基于單片機的智能加濕臺燈設計

郭曉

（1.河南理工大學鶴壁工程技術學院，河南鶴壁，458030；2.鶴壁職業技術學院，河南鶴壁，458030）

0 前言

干眼癥是指任何原因造成的淚液質量異常或動力學異常，導致淚膜穩定性下降，并伴有眼部不適、眼組織病變為特征的多種疾病的總稱。手機、電腦等電子設備的廣泛使用及空調的普及是干眼癥形成的主要原因之一，我國干眼患病率約為6.1%～52.4%[2]。LED是由半導體材料制作，屬于冷光源，具有眩光小、輻射低等優點，非常適合晚上看書、看電腦等人群。將LED燈與加濕器結合，不僅可以減少燈光對眼睛的傷害，還可以通過改善環境濕度，降低干眼癥的發生，有效保護人們的眼睛健康。

本文基于單片機AT89C52設計了一款智能化加濕器臺燈，可實現照明、溫濕度顯示、自動加濕及休息提醒等功能，該設計是以AT89C52單片機為控制核心，20個LED燈為照明設備，溫濕度傳感器DHT11為溫濕度監控設備，配以蜂鳴器、按鍵、LCD1602液晶顯示器等組成。設計的基本要求為：除可以提供照明外，還可以顯示環境的溫濕度，根據設置的濕度閾值自動控制加濕器的開關，通過設置休息提醒時間提示休息。

1 設計原理

本次設計的智能加濕臺燈主要由7部分組成，分別是：溫濕度傳感器、單片機主控芯片、液晶顯示器、按鍵控制、休息提醒、加濕器、LED照明燈。工作原理：（1）由溫濕度傳感器采集數據，輸出數字信號給單片機；（2）單片機通過計算在顯示器上顯示環境溫度和濕度；（3）可通過按鍵設置濕度的閾值，當環境濕度低于閾值時，自動打開加濕器，當濕度高于閾值時，自動關閉加濕器；如果不設置濕度閾值，默認的濕度閾值為45%RH。（4）可通過按鍵設置休息提醒時長，當時間到后，蜂鳴器響起并臺燈自動關閉，提醒用戶需要休息；如果不設置休息提醒時長，默認的休息提醒時長為40min。硬件原理圖見圖1。

圖1 智能加濕臺燈硬件原理圖

2 硬件電路設計

本設計采用Proteus8軟件進行仿真，用Keil μVision4進行程序編程。Proteus8可以完成原理圖布圖、代碼調試、單片機與外圍電路仿真及PCB板設計，支持IAR、Keil和MATLAB等多種編譯器[3]。注：LED照明模塊由20個1W的LED燈構成，由于仿真電路的空間有限，因此僅用5個LED燈表示。在加濕模塊中，由于Proteus8軟件沒有加濕模塊，因此僅有綠色的LED指示燈代表加濕器。硬件電路仿真圖見圖2。

圖2 硬件電路仿真圖

■2.1 單片機最小系統

單片機最小系統是指可以正常工作的最小電路，除單片機外，至少還需要晶振電路和復位電路。其中：晶振電路相當于單片機的心臟，為單片機提供源源不斷的信號脈沖。本系統采用振蕩頻率為12MHz的晶振片，電容C1和C2的電容值大小均為30pF，分別與單片機AT89C52的XTAL1與XTAL2引腳相連。復位電路相當于電腦的重啟系統，當單片機程序跑飛時，按下按鍵開關后程序將從頭開始執行。復位電路由按鍵開關、電容和電阻構成，電容值大小為1μF，電阻值大小為10kΩ。復位電路與單片機AT89C52的RST引腳相連，當高電平持續時間大于兩個機器周期時便可實現復位功能。

■2.2 LED照明模塊

LED照明模塊由20個LED燈組成，一排10個，LED燈通過脈沖寬帶調整PWM進行燈光控制[3]。其中：1個LED燈功率為1W，臺燈額定功率為20W。脈沖寬度調制PWM調光原理：在固定的時間周期T內，通過改變燈光點亮與熄滅的時間比值（占空比）實現LED燈光控制。在實際應用中，為避免燈光閃爍引起的眼睛不適，根據人眼對光的殘留效應，周期T要小于20ms，即脈沖頻率大于50Hz。通過按鍵加、按鍵減實現占空比的改變，以達到調節燈光的目的。LED照明模塊見圖3。

圖3 LED照明模塊

■2.3 溫濕度傳感器DHT11

溫濕度傳感器DHT11[4]是由溫濕度傳感模塊和數字采集模塊構成，采用單線串行接口和4針單排引腳封裝。DHT11具有精度高、可靠性高、穩定性強、集成簡易、連接方便等特點。其濕度量程為5%～95%RH，精度為±5%RH，溫度量程為-20℃～+60℃，溫度精度為±2℃。

連接方式：溫濕度傳感器DHT11輸出引腳接單片機AT89C52的P2.0引 腳。其中，需要在輸出端接4.7k的上拉電阻，作用是將不確定的信號置于高電平和限制電流，目的是防止信號干擾和保護I/O引腳。DHT11模塊見圖4。

圖4 溫濕度傳感器模塊

■2.4 LCD液晶顯示器

本設計采用LCD1602液晶顯示器，能夠顯示字母、數字和符號。液晶顯示器與單片機采用直接控制方式，即LCD1602液晶顯示器的8根數據線和3根控制線E、RS和R/W與單片機直接相連。單片機AT89C52的P0引腳漏極開路，如果LCD1602的數據端口內阻較大，可能會發生通訊異常，因此使用外部上拉電阻作為電平轉換芯片。

■2.5 按鍵模塊

按鍵模塊由5個獨立按鍵組成，分別完成臺燈開關、濕度閾值設置、休息提醒時間設置、燈光亮、燈光暗、五個功能，分別接AT89C52單片機的P3.0～P3.4引腳。

■2.6 休息提醒模塊

休息提醒模塊的主要功能是為了提醒用戶休息，防止長時間看屏幕造成眼睛疲勞。休息提醒時長可設置或默認，默認時間為40，時長設定后將會倒計時。當倒計時結束，臺燈發出警報提醒用戶注意休息。該模塊主要由兩部分組成：第一部分為蜂鳴器；第二部分為按鍵，可用來設置休息提醒時長。當超過設置時長時，引腳被置為低電平，蜂鳴器報警，同時臺燈關閉。休息提醒模塊見圖5。

圖5 休息提醒模塊

■2.7 加濕器模塊

加濕器模塊主要由三部分組成：電磁繼電器、指示燈和超聲波加濕器。繼電器相當于加濕器的開關，閉合時，LED指示燈亮，加濕器開始工作。通過一個三極管控制繼電器的通斷：低電平導通，高電平斷開。三極管通過P3.7引腳與AT89C52連接。

3 程序設計

■3.1 加濕器流程

首先，對單片機、液晶顯示屏、溫濕度傳感器初始化；然后，單片機讀取溫濕度傳感器的數據，通過計算將數字電壓信號轉換為溫濕度值，并傳輸給顯示器顯示；再次，如果濕度值低于閾值（設置或默認），將自動打開加濕器，且加濕器指示燈（綠色）亮起。如果低于閾值，加濕器自動關閉。最后，不斷讀取溫濕度值，重復以上操作[5]。

■3.2 休息提醒流程

首先，對單片機、液晶顯示屏、溫濕度傳感器初始化；然后，判斷是否手動設置了休息提醒時長，如果手動設置了休息提醒時長，按照設置地進行倒計時，如果沒有手動設置休息提醒時長，則按照默認的40min進行倒計時。程序設計流程圖見圖6。

圖6 程序設計流程圖

4 軟硬件調試

■4.1 仿真調試

根據硬件電路系統設計，使用Proteus8進行仿真調試，連接好單片機及各個模塊引腳，進行仿真調試。（1）設置濕度閾值為45%RH，顯示器顯示當前濕度為43%RH，加濕器自動開始工作，且指示燈亮起。（2）設置休息提醒時長為2min，倒計時2min后，蜂鳴器響，且LED照明燈關閉。（3）通過多次按鍵加減，LED燈光亮暗調整正常。通過調試各個模塊均能正常工作。

■4.2 硬件調試

按照仿真連接實物，排查連接線是否正確，確定無誤后，對實物進行通電調試。調試步驟為：（1）將編譯后的十六進制程序文件燒錄到單片機內；（2）按臺燈開關鍵，查看LED燈能否正常打開與關閉。然后按調光加或減，查看LED燈能否變亮或變暗；（3）查看顯示器能夠正常顯示溫度與濕度；（4）設置濕度閾值高于和低于當前濕度，查看加濕器能否正常打開和關閉；（5）設置休息提醒時長，查看蜂鳴器是否正常啟動與關閉，臺燈能否自動關閉。均無問題后，硬件調試完成。

5 結語

智能加濕器臺燈的設計思路來自平時的生活和工作，因需要長時間看電腦，經常會出現腰酸背痛及眼睛疲勞等情況，尤其冬季空氣干燥，更容易出現眼睛干澀。通過局部的加濕，不僅可以改善環境濕度，還有利于減少電腦屏幕的紫外線輻射，降低對眼睛的損傷。本次設計的智能加濕臺燈，可通過設置濕度閾值，自動開啟、關閉加濕器，增加局部環境濕度。同時，可通過設置休息提醒，提示用戶休息，緩解腰酸背痛，減少視疲勞，有效降低用戶干眼癥的發生率。隨著人們對智能化要求的不斷提高，未來臺燈將更加智能化，比如人機互動、自動燈光控制、坐姿矯正提醒、視頻通話、手機無線充電等，將是我們后續工作的目標[6]。