一種帶矯正坐姿智能臺燈的設計＊

蘭州文理學院傳媒工程學院 孫偉剛 劉悅婷 張發菊 王慶麗 保庭岳 石陶然 張雄

本設計以單片機作為帶矯正坐姿的多功能智能臺燈的控制器，是一款具有節省電能，利于環保，操作簡單，預防脊椎變形和眼睛近視的智能臺燈，是增加紅外測光儀模塊及光電傳感器設計出的一款提醒使用者及時矯正、及時更正坐姿的智能臺燈。

隨著社會的進步，一些高科技產品的開發以新的面貌呈現出了新趨勢和前景，并且智能化技術也愈發的成熟，在生活中，以單片機作為中央控制單元的電子產品得到了快速發展。例如，我們生活中的智能家具、智能門窗、智能清潔器、智能電飯煲、智能電磁爐等都是通過單片機的控制來完成的。方便、安全、可靠性成為了他們新的代名詞。并且單片機技術的增強使得生活中家用電器的愈發智能化。目前看來，按鍵式臺燈雖是臺燈市場的主體，但為了順應時代的發展以及市場的需求，我們要摒棄傳統的按鍵臺燈，極力打造一個防止雙眼近視、脊椎變形、節約能源以及可以改善用戶坐姿的新的智能臺燈。

1 總體概述

以單片機作為帶矯正坐姿控制器智能臺燈設計主體，由單片微式電腦按鍵模塊、燈光檢測模塊、人體傳感器模塊、紅外線測距模塊、模數轉換模塊、數碼管顯示模塊和蜂鳴器模塊等構成，首先采用紅外測距儀進行對設定坐姿距離的測量，由待測距離超過或低于所設定的范圍，所測信號經一個電容及二次放大器之后交由整濟濾波電路，再將前期這部分電路產生的模擬信號轉換為數字信號，傳輸給單片機STC89C51，然后單片機中央處理器經過信號處理，依次控制各個端口進行工作。單片機的PO 口控制LCD1602 液晶模塊去顯示當前坐姿偏離距離值之前所設聲的上下限，并且在此基礎上設有按鍵模塊，按鍵模塊在有4 個按鍵，即上下限分別加減按鍵，可以很方便的調節需要設定的距離范圍，當超過一定的范圍進而觸發報警模塊，報警模塊不但發出蜂鳴聲，進而牽動開關模塊，還有繼電器啟動從而讓指示燈亮起的設計。在比以往的設計過程中，此系統增加了光電藕感應模塊，其作用是當人體忘記關燈時，光電藕感應模塊會判斷身邊是否有人來自動開啟或關閉臺燈，這不僅方便臺燈的開關，而且節省用電。設計總體圖如圖1 所示。

圖1 設計總體圖Fig.1 Overall design drawing

2 硬件電路設計

2.1 紅外線測光儀

在本設計中所采用的是紅外線傳感器如圖2 所示，它是由一個精密極高的實時測距工具，又稱以紅外線為主要照明來源的相對式光電測距器件。主要由經調節的光傳送單元、接收器單元、光計數單元、指示單元和邏輯控制單元等部分所構成。利用了紅外線在光傳遞時并不傳輸的基本原理。只需要出光脈沖電路信號，與待測距離之間往返傳送所要求的時間，就能夠計算出目標距離。最后再通過模數轉換器ADC0809 獲取所要求的距離信息。然后再傳輸至中央控制臺STC89C51，由單片或微式電腦根據軟件編程的判斷結果決定臺燈整體上需要采取何種模式，來提醒用戶坐姿。

圖2 紅外傳感器Fig.2 Infrared sensor

2.2 光電耦傳感器

光線亮度感應器如圖3 所示，通過測量周圍環境的光強度，因此具有較強的檢測特性，其主要是由投光器和受光器二組件所構成，通過透鏡把從投光器傳來的光源加以聚焦，進而傳遞至電感器，并且通過將所接收的光信息轉化為電信號，從而可以更進一步的觸發控制器的開關，這樣將極大的增強臺燈的操控功能，同時也通過調節溫度使得人有更佳的視覺感受。最主要的原因是，通過這一功能可以使智能化臺燈“明白”用戶何時有需求，從而更好的節約電能，并且令用戶擺脫離桌需要記得關燈這種焦慮。

圖 3 光線亮度感應器Fig.3 Light light brightness sensor

在此設計的人體傳感器模塊的最主要原理器件：光電傳感器。而所謂光電傳感器就是通過所接受的光線強度的差異，形成不同的電信號從而來起到區別外界情況的功能。光電傳感器的一般構成元件主要有：發送器、接收機以及測量電路。其中發送機是光電公司傳感器向外部提供的觸手，負責探知外部。接收機則是接受外部狀況對光強度的影響，然后其將這些“影響”輸入測量電路。將其測量得到對外部狀況的相對精確的評估。一般按照其工作方式我們將其劃分為：漫反射光型、反射板型，設計中我們采用漫反射型光電傳感器來采集人是否處于臺燈書桌前來判斷其是否需要打開或者關閉臺燈。

2.3 ADC0808 與單片機的接口電路

由單片或微型算法控制的ADC0808 單片機，是采樣分辨率為八位數的、以逐次逼近方式實現A/D 變換的主要元件。它還內置有一個八通道多路開關，能夠通過地址碼鎖存譯碼后的信息，只選通八路模擬輸入輸出信道中的一條實現A/D 變換。完成A/D 轉換的大致過程，是首先由將加在IN 零輸入輸出口上的編碼信息來進行的一路模擬信息進入芯片，同時將單片機上產生的高電平信息加到ADC0808 芯片上的START 引腳端，以驅動其定時地進行模數轉換。當ADC0808 芯片上的轉換成功時，芯片的EOC 端口的信息就會通知單片微型計算機控制器,來讀取檢測出的數據量。隨后單片機通過OUT0-8 并行輸出端口將數字量讀到P1 口來進行程序處理判斷。接口如圖4 所示。

圖4 接口電路Fig.4 Interface circuit

圖 5 主程序流程圖Fig.5 Main process flowchart

3 軟件設計

在繪制總電路圖時需要經過以下幾個步驟：（1）打開電腦桌面的Keil4 軟件，新建工程時我們STC89C51作為單片機作為CPU，新建一個源文件，編寫設計好的程序，然后編譯該程序，在正下方的輸出區域顯示編譯運行結果，然后選擇要保存的路徑，進一步編寫程序。（2）打開桌面上的Proteus 軟件新建一個設計，按照自己的思路去做電路圖進行仿真，在Proteus 中找到自己所需要的電路元器件，以相對的方式進行連接，以就近原則進行就近元器件的連接，選擇自己所熟悉的標號進行連接，以方便后期錯誤的檢查，當最后按照設計好的草稿電路原理圖，檢查接線是否正確，在此處一定要仔細認真檢查，然后按下電路圖左下角的仿真按鈕，開始仿真，觀察電路是否可以正常運行。若正常，進行下一步即可，將所有的設計及程序進行保存，若出現錯誤，進行一步一步的排查，直到解決所有錯誤為止。

本設計還可以利用紅外檢測模塊測距和光電藕傳感器來糾正人的姿勢，當監測到的人的姿勢不在其規定范圍值內時，蜂鳴器伴隨著LED 閃光進行告警，以說明姿勢有誤，致使觸發了臺燈的開關，臺燈熄滅。在監測人處于正常的狀況下，臺燈可以正常使用。使用者也可通過按鈕設定所需工作與學習時間的上限、下限值。而系統也能夠按照所需的工作時限來調節臺燈的開關，還能夠實現自動模式和手動模式相轉換。流程圖如圖5 所示。

4 結語

該研究主要以STC89C51 單片機為主要的核心技術去設計一種新型臺燈，其主要功能由紅外線測距模塊、A/D 變換單元、電子報警功能等構成。紅外測距模塊測得的數據，通過A/D 轉換器轉換后再傳送給單片機處理，當測試結果超過規定值，蜂鳴器伴隨著警示燈的亮起也會產生報警，因此設計時我們先進行了硬件電路圖的設計，然后再將硬件電路圖電路寫成C 語言編程，接著用Keil 編譯器，就得到了我們所要求的HEX 文件，最后用Proteus 或者Keil 軟件進行了系統的模擬和聯調。最后的仿真結果，也滿足了設計需求。

引用

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