基于單片機(jī)的多功能臺燈的設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-2"\h\u12581基于單片機(jī)的多功能臺燈的設(shè)計(jì) 110444摘要 37073引言 3126001.研究的背景及發(fā)展歷程 3296591.1研究的背景 3308881.2臺燈的發(fā)展歷程 4162102.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 5313782.1系統(tǒng)概述和框圖 5122352.2調(diào)光方式 6238483.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 6102783.1單片機(jī)控制模塊和最小系統(tǒng) 6244113.2光照強(qiáng)度檢測模塊 7319663.3模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 8306853.4紅外人體感應(yīng)模塊 8300723.5照明模塊 9136533.6按鍵輸入模塊 10323583.7姿勢矯正模塊 10125823.8蜂鳴器報(bào)警模塊 11141384.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 1112662 1299975.硬件組合與調(diào)試 13154445.1元件的焊接與組裝 13290675.2系統(tǒng)的調(diào)試 13115696.總結(jié) 14摘要：我們的日常工作和學(xué)習(xí)過程中都會用到臺燈，它是我們生活中一個(gè)不可缺少的物件。然而，普通臺燈使用的光源大多是白熾燈，而且燈光亮度是不能隨意調(diào)節(jié)的。人在長時(shí)間使用這種臺燈的情況下，不僅浪費(fèi)電力，而且有損眼睛視力。因此本文提出一種多功能臺燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)是以STC89C52單片機(jī)為主控芯片，配合光照強(qiáng)度檢測模塊、紅外感應(yīng)模塊、照明模塊等來實(shí)現(xiàn)我們需要的功能。同時(shí)，當(dāng)感應(yīng)到人體距離桌面過近時(shí)，臺燈會發(fā)出警報(bào)聲，提醒人們注意坐姿。該設(shè)計(jì)一方面可以實(shí)現(xiàn)節(jié)約電能的目的，另一方面也可以糾正坐姿以預(yù)防近視。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；多功能臺燈；光敏電阻；人體紅外感應(yīng)KeyWords:Singlechip;Multifunctionaltablelamp;Lightdependentresistors;Humanbodyinfraredsensor引言人類歷史一直是一個(gè)不斷發(fā)展的過程?；仡櫄v史，唐朝開元盛世，萬國來賀，但是到了清朝卻閉關(guān)鎖國，而此時(shí)的西方國家卻已經(jīng)通過工業(yè)革命，步入了電氣時(shí)代。因?yàn)榭萍忌系穆浜螅袊鴱囊粋€(gè)泱泱大國變成了其他國家可欺凌的對象，也因此不得已的進(jìn)行了長達(dá)幾十年的斗爭。鑒此教訓(xùn)，我們也真正的認(rèn)識到科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力這一真理。而隨著我國科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展和提高，各種智能產(chǎn)品層出不窮，人民的美好生活也得到了保障。但現(xiàn)今，大量浪費(fèi)能源卻成為人們生活的一個(gè)熱點(diǎn)問題，通過什么方法來合理配置資源是一個(gè)關(guān)鍵問題。為了有效改善能源浪費(fèi)這個(gè)問題，我們應(yīng)以身作則，從生活中的細(xì)微之處入手，來節(jié)約能源。生活中的普通臺燈使用的光源大多是白熾燈，而且燈光亮度是不能隨意調(diào)節(jié)的。這種臺燈不僅浪費(fèi)電力，而且有損視力。所以，開發(fā)多功能臺燈也順應(yīng)了時(shí)代的需求。1.研究的背景及發(fā)展歷程1.1研究的背景電能在人類社會進(jìn)步與歷史發(fā)展過程中起著重要推動作用，它極大地改善了人們的居住環(huán)境和生活條件，提高了社會生產(chǎn)的效率。但是，隨著信息科技的飛速發(fā)展，我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也需要越來越多的能源供應(yīng)，電力供應(yīng)短缺的問題也日益凸出。究其原因，除了電力能源建設(shè)短缺外，電力能源利用率低和電力能源的浪費(fèi)也是造成我國電力短缺的一個(gè)重要原因。由于電力能源利用率低，我國每年大約有2000億千瓦時(shí)的巨大電力浪費(fèi)。面對嚴(yán)重的能源浪費(fèi)現(xiàn)象，我們應(yīng)該響應(yīng)從生活的各個(gè)方面節(jié)約電能的號召。另一方面，近年來，青少年近視眼患者發(fā)病率逐年增加，根據(jù)國家衛(wèi)生委員會發(fā)布的相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來看，2018年我青少年近視人數(shù)超過青少年總?cè)藬?shù)的一半，我國兒童和青少年整體近視率為53.6%，而且到2021年這幾年間近視率還在不斷攀升。并且近視患者的年齡也呈越來越年輕化的趨勢，近視防控的任務(wù)迫在眉睫。在人們的認(rèn)知中，近視可能只是“看不清遠(yuǎn)處”。但是實(shí)際上，近視還存在著許多潛在的危害，這將會給我們的生活帶來更加嚴(yán)重的影響。甚至高度近視還極有可能會導(dǎo)致失明，嚴(yán)重威脅人們的正常生活和視覺健康。目前，近視眼仍是世界性醫(yī)學(xué)難題，尚無安全有效又無風(fēng)險(xiǎn)的治療手段。因此我們更應(yīng)該重視預(yù)防近視這一方面，養(yǎng)成一個(gè)好習(xí)慣。比如，在學(xué)習(xí)時(shí)，應(yīng)選擇適合自己的臺燈，不要在太亮和太暗的光線下學(xué)習(xí)，注意自己的坐姿，并與桌子保持一定的距離，這樣才能夠有效的預(yù)防近視，使我們青少年能有一個(gè)良好的視覺。1.2臺燈的發(fā)展歷程臺燈其實(shí)是以古代的燭臺為原型設(shè)計(jì)的，它的發(fā)展可以分為三代，第一代就是用的普通的白熾燈為光源，添加開關(guān)來控制臺燈的亮滅，但是這種白熾燈的壽命比較短、來回開關(guān)次數(shù)多了以后燈光就會變暗。而且由于需要手動開關(guān)燈，但是往往會有很多人出門時(shí)忘記關(guān)燈而造成浪費(fèi)。第二代臺燈則是用電子整流器代替了原來的普通整流器，而且在開關(guān)部分使用了光控開關(guān)，不僅達(dá)到了護(hù)眼的目的而且實(shí)現(xiàn)了白天關(guān)閉和晚上開啟的功能。第三代臺燈則是LED臺燈，使用LED作為光源使得臺燈的能耗變低、光效比較好、使用壽命更加長久，而且在原來的基礎(chǔ)上表現(xiàn)的更加智能，即能通過感應(yīng)臺燈附近是否有人來實(shí)現(xiàn)自動開關(guān)燈，這也使得臺燈更加省電和環(huán)保。但是市場上的智能臺燈普遍較貴，這也使得智能臺燈的發(fā)展受到了一些限制[1]。本設(shè)計(jì)是一款多功能智能臺燈，該臺燈能夠通過感應(yīng)周圍是否有人以及周圍環(huán)境中光照強(qiáng)度的變化來實(shí)現(xiàn)自動開關(guān)燈和調(diào)節(jié)亮度，而且能夠在人體距離桌面過近時(shí)發(fā)出警報(bào)聲，來提醒人注意矯正坐姿。同時(shí)，該臺燈也能夠手動控制開關(guān)燈。在完整的設(shè)計(jì)完成，制作出來后該系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠達(dá)到節(jié)約電力、糾正坐姿和預(yù)防眼睛近視的良好效果。2.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案2.1系統(tǒng)概述和框圖照明設(shè)備STC89C52單片機(jī)按鍵模塊照明設(shè)備STC89C52單片機(jī)按鍵模塊報(bào)警模塊光照強(qiáng)度檢測模塊報(bào)警模塊光照強(qiáng)度檢測模塊模式指示燈模式指示燈電源模塊電源模塊障礙測量人體感應(yīng)模塊障礙測量人體感應(yīng)模塊圖1系統(tǒng)框圖該臺燈控制系統(tǒng)以STC89C52為核心，配合其他控制模塊來完成我所預(yù)計(jì)的功能[2]。具體模塊如上圖1所示。該系統(tǒng)主要是通過光敏電阻來感應(yīng)環(huán)境中的光照強(qiáng)度，通過熱釋電紅外人體感應(yīng)模塊來感應(yīng)周圍是否有人，然后通過一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后把數(shù)據(jù)發(fā)送到到單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行分析?？梢酝ㄟ^向單片機(jī)內(nèi)寫入程序來控制燈光的亮度[3]。該系統(tǒng)不僅易于操作、可靠性高，并且更加的節(jié)能環(huán)保，符合當(dāng)代社會發(fā)展的需求。系統(tǒng)的原理圖如圖2。圖2原理圖2.2調(diào)光方式在本設(shè)計(jì)中對LED燈源的調(diào)光主要是通過調(diào)節(jié)燈源中的正向電流來控制LED燈光的強(qiáng)弱。同時(shí)，由于電流的變化會使燈源發(fā)生色彩漂移，所以我們要盡量避免電流的變化過于頻繁和幅度上下相差過大。PWM原理就可以達(dá)到此要求。脈沖寬度調(diào)制(PWM)具體是指通過控制PWM占空比來控制電流的大小，以此調(diào)節(jié)燈光亮度。同時(shí)在此過程中，不能改變PWM方波周期[4]。3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)控制模塊和最小系統(tǒng)在該臺燈系統(tǒng)中我用STC89C52單片機(jī)為其控制核心，這個(gè)單片機(jī)的主要特點(diǎn)是耗能低，體積小，高性能，并且更重要的是相對于51單片機(jī)來說這個(gè)單片機(jī)具有更多的功能。該單片機(jī)具有8K字節(jié)的FLASH、512字節(jié)RAM、32位I/O口線、3個(gè)定時(shí)器、1個(gè)UART、8個(gè)中斷源等[5-7]。所以這樣來說選用這款單片機(jī)作為控制核心比較符合我對本設(shè)計(jì)的要求。其中STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)主要包括三方面：電源電路、晶振電路和復(fù)位電路。電源電路主要就是為整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電，晶振電路的主要作用是提供一個(gè)方波信號來使單片機(jī)進(jìn)行正常的工作，復(fù)位電路是用于初始化過程，在單片機(jī)受到其它干擾而出錯(cuò)的時(shí)候，通過復(fù)位來重新執(zhí)行代碼重新工作。STC89C52單片機(jī)的最小系統(tǒng)如下圖3所示。圖3單片機(jī)最小系統(tǒng)3.2光照強(qiáng)度檢測模塊3.2.1光敏電阻概述光敏電阻其實(shí)就是一個(gè)阻值隨著光照強(qiáng)度變化而變化的一個(gè)元器件，光照強(qiáng)度越高，阻值越小，然后流過電阻的電流就會增加。相反，光照強(qiáng)度越低，阻值越大，同時(shí)流過電阻的電流就會降低。同時(shí)由于這個(gè)元器件對光線的感應(yīng)比較敏感，所以它又被稱為光導(dǎo)探測器。制造光敏電阻的材料大都是一些半導(dǎo)體，同時(shí)為了增加它的耐性，使其使用時(shí)間更長，通常在光敏電阻的表面涂有防潮材料[8]。在本設(shè)計(jì)中主要就是利用光敏電阻的阻值隨光照強(qiáng)度變化的這一特性來感應(yīng)環(huán)境光照。當(dāng)光敏電阻感受到的光照強(qiáng)度不同時(shí)，流過該電阻的電流也就不同，同時(shí)單片機(jī)接收到的數(shù)據(jù)也就不同，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機(jī)的判定之后，單片機(jī)向外發(fā)出指令來決定臺燈燈光的亮度，這樣就實(shí)現(xiàn)了對燈光的基本控制。3.2.2光照強(qiáng)度采集電路采集光照強(qiáng)度的工作主要是由光敏電阻來完成，然后ADC0832這個(gè)模塊對采集到的光照強(qiáng)度信息進(jìn)行處理和分析，使其轉(zhuǎn)換為不同的電壓，最終把信號傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中進(jìn)行分析判斷，然后對當(dāng)前的情況做出反應(yīng)。3.3模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊在現(xiàn)如今的電子市場中，有很多種類的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并且模數(shù)轉(zhuǎn)換的方式一般都是使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器或者是模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。在經(jīng)過對一些模數(shù)轉(zhuǎn)換器的對比和查閱相關(guān)資料之后，在本設(shè)計(jì)中我選擇了使用ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器。這款產(chǎn)品的一些物理特點(diǎn)主要有：轉(zhuǎn)換速度快、誤差小、抗腐蝕能力強(qiáng)、體積小等。在使用時(shí)的特點(diǎn)主要有：8位分辨率、雙通道轉(zhuǎn)換、輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容、A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)間很快等[9]。3.4紅外人體感應(yīng)模塊3.4.1熱釋電紅外傳感器概述因?yàn)闊後岆娂t外傳感器的工作方式主要是基于熱電效應(yīng)，所以制造熱釋電紅外傳感器的材料主要是一些高熱電系數(shù)的材料。這款傳感器的優(yōu)點(diǎn)主要有：它的本身不產(chǎn)生任何類型的輻射、耗能很低、并且價(jià)格較低等，這些都符合本設(shè)計(jì)的需求。但是它的缺點(diǎn)也很明顯，就是紅外穿透能力比較弱工作的時(shí)候不能隔太多障礙物、還有就是人體散發(fā)出的紅外輻射很容易被遮擋，紅外探頭檢測不到。但是這個(gè)紅外感應(yīng)模塊中裝有一個(gè)菲涅爾透鏡，它可以使接近于人體輻射的波通過，濾除非人體散發(fā)出的輻射，使人體散發(fā)出的輻射更加明顯，方便紅外探頭的檢測，以此來提高檢測的準(zhǔn)確度[10]。3.4.2HC-SR501模塊簡介HC-SR501是一款基于紅外技術(shù)的控制模塊，使用的是型號為LHI778的德國產(chǎn)的紅外探頭。其主要優(yōu)點(diǎn)是工作時(shí)使用的電壓很低、穩(wěn)定性強(qiáng)、檢測的靈敏度比較好。所以在目前的一些自動設(shè)備上能經(jīng)常見到這款控制模塊的出現(xiàn)，特別是一些使用干電池作為供電的一些產(chǎn)品更能經(jīng)常用到。當(dāng)有人進(jìn)入感應(yīng)范圍時(shí)，輸入高電平；當(dāng)人離開感應(yīng)范圍時(shí)，高電平會自動關(guān)閉，并延遲輸出，這樣可以做到對臺燈附近的情況進(jìn)行基本的一個(gè)判斷。3.4.3紅外人體檢測電路在本設(shè)計(jì)中，紅外傳感器是非常重要的一個(gè)感應(yīng)傳感器，它可以檢測周圍環(huán)境情況然后給控制模塊反饋，控制模塊以此來完成對燈光的控制。紅外檢測電路圖如圖4所示。引腳2和單片機(jī)的I/O口P22連接，當(dāng)模塊感應(yīng)到有人時(shí)，引腳2輸出高電平，通常輸出低電平[11]。圖4紅外人體檢測電路3.5照明模塊目前隨著燈光、燈源等方面的不斷發(fā)展，越來越多形式的燈源也被生產(chǎn)了出來，在本設(shè)計(jì)中為了環(huán)保和節(jié)約費(fèi)用考慮，我選擇了常見并且適用范圍廣泛的LED燈源，LED燈源使用起來耗能比較低,使用壽命很長并且不容易損壞，特別是在本設(shè)計(jì)中來說會頻繁的開關(guān)臺燈，所以LED燈源就更加適合了。本設(shè)計(jì)采用的是USB小燈，該小燈的內(nèi)部構(gòu)造如下圖。LED燈發(fā)光的原理是在通電后，電流在半導(dǎo)體的P區(qū)與電子和空穴結(jié)合，最后以光的形式呈現(xiàn)出來。因此需要PNP三極管來驅(qū)動電路，單片機(jī)輸出一個(gè)低電平信號時(shí)可點(diǎn)亮LED燈[12]。照明電路如下圖5所示。圖5照明電路3.6按鍵輸入模塊鍵盤是人與單片機(jī)連接的渠道，用來調(diào)節(jié)臺燈的亮度和控制模式。同時(shí)在目前來看，按鍵模塊按不同的操作原理主要分為兩大種類型，一種是編碼式按鍵模塊、另一種就是非編碼式按鍵模塊。由于編碼式的按鍵模塊比較貴，使用成本比較高并且使用起來沒有非編碼式的使用起來靈活，所以綜合考慮之下我選擇了非編碼式的按鍵模塊[13]。而本設(shè)計(jì)中只使用三個(gè)按鍵，實(shí)現(xiàn)的分別是“模式切換”、“亮度降低”和“亮度增加”的功能，所以我選擇使用的是獨(dú)立式的按鍵，這樣一來操作就比較方便還能節(jié)約設(shè)計(jì)成本。按鍵電路如圖6所示。圖6按鍵輸入模塊電路3.7姿勢矯正模塊圖7障礙檢測電路障礙物的檢測通過光電傳感器來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)檢測到有障礙物，它將輸出低電平。該模塊如上圖7所示。3.8蜂鳴器報(bào)警模塊本設(shè)計(jì)選用的蜂鳴器為有源蜂鳴器，即通電就可以發(fā)聲，因此單片機(jī)只要輸出高（或低）電平即可，不需要來控制驅(qū)動，這樣一來這一部分程序的設(shè)計(jì)就會變的比較簡單一點(diǎn)。但是有一點(diǎn)，一般蜂鳴器工作時(shí)需要的電流會比單片機(jī)通過I/O口向外輸出的電流要大，所以我們需要用一個(gè)三極管來放大輸出的電流以滿足蜂鳴器的需要，同時(shí)，因?yàn)檫x用的是PNP形式的三極管，所以在剛開始供電的時(shí)候蜂鳴器并不會發(fā)出報(bào)警。蜂鳴器電路如圖8所示。圖8蜂鳴器電路系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在硬件模塊設(shè)計(jì)完成后，需要對各個(gè)模塊編寫程序來配合系統(tǒng)完成工作，程序關(guān)系著系統(tǒng)設(shè)計(jì)能否成功，只有將程序?qū)懞貌拍苁瓜到y(tǒng)按著自己的意愿去完成工作。該系統(tǒng)程序采用C語言編寫，并應(yīng)用于整個(gè)系統(tǒng)[14]。本設(shè)計(jì)分為自動模式和手動模式兩種方式。在自動模式下，需要通過光敏電阻來感知環(huán)境中的光強(qiáng)，然后通過熱釋電人體紅外傳感器來感應(yīng)周圍是否有人并結(jié)合以上兩種情況來實(shí)現(xiàn)自動開關(guān)燈和自動調(diào)節(jié)亮度。而在手動模式下，則直接通過按鍵來對臺燈進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。主程序流程圖如下圖9所示。圖9主函數(shù)流程圖5.硬件組合與調(diào)試5.1元件的焊接與組裝根據(jù)以上設(shè)計(jì)好的硬件和選擇好的元器件，我們就可以對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行組裝焊接了，注意，在焊接元器件前，要測試所用元器件是否