基于單片機的智能調光臺燈設計

陳新芬，邱小華，金琦淳，岳睿

(1.無錫城市職業技術學院 機電工程學院，江蘇 無錫 214153；2.無錫市宏源彈性器材有限公司，江蘇無錫 214161)

LED 作為一種固態冷光源，是繼白熾燈、熒光燈、高強度放電燈之后的第四代新光源。本文研究基于單片機的智能LED 臺燈設計，具有智能調節照明亮度，感應人員存在，達到人在燈亮，人走燈滅，節能環保的照明目的。

1 設計功能描述

本設計以STC89C52 單片機為主控芯片，利用C 語言編程，通過PWM技術實現智能調光臺燈十級照明亮度功能。智能臺燈可以工作在兩種照明模式：自動照明模式和手動控制模式。

自動照明模式中，利用HC-SR501 人體紅外傳感器感知人員活動信息[1]，同時利用光敏傳感器感知當前環境光照強度，達到人在時，燈開，并控制LED 燈工作在合適的亮度等級。

手動控制模式中，利用功能切換按鍵，以及亮度增、減兩個功能按鍵，實現臺燈普通狀態下手動控制照明亮度功能。

2 硬件設計

2.1 硬件電路圖

本系統由主控單片機芯片STC89C52，電源，按鍵，LED 指示燈，光敏電阻，模/數轉換芯片ADC0832，人體熱釋電紅外傳感器HC-SR501，照明用并聯LED 小燈模塊，以及若干電阻，電容，三極管等部分組成，其中STC89C52 單片機為本設計的控制核心[2]。原理圖如圖1 所示。

圖1 電路原理圖

2.2 單片機最小系統

單片機最小系統由STC89C52 單片機芯片(MCU)、晶振電路、復位電路、電源電路組成[3]。設計中的上電復位電路由電源，電阻R4，電容C1串聯構成。系統上電時，電容C1 和電阻R4 的連接處，由于電容瞬間充電，會產生有效的單片機復位所需高電平，此高電平連接到單片機的9 號引腳RST(Reset)。單片機工作所需的晶振電路則由12MHZ 晶振X1，以及兩個30PF 電容C2，C3構成，晶振電路為最小系統提供基準時鐘信號，單片機內部的工作以此時鐘信號為基準[4]。

2.3 紅外感應電路

設計中，紅外感應模塊采用集成熱釋電紅外線模塊HC-SR501。該模塊是基于紅外線技術的全自動感應模塊，能以非接觸形式檢測人員活動信息，對人體輻射出的波長在10μm 左右的紅外線感應靈敏度高，抗干擾能力強。該集成傳感器體積小并可以實現低電壓工作模式，廣泛應用于各類自動感應電器設備中。

紅外感應模塊的工作電壓為+5V，工作狀態適應溫度在-15℃～+70℃，感應角度在＜100 度錐角范圍內可調，感應距離可以達到7m，反應延時時間短。觸發方式分為不可重復觸發以及重復觸發，輸出高電平有效。

本設計中，利用跳線的辦法，將紅外模塊設置為重復觸發工作方式。當人員出現在感應范圍內時，模塊輸出有效高電平給到單片機P2.2 引腳。在延時時間段內，持續檢測到人員活動信息時，紅外模塊重復觸發方式下，引腳持續輸出高電平信息給到單片機芯片。

2.4 光敏感應電路

設計中光照強度采集電路選用光敏電阻、ADC0832 模/數轉換芯片等元件構成。光敏電阻R1 與10KΩ 固定值電阻R6 串聯分壓VCC，電阻R6 兩端的電壓值直接反應當前環境光照強度:當環境光照較強時,光敏電阻的阻值較小,電阻R6 兩端分壓VCC，分得的電壓值較高；當環境光照較弱時，光敏電阻的阻值較大，電阻R6 兩端的分電壓值較小。環境光照越強，電阻R6 兩端電壓值越高，是直接反應環境光照的一個模擬量電壓值。

上述反應環境光照強度的電壓值是一個連續的模擬量值，單片機無法直接識別和處理，設計中，將此電壓值送入ADC0832 模/ 數轉換芯片實現數字量轉換,轉換后對應的數字量電壓值送入單片機P2.1 口，為智能臺燈的亮度調節做參考。

設計中選用ADC0832 作為A/D 轉換芯片，ADC0832 為8 位分辨率A/D 轉換芯片，其最高分辨可達256 級。ADC0832 處理數據的誤差較小、轉換速度快、穩定性能強，能與多個器件以及處理器連接，操作簡便。

2.5 獨立按鍵電路

設計選用三個獨立按鍵：K1，K2 和K3，分別與單片機的P1.1，P1.2 和P1.3 三個I/O 口連接。K1 為工作模式切換按鍵，按下K1 臺燈實現自動照明模式與手動照明模式之間切換。此設計中，臺燈照明亮度等級劃分為十檔，K2 為亮度增加按鍵，連續按下K2 逐漸增加照明亮度，K3 為亮度降低按鍵，連續按下K3 逐漸降低臺燈照明亮度。K2和K3 按鍵只能在手動照明工作模式下才發揮作用。自動照明模式下，臺燈的照明亮度取決于環境光照及是否有人。

2.6 照明電路

照明模塊采用獨立LED 燈結構，模塊通過USB 接口與單片機控制電路連接。智能臺燈不用時，照明模塊可以獨立取下單獨保存，使用時通過USB 接口連接控制電路。這樣的設計使得照明模塊電路便于檢修和維護。

照明模塊內部包含6 個并聯的白色LED燈，每個LED 燈各自串聯1 個限流電阻。照明模塊電路采用PNP 三極管S8550 驅動，三極管基極串聯一個限流電阻后連接單片機P1.4 接口，三極管發射極接VCC 電源，集電極連接LED 燈后連到電源地。只要單片機P1.4 口輸出一個低電平信號，即可控制三極管導通，繼而點亮LED照明燈。

2.7 指示燈電路

設計中利用一個綠色發光二極管D1 與一個1KΩ 的限流電阻R5 串聯構成指示燈電路。指示燈電路發光二極管的亮滅標志著智能臺燈的工作模式：綠色發光二極管點亮時，臺燈工作于自動照明模式。發光二極管熄滅時，臺燈工作于手動照明模式。指示燈電路連接單片機P1.0 接口。當按動K1 按鍵，P1.0 口輸出低電平時，指示燈電路點亮，智能臺燈進入自動照明模式[5]。

3 軟件設計

接通電源，按下電源開關，系統進入主程序流程：首先定時器及中斷系統初始化，系統上電后，模式指示燈綠色LED 燈點亮，示意系統上電后臺燈默認進入自動照明模式，自動采集當前環境光照強度，對應當前環境光強，選擇對應檔位亮度點亮臺燈。主程序接著循環檢測模式切換按鍵1 是否按下：如果當前工作模式選擇為手動控制模式，則程序調用手動工作模式子程序。如果當前工作模式選擇為自動照明模式，則程序調用自動照明模式程序。在手動照明模式中，K2 和K3設計為亮度調節增減按鍵，通過按鍵K2 和K3 的增減功能，最終確定智能臺燈的當前照明亮度等級。在自動照明模式中，系統自動采集當前環境光照強度，并根據當前環境光照，依照程序設計，控制智能臺燈實現對應等級的照明亮度。環境光線越暗，智能臺燈亮度越大。本設計中，智能臺燈亮度等級設計為十級照明亮度等級。在智能照明模式中，臺燈照亮的同時，自動檢測當前環境是否有人，如果有人員活動，則臺燈持續保持照明。如果人員離開，則智能臺燈延時1 分鐘后自動熄滅，達到節能環保的目的，圖2 為智能臺燈的主程序流程圖。

圖2 主程序流程圖

4 仿真調試

利用Proteus 仿真軟件，繪制本設計硬件電路。利用keil 編程，編譯成目標代碼后，輸入仿真系統單片機芯片中。在仿真系統中，熱釋電人體紅外傳感器，用按鍵K4 開關代替，當按鍵K4 按下時，代表有人。光敏電阻阻值隨環境光照強度變化用滑動變阻器RV1 代替。系統上電后，仿真界面顯示綠色LED 指示燈D1 點亮，標志著程序進入自動照明模式：按鍵K4 此時按下，代表人在，同時滑動變阻器RV1 滑到最右端，代表當前環境為最暗狀態，此時，照明LED 臺燈D2 達到最大亮度。自動照明模式中，環境人在時，模擬環境亮度的滑動變阻器從最右端滑動到最左端，代表當前環境由黑變亮，仿真中可以看到照明LED 燈D2 亮度逐級降低，直至熄滅。自動照明模式下仿真電路如圖3 所示。自動照明模式中，黑夜環境下，人體紅外模擬按鍵彈起，代表人員離開，則系統進入延時倒計時，當延時到1 分鐘時，系統自動熄滅照明LED 燈D2，達到人走燈滅的效果。

圖3 自動照明仿真圖

按下模式切換鍵K1，綠色LED 模式指示燈D1 熄滅，代表系統進入手動照明模式，此時，照明LED 臺燈D2 的亮滅完全受K2 和K3 亮度等級設定按鍵控制，光敏電阻感知環境亮度及人體紅外感應失去控制作用。

5 測試

實物焊接制作檢測完成后，利用在線燒錄軟件STC-ISP 下載軟件將編譯后的.hex 機器文件燒錄到STC89C52 單片機芯片中[6]，插上電源，給系統上電，臺燈執行智能照明模式：綠色LED 指示燈亮起，光敏采集電路開始工作，自動采集環境光線，確定當前照明亮度等級。人體紅外傳感器同時工作，人員離開超過一分鐘，則臺燈自動熄滅，人在，則臺燈持續保持照明狀態。在自動照明模式中，人來則燈開，人走，燈延時一分鐘熄滅。按下K1 模式切換按鍵，綠色LED 模式指示燈熄滅，系統進入手動照明模式，此時臺燈照明亮度取決于K2 和K3 按鍵的調節。人體紅外傳感器以及光敏感應電路不再發揮智能感應作用。自動模式實物圖如圖4 所示。

圖4 自動照明實物圖

6 結語

本文設計并制作完成了一款基于STC89C52 單片機的智能調光臺燈。該智能調光臺燈設備由光敏電阻，ADC0832 模/數轉換芯片，人體紅外線集成感應模塊HC-SR501，獨立按鍵，STC89C52 單片機芯片等元器件構成。設計中，利用單片機內部定時器，采用PWM技術實現照明亮度十個等級劃分。

設計的不足之處在于此照明LED 燈的閃爍頻率僅為100HZ，而理想的閃爍頻率最好在200HZ 以上才能達到保護視力的目的，同時還需要考慮如何有效調低紅綠藍三原色輸出，且盡量調低色溫，才能最大程度保護眼睛和視力，降低頻閃和藍光的傷害。