖10所示。

首先，計算標志變量flag的值，然后，判斷flag是否等于1，如果等于1，則判斷閃爍標志位ss是否為0，如果是0，則左邊兩位數碼管閃爍顯示，如果ss不是0，則左邊兩位數碼管顯示分鐘;若flag不等于1，如果等于1，則判斷閃爍標志位ss是否為0，如果是0，則右邊兩位數碼管閃爍顯示，如果ss不是0，則右邊兩位數碼管顯示秒;如果flag不等于1，且不等于2，則結束。

3.4 T0中斷服務函數流程圖

T0中斷函數流程圖如圖11所示。

定時/計數器T0每25微秒中斷一次。發生中斷后，給T0重賦25微秒的定時初值，然后，變量n自加1。如果n的值小于燈光比例變量scale，則P3.5被置零，臺燈被點亮;如果n的值大于燈光比例變量scale，則P3.5被置1，臺燈被熄滅;n的值如果是40，即1毫秒時間到，則將n置0[5]。

4 結束語

本課題研究的內容緊密聯人們的實際生活。目前，每個家庭都在使用臺燈。生活中經常發生燈沒有被及時關掉而導致電的浪費的現象。全世界有無數盞燈，它們浪費的能源就非常大。還有，臺燈作為一個生活必備用品，應能夠給人們帶來更方便的生活。為了節約用電并滿足人們的需要，本文較深入地研究了智能調光臺燈控制系統。

本智能臺燈控制系統的優點是使用方便且省電。根據門和桌子的距離來調節紅外熱釋電傳感器的檢測范圍。這可以實現：在黑夜，當人在門口一出現，燈就被點亮;人一離開，燈就被關掉;另外，人們在學習時，有時會坐姿不正確，比如人離桌面距離過近。這時，臺燈燈光會變暗，提醒人離開桌子。當人及時調整了坐姿，燈光自動變亮，起到預防近視的作用。如果臺燈的使用者在規定的時間內沒離開桌子（即未調整坐姿），燈會自動熄滅，起到節約用電的效果。

本系統的難點是人體紅外信號的采集與處理模塊的設計。本設計使用熱釋電紅外傳感器檢測人體信號。當有人走進它的感應區域時，該傳感器會輸出幾mV的信號。為了減少外界信號的干擾，本文使用BISS0001紅外熱釋電信號處理芯片對它二次放大、濾波，并將它轉換成數字信號以供單片機分析、處理。

雖然本系統可以實現其基本功能，但是它還有不足之處。在臺燈打開時，燈光會干擾光敏電阻的工作，引起誤判斷。為了防止這種現象的發生，應將光敏電阻與燈光控制電路相互隔離、分開放置。

今后，本系統可以拓展的功能有：添加鬧鐘、語音提醒等。

參考文獻：

[1] 滕宇航.基于單片機的智能臺燈控制系統[J].信息通信，2019，32（11）：119-121.

[2] 過夢旦.基于單片機的LED燈調光系統的研究[J].電子元器件與信息技術，2019，3（4）：104-107.

[3] 胡向東.傳感器與檢測技術[M].北京：機械工業出版社，2018.

[4] 李天然.基于51單片機的PWM調光燈設計與實現[J].信息通信，2019，32（3）：129-131.

[5] 馬忠梅，籍順心，張凱.單片機的C語言應用程序設計[M].4版.北京：北京航空航天大學出版社，2007.

【通聯編輯：謝媛媛】