智能台灯论文

TOC\o"1-3"\h\u12353摘要 211271绪论 4298791.1智能台灯发展意义 4159251.2台灯发展历史 5123811.3本课题主要内容和任务 7215482智能台灯整体结构分析 818892.1整体功能模块分析 8106352.2硬件选型分析 822082.2.1单片机选型 8286312.2.2电源系统选型 10279682.3人体检测选型 11231742.4调光方式 1397622.4.1调光方式选择 13320502.4.2PWM生成原理 15117242.5小结 1641753硬件电路设计 1727493.1单片机最小系统设计 17309113.2电源设计 1734013.2.1控制系统恒压源设计 1742673.2.2LED恒流源设计 18280153.3调光电路设计 20257473.3.1光敏电阻电路 20205533.3.2光敏三极管电路 21280193.3.3LED开关电路 22148493.4人体感应传感器电路 23228873.5报警电路 25226433.6小结 26159404系统软件设计 27132864.1调光软件设计 27117574.2坐姿纠正程序 27323864.3使用时间过长提醒程序 2888234.4系统感应开关程序 29164864.5系统整体程序流程 29103364.6小结 30198575结束语 318020致谢 337164参考文献 3428255附录1 35917附录2 3611906附录3 3732508附录4 38摘要台灯已是千家万户的必需生活用品，经常由于忘记关灯而造成巨大的能源浪费。当夜晚来临时，人们又摸黑去开灯，非常不方便。在这里设计了以人体红外辐射传感控制电路。当人体在台灯的范围内且环境光强较弱时，自动感应开灯；当人体太靠近桌面时，台灯自动感应，警告纠正坐姿，若在一定时间内未离开桌面则自动熄灭。当人离开时则自动关灯，达到节约能源的目的。单片机控制部分采用MSP430F2274单片机为核心，主要由热释电红外传感器，光敏电阻信号处理电路，提醒电路，灯光控制电路，故障报警电路等组成，软件选用C语言编程。单片机可将热释电红外传感器检测到的人体辐射红外信号及光强信号的模拟量转换成数字量。该系统灵活性强，易于操作，可靠性高，将会有更广阔的开发前景。通过研究这样一款台灯电路，可以对设想中的智能台灯进行一次功能性验证，比如跟随环境光线调节亮度，自动关灭，提醒坐姿等。对将来的智能台灯发展也是一次很有意义的探索。关键词：智能台灯坐姿提醒自动调光感应开关AbstractDesklampisalreadyhomenecessaryarticlesfordailyuse,oftenduetoforgettoturnoffthelightsandcausehugeenergywaste.Whenthenightcomes,theytooktoturnonthelight,verynoteasy.Herethedesignwithhumanbodyinfraredradiationsensingcontrolcircuit.Whenthehumanbodyinthedesklampwithinthescopeoftheenvironmentandstronglightisweak,automaticinductionlights;Whenthehumanbodyistooclosetothedesktop,desklampautomaticinduction,warningcorrectposture,ifinacertaintimeawayfromtheirdesktopisnotautomaticputout.Whenthemanleftwillautomaticallyturnoffthelight,toachievethepurposeofsavingenergy.Single-chipmicrocomputercontroloftheMSP430F2274microcontrollerasthecore,andthemainpyroelectricinfraredsensors,photosensitiveresistancesignalprocessingcircuit,remindcircuit,lightingcontrolcircuit,thealarmingcircuitandothercomponents,thesoftwareusetheCprogramminglanguage.SCMcanwillpyroelectricinfraredsensordetectionoftheinfraredradiationtothehumanbodyandthesignalsoflightintensityofthesignalanalogconversionintothedigitalquantity.Thesystemflexibilityisstrong,easyoperation,highreliability,therewillbemorebroaddevelopmentprospects.Throughthestudyofsuchadesklampcircuit,oftheintelligencedesklampcanimagineafunctionalverification,suchaswithenvironmentallightadjustbrightness,automaticshutout,remindsittingposition,etc.Inthefuturedevelopmentoftheintelligentdesklampisameaningfulexploration.Keywords:Intelligencedesklamp,Sittingpositionremind,automaticaperturecontrol,automaticswitch1绪论1.1智能台灯发展意义随着科技的高速发展，各种各样的科技产品、家用电器走入人们的生活，这一切都大大地提高了人们的工作效率、改善了人们的生活，现在电器的发展趋势是智能化，这样会使人们使用起来更方便。智能化产品在各个领域都有出色的应用，所以我们打算研究是智能化台灯。虽然按键式的台灯还是台灯市场的主体。但是，现代电子技术的发展和人们的需求变化，已使传统的台灯感受到产品更新换代的威胁。智能型的电器产品渐渐进入人们的生活中。台灯已是千家万户的必需生活电器，经常由于忘记关灯而造成巨大的能源浪费。在我国,照明耗电占年发电总量的12%(超过100亿kW•h),现在的台灯绝大部分是采用普通的白炽灯、荧光灯、节能灯和螺旋节能灯,并且控制方式多采用手动开关,不能连续调节，更不能自动调节。当夜晚来临时，人们又摸黑去开灯，非常不方便，与现在家电的智能化，人性化，低碳设计理念相违背。加之我国的发电方式主要还是火力发电，因此，每多浪费一度电，就意味着发电厂需要多损失一些煤炭资源，而煤炭资源的浪费又意味着对大气的污染加重了一分，大气的污染，又会从方方面面影响人类的生活，人类需要花费更多的资源来研究大气污染的改善，这是一个恶性循环，所以，节约电能是一个对人类意义十分重大的事情。LED被认为是21世纪的照明光源。LED发光器件是冷光源，光效高，工作电压低，而且能耗低，可控制好、无辐射，同样亮度下，LED能耗为白炽灯的10％，荧光灯的50％。LED寿命可达10万小时，是荧光灯的10倍，白炽灯的100倍。随着能源紧缺、电价越来越高、环保要求及LED的光效的提高,用LED替代现在台灯普遍使用的白炽灯或荧光灯，环保无污染。另外，LED的光谱几乎全部集中于可见光频段,其发光效率可达80～90%，并且传统的台灯中的光源体使用的是交流电，所以每秒钟会产生100－120次的频闪。LED灯是把交流电直接转换为直流电，不会产生闪烁现象，保护眼睛，可以获得“柔和”的灯光环境。另外一个情况是现在中国约30%的人有不同程度的视力问题，其中近视是主要问题，近年来，我国的近视率已上升为全球第二，仅次于日本，但近视的总人数确是全球第一。引起近视的主要原因是用眼不健康，如用连续用眼时间过长，看书，学习时的坐姿不正确等。因此，我们提出智能LED台灯方案。1.2台灯发展历史中国灯饰灯具工业最早起源于上海。上海是我国最早建立的现代城市，使用现代灯饰灯具也最早，约在20世纪20年代就已经开始规模使用电灯。1921年，民族工商业者胡西园等试制成功第一只国产白炽灯，并于1923年买下甘肃路德商奥本公司电器厂，聘任奥本为工程师，开设中国亚浦耳电器厂，成为上海第一家由民族资本开设的电光源企业。1929年，甘镜秋等民族工商业者又创立华德电光股份有限公司，生产真空长丝灯泡。

随着白炽灯生产的发展，其他光源产品也相继问世。1927年，许石炯试制小电珠成功，并在闸北东洋花园开设公明电珠厂，生产日月牌、光荣牌2.5伏、3.8伏小电珠、圣诞泡。产品畅销长江流域及华北一带。

但是在半殖民地半封建社会时期，中国民族灯具工业遭受到国外洋品牌及国内落后势力的双重压榨和排挤，再加上灯饰灯具工业缺乏赖以生存的长期稳定的发展环境，因此在解放前中国只有上海等少数几个城市拥有灯泡厂，而且这些灯泡厂大多经营困难，处于奄奄一息的状态。

新中国成立后，我国现代灯饰灯具工业迎来了发展的春天。20世纪50年代至60年代初期，是中国现代灯饰灯具发展的初潮。在这一段时间里，一大批新型现代化建筑的建设和装修向当时的灯饰灯具行业提出了挑战，并刺激着灯饰灯具工业的发展。

这时候中国灯饰工业再不仅仅只能生产普通白炽灯泡、马路弯灯、机床灯、船灯、工地投光灯、照相灯、舞台打光灯、日光台灯、轧床灯等，而是不断研制出更先进更现代化的灯具。这其中既有环境安定，国家对于灯饰灯具行业的支持有关，又与当时照明行业的实际需求有关。

1954年，上海建造“中苏友好大厦”，配套灯饰灯具由上海3家灯具厂承制。经过将近1年的努力，灯饰灯具企业制造出大型吊灯、壁灯、台灯、落地灯、吸顶灯等各类灯饰灯具。这些灯饰灯具的出现，标志着中国现代灯饰灯具工业已经迈出了历史性的一步。之后，在人民大会堂、钓鱼台国宾馆等大型建筑的灯饰灯具承制过程中，国产灯饰灯具继续得到发展，部分产品达到国际先进水平。到了50年代后期，上海灯饰灯具行业还为一艘现代化大型外轮伊里奇号生产过船用配套灯具。这批灯饰灯具在工艺上不仅要求具有国际水平，而且还得经受十分严格的产品检验。上海灯饰灯具行业的职工怀着为国争光的精神，终于胜利地完成了任务。至60年代初、中期，上海在全国首先形成一个独立、完整、协作配套的灯具行业。

这一时期上海灯饰灯具工业的发展是全中国现代灯具工业发展的代表和缩影，除了上海外，北京、天津、武汉、广州等各大城市也相继建立灯饰灯具厂，中国现代灯饰灯具工业出现了前所未有的繁荣。这一时期，除了大量灯饰灯具厂拔地而起外，灯饰灯具产量大幅增加外，中国在光源方面的研究也取得了可喜的进展。1963复旦大学电光源研究室和亚明灯泡厂年我国第二代光源荧光高压汞灯。此后，第一盏氢灯、第一盏氪灯、金属卤化物灯相继问世并量产，中国电光源产业因此也向前跨越了一大步。上海对中国电光源产业发展功不可没。

蔡祖泉——“中国电光源之父”，是我国电光源产业发展的奠基人。从20世纪60年代开始，中国电光源产业的每一项科研成果几乎都和蔡祖泉有关。1961年，蔡祖泉与同伴们初探我国科学家的“空白领域”———电光源，着手研制国内的第一盏光源——高压汞灯。同年，复旦大学电光源小组成立。我国电光源史上第一个氢灯、第一个高压汞灯、第一个氪灯、第一个长弧氙灯等一系列成果陆续从他手上诞生。

从1949年到1965年，中国灯饰灯具工业获得了突飞猛进的发展，灯饰灯具产量急剧增加，灯饰灯具种类大大丰富，部分产品达到了国际先进水平。这一时期也是中国电灯快速普及的时期，城市开始普及电灯照明。1.3本课题主要内容和任务本文主要研究单片机控制的智能台灯系统，系统应该能够判断周围是否有人，并根据判断结果自动实现台灯的开关，能够检测环境光强度，根据光强度自动调节台灯的发光亮度，保证台灯发出适度的光强度，又能保证亮度不至于过高，浪费电能。系统可以检测使用者的坐姿是否合理，如果使用者出现错误坐姿，系统能够发出提示警报。系统具体实现的功能如下所示。当系统检测到有人在台灯周围时，自动打开台灯，当使用者离开台灯一段时间后，自动切断台灯电源，节省电能。系统根据外界环境光的强度，合理调节台灯的光强，使台灯的灯光既可以保证使用者正常使用，又能保证光强不至于过高，这样可以保护使用者的视力健康，也能节省电能。当台灯打开一段时间之后，系统能够发出警报，提醒使用者离开台灯休息，劳逸结合，进一步保护使用者的身体健康。如果使用者出现不正确的坐姿，如驼背或者离台灯过近，系统能够发出提醒，如果使用者仍然保持错误坐姿，系统切断台灯电源，待使用者恢复正确坐姿后，台灯再次被打开。2智能台灯整体结构分析由上一章的分析可知，智能台灯系统的开关或者调光会受到很多外界条件的共同制约，因此在设计本系统之前，需要先将整个系统的结构整理清楚，然后按照各个功能模块进行分析和设计。2.1整体功能模块分析智能台灯系统的整体结构框图如图2-1所示。图2-1从上面的结构框图可以看出，整个系统的核心为控制系统，外界检测的各种模块的检测信号都要输送给控制系统，由控制系统协调控制台灯的发光情况。2.2硬件选型分析电源系统、控制系统等很多功能模块在电路上实现都有很多种方法，因此本节主要对常用的方法进行分析论证，并选取相对合适本系统的方案。2.2.1单片机选型控制系统是智能台灯系统的核心部分，而单片机又是控制系统的核心，因此，单片机的选型非常重要，一款合理的单片机不仅能够保证系统的稳定可靠运行，也能为调试增加很多方便，所以要选择一款从各方面均非常合理的单片机。经过对常用的51，AVR，430单片机等的对比后，本系统最终选择了以超低功耗著称的MSP430F2274单片机，此款单片机由德州仪器公司研发生产，是业界功耗最低的单片机，待机功耗可以达到微安级别，节能性非常出色，另外，此款单片机是16位的RISC单片机，相比其他的8位单片机，它在运算速度等方面也具有非常大的优势。MSP430F2274单片机的主要特性如下所示：1.从1.8V到3.6V的宽范围低压供电支持。在1Mhz，2.2V电源电压的工作模式下，功耗电流仅为270微安。待机模式下，功耗电流为0.7微安。16位的RISC结构，可以实现62.5纳秒的指令周期。拥有2个16位的定时器，可实现输入捕获和输出比较功能。支持自动波特率的UART通信，LIN通信，I2C通信以及SPI通信。具有10位分辨率200khz采样率的模数转换器。支持多种启动模式，可实现片上在线硬件调试。具有32KB的片内FLASH和1KB的片内RAM。具有38脚的TSSOP封装，体积小，IO口多。从上面的特性可以看出，MSP430F2274单片机的功能正好可以方便的完成本次设计。超低功耗可以改善整个系统的功耗状况，能够更加节能。16位机的设计，单片机运行速度更快，使整个系统的实时性更好。16位高分辨率的定时器可以实现高精度的PWM功能，方便精确的台灯调光。支持UART通信功能，虽然在系统设计中并不需要，但是对于调试意义重大。具有10位的AD转换器，可以用在环境光检测中，不需要再外加外部AD转换芯片，节省了系统成本，也减少了系统电路的结构，支持片上调试，对于调试来说也非常重要，大的内部FLASH和RAM对程序设计大大降低了优化要求，提高设计效率，较多的IO口也能完全满足本次设计的要求。对比其他两款常用的单片机，有的没有内部AD转换器，有的没有高分辨率的定时器，或者没有大的片内存储器空间，因此，本设计选择了MSP430F2274这款单片机作为控制核心。MSP430F2274单片机的引脚分布如图2-2所示。图2-22.2.2电源系统选型任何系统在设计时都需要慎重考虑电源设计，如果电源设计不好，整个系统很可能运行不稳定，如果功率稍大，甚至可能威胁人生安全。由于本次系统设计主要针对台灯的智能化设计，所以电源设计采用的是常规的220V交流市电供电，而没有采用从技术上更创新的光伏发电等方式。本系统需要两路电源，一路是供给控制系统和检测系统的电源，此电源采用恒压电源即可，可以通过变压器输出的低压交流电整流滤波，再通过线性稳压器后直接供给。另外一路电源是供给LED灯珠使用的，由于LED灯的伏安特性比较特殊，对其电源的设计需要特别考虑。LED灯的特性如图2-3所示图2-3从图2-3（a）可以看出，LED灯在导通后，电流会随两端电压的上升而急剧上升，在电压由3.1V上升至3.4V时，电流从100ma上升至350ma。从图2-3（b）可以看出，在给一个定值电压时，LED灯的温度越高，其电流会越大。通过两图的分析，可以发现，如果采用恒压源驱动LED灯，在LED工作一段时间后，温度会上升，温度上升会导致其电流加大，电流加大后，LED灯的压降又会变低，进而导致流过电流继续变大，且电流会急剧变大，形成一个正反馈。LED灯在设计时都有一个额定电流，超过额定电流工作，很容易烧毁，所以不能直接用一个恒压电源驱动LED灯，而需要考虑控制其电流不能急剧变大。在一些低成本的应用中，常在LED灯的回路中串联一个电阻，用来限定回路中的电流，保护二极管，其应用电路如图2-4所示。图2-4这种方式可以有效的限定回路电流，保护LED，但是这个电阻在电路中会消耗一定的能量，既不利于节能，又增加了系统的散热要求，但是由于成本比较低，仍有一定的应用空间，但是本次设计的是智能台灯，完全可以设计出更加安全的恒流输出电源。2.3人体检测选型本系统需要通过检测周围有没有人的存在，控制台灯的开关，所以系统需要外加检测人体的传感器。常用检测人体的方案有超声波测距，红外线测量，热释传感器等。超声波和红外线测量的方式比较类似，都是通过一端发射超声波或者红外线，另外一端检测信号，如果信号在一定的距离被反射回来，说明这个位置有物体存在，这样就可以识别周围是有人存在。超声波测量的示意图如图2-5所示。图2-5如图所示，超声波发射头发送一个38Khz的波形，被障碍物反射回来被接收头接收到，通过波形发射的时间和接收的时间差，乘上声音在空气中的传播速度，就可以计算出障碍物与测量模块之间的距离，因此，通过设定合理的触发距离，就可以实现有人靠近台灯的时候打开台灯，远离台灯的时候关闭台灯。超声波测距可以实现本系统所需要的功能，但是有一定的局限性，因为它对其他的物体也具有敏感性，即当有物体存在于超声波可以覆盖的范围内时，系统无法分辨物体是人还是其他物体，因此会导致台灯误开关，而且，超声波的覆盖范围有限，人只能从一个方向出发超声波模块，因此本系统并未采用此方案，而是采用了更加合适的红外热释传感器来实现此功能。人体红外热释传感器是利用了检测传感器周围的红外线，来分辨是有周围有人存在的，相比超声波或者红外测距模块，热释传感器具有覆盖角度大，能够准确识别人还是其他物体的有点，因为一般物体并不会像人一样辐射红外线。红外热释传感器的工作原理同压电效应类似，是指由于温度的变化而引起晶体表面荷电的现象。热释电传感器是对温度敏感的传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，在元件两个表面做成电极，在传感器检测范围内温度有的变化时，热释电效应会在两个电极上产生电荷，即在两电极之间产生一微弱的电压。由于它的输出阻抗极高，在传感器中有一个场效应管进行变换。热释电效应所产生的电荷会被空气中的离子所结合而消失，即当环境温度稳定不变时，=0，则传感器无输出，当人体进入检测区，因人体温度与环境温度有差别，产生，则有输出，若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出了，所以这种传感器检测人体或者动物的活动传感，由实验证明，传感器不加光学透镜，其检测距离小于2m，而加上光学透镜后，其检测距离可以大于7m。2.4调光方式2.4.1调光方式选择本系统需要根据环境光的变化适当调节LED灯的亮度，当环境较暗的时候，台灯变亮，环境较亮的时候，台灯变暗，这样可以有效节省电能，也能保护使用者的视力。现行常用的LED灯调光方式主要有线性调光和PWM调光，两种调光方式实现方法不同，也各有优缺点。模拟调光通常可以很简单的来实现。可以通过一个控制电压来成比例地改变LED驱动的输出。模拟调光不会引入潜在的电磁兼容/电磁干扰（EMC/EMI）频率。然而，在大多数设计中要使用PWM调光，这是由于LED的一个基本性质：发射光的特性要随着平均驱动电流而偏移。对于单色LED来说，其主波长会改变。对白光LED来说，其相关颜色温度（CCT）会改变。对于人眼来说，很难察觉到红、绿或蓝LED中几纳米波长的变化，特别是在光强也在变化的时候。但是白光的颜色温度变化是很容易检测的。脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。采用PWM的LED调光控制法以大于100HZ的开关工作频率，以脉宽调制的方法改变LED驱动电流的脉冲占空比来实理LED的调光控制，选用大于100HZ开关调光控制频率主要是为了避免人眼感觉到调光闪烁现象，在LED的PWM调光控制下，LED的发光亮度正比于PWM的脉冲占空比，在这种调光控制方法下，可以在高度调光比范围内保持LED的发光颜色不变，采用PWM的LED调光控制的调光比范围可达3000:1。在PWM调光中，LED正向电流以受控的占空比（DDim）进行开/关，以达到想要的亮度。DDim的动态范围定义了PWM调光配置所能实现的最大亮度级别。因此，在使用PWM调光配置时所得到的最高和最低LED电流平均值分别由式1和式2表示：ILED_Max=DDim_Max×ILED(1)ILED_Min=DDim_Min×ILED(2)其中，ILED为LED电流，ILED_Max为LED电流的平均最高值，ILED_Min为LED电流的平均最低值，DDim_Max为最大调光占空比，DDim_Min为最小调光占空比。因此，最高和最低LED明亮的比率，又被看做PWM调光范围，用式3表示。调光范围=DDim_Max/DDim_Min(3)式3表示PWM调光范围与最大、最小调光占空比之间的关系。对于给定的调光频率FDim，DDim_Max表示最大占空比，即LED电流在下一个调光周期开始前，从所需的正向电流降低至零的时间；DDim_Min表示最小占空比，即LED电流由零升至所需的正向电流（IF）的时间。DDim_Max和DDim_Min表示如下：DDim_Max＝(T-tSD)/T(4)DDim_Min＝(tD+tSU)/T(5)其中，T为调光周期(T=1/FDim)，tD为从DIM脉冲上升沿到电源FET第一个脉冲之间的延迟，tSU为LED电流从零升至所需电流的上升时间，tSD为从DIM脉冲的下降沿到LED电流等于零之间的下降时间。式4和式5表达了DDim_Max、DDim_Min与LED驱动器的传动(power-train)特性和PWM调光方案之间的关系。当然，PWM调光也有其缺点，主要表现在PWM调光很容易使得白光LED驱动电路产生人耳听得见的噪声，这是因为在PWM调光是，如果PWM信号的频率处于20hz到20khz之间，白光LED驱动器周围的电感和输出电容就会产生人耳听得见的噪声，所以设计PWM调光时，应该注意，PWM信号的频率应该高于20khz，避免产生人耳能够听见的噪声。另外从节能角度来讲，由于线性调光调节了LED灯的电流，所以很多情况下LED灯并没有工作在其额定功率状态下，而PWM调光则避免了这种情况，而工作在非额定功率下的LED灯发光效率肯定是比额定功率下的LED灯低的，所以，本系统选择了效率更高且没有光色畸变的PWM控制方式。2.4.2PWM生成原理脉冲宽度调制（PWM），是英文"PulseWidthModulation"的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。PWM波的信号是一串频率恒定，但是占空比可以任意调节的矩形波，通过面积等效原理，不同的占空比波形可以实现很多功能，且PWM经常通过单片机的定时器和比较器生成，只需要给单片机的相关寄存器赋予相应的值，单片机就可以自动输出相应占空比和频率的PWM波形，不需要单片机实时控制。本系统采用的MSP430F2274单片机包含两个16位定时器，本设计采用了定时器A的PWM7模式来输出PWM波形，将定时器设置为升计数模式，使用比较器1通道，16位定时器从0不停的累加，通道1输出引脚输出高电平，当其累加值等于TACCR1时，改引脚输出低电平，计数器继续累加，当其累加值等于TACCR0时，通道1输出引脚输出高电平，计数器清零，继续从0开始累加，并按此过程循环，这样，在通道1的输出引脚就能得到一个PWM波形。单片机生成PWM波的原理如图2-6所示。图2-6PWM波的频率计算公式为：(6)其中，为定时器A的时钟频率，TAACR0为该寄存器的设定值。PWM波的占空比计算公式为：(7)其中，TACCR0，TACCR1均为该寄存器的设定值。2.5小结本章着重对系统的整体方案进行了论证，着重对系统的关键部分进行了详细的方案论证，选择了比较合适于本系统的方案，例如单片机的选型，电源模块的设计选型，人体检测方案的选择，LED灯调光方式。3硬件电路设计3.1单片机最小系统设计要使用单片机，首先应该设计一个单片机的最小系统，让单片机能够正常工作，在此基础上才能外接必要的功能模块。MSP430F2274单片机的最小系统比较简单，只需要少量的外部元件即可。电路图如图3-1所示。图3-1图中，header为单片机仿真和下载程序用的JTAG接口，再加上单片机复位电路，由于单片机内部具有振荡器，可以提供系统时钟，因此可以不再外接晶体振荡器，如此就构成了一个单片机最小系统。3.2电源设计由第二章的分析可知，本系统需要两路电源，一路供给控制系统和检测系统使用，另一路恒流源供给LED灯使用。3.2.1控制系统恒压源设计由于控制系统和检测系统只需要恒压电源即可正常工作，所以可以从变压器次级的交流电整流滤波后，通过线性稳压器即可直接使用，系统中，我们需要3.3V和12V的LED电源，而变压器次级输出为18V交流电，通过整流后有20V以上的直流电压，所以系统采用了三级线性稳压器，分别采用L7812、L7805和AMS1117-3.3得到稳定的12V、5V和3.3V直流电源。此部分电源的电路图如图3-2所示。图3-2此电路在设计时主要需要考虑整流后的滤波电容，和每个电压调整器的输入输出电容，负载越重，电容值就应该相应取的越大。3.2.2LED恒流源设计恒流源和恒压源一样，按照结构分也可以分为线性电源和开关电源，图8所示的控制系统电压源即为一个典型的线性电源，它的工作原理是通过三端稳压器的内部反馈，将输出电压限定在一个设定值，它的主要特点是电源输出纹波小，没有高频干扰，但是效率较低，但是在功率较小的时候，特别是电路需要一个比较稳定的电源时，比如单片机系统，线性稳压电源还是非常有用的。一个线性恒流电源的电路如图3-3所示。图3-3此恒流源采用了LM317设计，LM317是一个三端可调稳压器，可以输出一个可调节的稳定电压，它的主要工作原理即为保持Vout和Adj之间为1.25V电压，这样，通过调节Res的阻值，即可调节整个电路的输出电流。电路输出电流的计算公式为：（6）此种方式的恒流源依然属于线性电源的范畴，因此它就具有不可避免的低效率劣势，而现在广泛使用LED灯的一个重要原因就是它的优良节能性，所以要保证整个LED系统的高效率，电源的效率也要保证，否则整个系统的电效率无法得到提高。因此，本系统的LED驱动电源采用了效率较高的开关电源。传统的开关式恒流电源一般都是在开关式恒压源的输出端串接电流采样电阻，将电路的电流信号转化成为电压信号送至控制器的反馈，进而达到恒定电流输出的作用。由于现在LED照明的快速发展，很多半导体公司也开发出了很多专门针对LED驱动的恒流电源芯片，使用这类专用芯片可以得到更高的效率，更加适合于LED的控制方式。本系统采用国家半导体公司研发的LM3421芯片，此芯片是一款升压式恒流LED驱动电源，由于本系统采用了两个1W的LED灯，每个压降为3.5V，两个串联的压降为7V，因此正好可以使用此芯片从5V电源输入，采用升压方式驱动两个LED灯工作。LM3421驱动LED灯的电路如图3-4所示图3-4此电源电路为一个BOOST拓扑的开关电源，需要外加开关管，电感，滤波电容等主要外部元件。芯片的3,4号脚为反馈控制的补偿网络，5号脚为开关电源的开关振荡器端，通过调节这个阻容网络可以调节电源的开关频率，8号脚为PWM调光的输入端，通过单片机输入一个相应的PWM信号，就可以实现调光。对于电路中比较关键的输出滤波电容参数，可以通过式7计算：这里的输入电压为5V，输出电压7V，输出电流0.3A，取开关频率为100khz，输出纹波电压0.1V，可以计算得出此处的电容值为8.7uF，实际可取22uF。电感的值可以通过式8计算：根据取值，可以计算得出电感值应该为34uH。电路中的Q2为一个N沟道MOS开关管，这个开关管是整个电路输出端的总开关，当这个开关关断的时候，LED上没有电流，LED就不能发光，因此，通过单片机的PWM对这个开关进行控制，就可以实现台灯的PWM调光功能，当PWM占空比为零时，台灯就会处于关闭状态。PWM的输入端为LM3421芯片的8号引脚。3.3调光电路设计本系统需要根据环境光的强度自动调节台灯亮度，所以需要有专门的电路来检测环境光强度，这里常用检测光强度的传感器有光敏电阻、光敏三极管等。3.3.1光敏电阻电路光敏电阻是一种阻值随着光强度发生改变的电阻，在强光和弱光下，阻值可以发生由1KΩ到100KΩ的变化，将光敏电阻与一个定值电阻串联，测量两个电阻之间的电压，就可以方便的测得光敏电阻的阻值，进而可以转换成为相应的光强度。光敏电阻组成的光强感应电路如图3-5所示。图3-5光敏电阻表面的光强越大，其阻值越小，光强越弱，其阻值越大，所以由电路可以看出，光强越强的时候，AD转换器测量得到的电压越高，反之则越低。3.3.2光敏三极管电路光敏三极管是一种基极电流由其感光面的光线强度决定的三极管，当其感应面的光强越大的时候，基极电流就越大，将其集电极上拉，发射极串联一个电阻接到地，因此，当光强度越大时，回路电流越大，这样电阻上的电压就越大，通过AD转换，单片机便可以得到当前环境光的强度。光敏三极管组成的光线感应电路如图3-6所示。图3-6采用光敏电阻或者光敏三极管作为光强度检测电路的传感器没有太大区别，主要是和工作原理不同，但通过合理的设计，都可以满足本系统的需求，本系统采用了光敏电阻的测量方式。单片机和光敏电阻构成的光强测量电路如图3-7所示图3-7单片机的8号引脚为其内部AD转换器0通道的输入端，将光敏电阻和定值电阻的串联点直接接入AD转换器的输入通道即可。3.3.3LED开关电路本系统不仅需要调节LED灯的亮度，还要求能够控制LED工作的的个数，当环境光很强的时候，关闭一个LED灯，只让一个LED灯工作，进一步节约电能。由于两只LED灯采用了串联工作的方式，因此，可以用一个三极管将靠近地端的LED管短路，这样，电流就从上一个LED通过三极管直接流入地端，从而关闭了靠近地端的LED灯，三极管导通与否由单片机控制，这个控制开关与LM3421上的PWM调光功能开关一起工作，就可以实现LED从不发光，1个发光到2个全部发光的功能，而且，整个过程中都可以通过PWM实现光亮度的调节。单个LED开关的电路如图3-8所示。图3-83.4人体感应传感器电路本次设计的系统为智能台灯，需要在人离开台灯一段时间后，自动熄灭台灯，节约电能，当使用者出现错误坐姿，离台灯距离太近的时候，能够对使用者发出提醒，保护使用者的健康，要实现这两个功能，系统需要使用人体热释传感器来检测使用者是否离开台灯或者是否离台灯距离过近，出现错误坐姿。本系统采用了RE200B红外热释传感器，当传感器晶体表面受到红外线照射时，会在晶体表面产生电荷。随着光线对晶体照射的改变，电荷量也会发生改变。这个改变的电信号可以通过场效应管来进行测量。传感器对于不同的波长的光线照射都能产生不同程度的响应，因此需要在传感器感光窗口加入一个滤镜，这个滤镜可以限定晶体对特定波长的光线产生响应，一般在8um~14um，这个波长范围和人体发出的红外线波长比较接近，因此可以让传感器尽量对人体的红外线响应，而不对其它类型的光线响应。由于传感器输出的电信号非常微弱，所以需要对电信号进行合理放大才能被单片机识别，放大部分可以使用通用运放来实现，但是电路会比较复杂，而且如果想实现一些持续输出，延迟关闭等功能还需要自行设计电路，因此，现行的方案大多是采用热释传感器专用的放大芯片BIS0001。BIS0001是一款CMOS数模混合专用集成电路，具有独立的高输入阻抗运算放大器，可与多种传感器匹配，进行信号预处理，双向鉴幅器可以有效抑制干扰，内设延迟时间定时器和锁存时间定时器，结构简单，稳定可靠。BIS0001芯片引脚图如图3-9所示。图3-9图中，芯片的1号引脚为重复输出控制端，当其置高电平时，芯片可以持续输出，当其置低电平时，芯片不能持续输出，2号引脚为芯片的输出端，单片机通过读取此引脚电平状态即可判断是否有人存在传感器周围，3-6号引脚为延迟触发和输出锁存功能定时器的控制端，12-16号引脚为其内部两个运算放大器的端口。根据芯片参考手册的应用电路，设计出了BIS0001基于红外热释传感器的应用电路，其电路如图15所示。图3-10本系统需要两个该模块电路来分别检测台灯周围是否有人以及使用者是否离台灯过近出现错误坐姿，检测是否有人存在的电路的感应距离应该在2m左右，而检测错误坐姿的模块电路感应距离应该在1m左右，需要根据实际使用情况确定。因此在两个电路中需要设计出两种不同的感应距离，使用中只需要调整BIS0001芯片上两个放大电路的信号放大倍数既可以达到目的。3.5报警电路本次设计的台灯为智能台灯，在使用者使用台灯时间过长，或者出现错误坐姿时，需要发出警告提示，警告提示的方法一般分为声音式和发光式，发光式提醒需要使用者时刻注视着提醒装置，具有一定局限性，而声音式报警则不存在此问题，只要使用者在台灯周围，都可以接收到台灯的提醒，因此本系统采用了声音式报警。声音式报警从复杂程度来说，又分为蜂鸣声和语音提示两种，前者指的是系统发出一定频率的滴答声，简单有效，语音提示是可以发出模拟的人声，比较人性化，但是设计复杂，成本也很高。综合考虑本系统，由于所需要的提示只有长时间使用台灯和错误坐姿的提醒，提醒内容比较简单，提醒种类只有两种，所以本系统采用了成本和设计难易程度更具优势的蜂鸣器提醒电路，在使用台灯时间较长时，发出3声滴答声，而当使用者有错误坐姿时，提醒电路一直发声，直到使用者恢复正确坐姿后停止发声。电磁式蜂鸣器内部包含一个电磁线圈和一个磁铁，当电磁线圈通电后，就会产生磁力，吸引磁铁振动片，断电后，放开振动片，当这个通电关电的频率达到人耳能够识别的范围后，蜂鸣器就会发出声音。因此要驱动蜂鸣器发声，就必须产生一个一定频率的驱动信号给蜂鸣器，这个驱动信号可以由单片机或者其他器件提供。而有源蜂鸣器在内部已集成了振荡电路产生驱动信号，因此只需要给蜂鸣器外接电源即可工作，不再需要驱动信号。由于本系统具备单片机，所以采用了无源蜂鸣器。蜂鸣器的电路图如图3-11所示。图3-113.6小结本章的主要内容是分析比较并设计了系统中各个模块的电路图，从易取材性，成本，设计难度，效果等方面对每个模块的各个可能方案进行了比较论证，选取了更加适合于本系统的方案，并最终设计出了每个模块的电路图，为下一步的系统编程做好了准备。4系统软件设计4.1调光软件设计调光功能主要由环境光检测和PWM调光部分组成，它的工作流程是，首先初始化PWM等单片机外设，让单片机进入正常工作状态，然后打开AD转换器，执行一次转换，将读取的值转化成为环境光强度，然后根据这个环境光强度设定PWM信号的占空比，调整LED灯的亮度，之后再回到AD转换部分，并循环下去。其软件流程图如图4-1所示。图4-14.2坐姿纠正程序在台灯正常使用之后，台灯检测坐姿的人体热释传感器便开始工作，当使用者离台灯过近时，传感器会输出高电平，而单片机应该不停的检测传感器的输出，一旦检测到高电平输出，说明使用者出现了错误坐姿，进而发出警报，如果使用者一直保持错误坐姿，则报警电路一直工作，直到使用者恢复正确坐姿，台灯停止报警，转入正常工作。此部分软件流程图如图4-2所示。图4-24.3使用时间过长提醒程序当使用者在台灯前使用时间达到一定时间后，需要发出提醒报警，提醒使用者使用时间已经较长，此部分程序主要有单片机内部定时器完成，通过设置合理的定时器频率，从台灯正常工作开始计时，当计时达到预定值的时候，系统发出提示警报。蜂鸣器发出两次滴答声完毕，再次从新计时，当计时时间再次达到时，发出提醒报警，如此循环。此部分程序流程图如图4-3所示。图4-34.4系统感应开关程序为了节能的考虑，本系统要求能够在使用者离开台灯一段时间之后自动关闭，当使用者再次进入台灯范围时，台灯能够自动打开。这里仍然使用了红外热释传感器来实现这一功能，当人体处于台灯周围时，传感器会输出高电平，当人离开时，输出低电平，单片机通过检测此传感器的电平输出，既可以感知系统周围是否有人存在。如果台灯处于关闭状态，当检测到有人时，立即打开台灯，如果处于打开状态，当检测到使用者离开时，开始计时，并保持检测，如果在一定时间内，使用者一直不在台灯旁，则关闭台灯。此部分程序流程图如图4-4所示。图4-44.5系统整体程序流程在台灯通电之后，首先会初始化单片机内部的外设模块，然后各个外部传感器模块也会初始化，当系统完成初始化之后，开始正常工作，首先台灯检测台灯周围是否有人存在，如果存在，则打开台灯，如果不存在，则不打开台灯，并保持检测。当台灯打开之后，首先打开定时器计时，然后检测环境光，对于当时的环境光调节相应的LED亮度，调节完毕之后，读取坐姿传感器的状态，如果有不正确坐姿，则进入提醒报警状态，进入此状态后，提醒报警电路持续工作，直到使用者恢复正确坐姿。如果坐姿恢复，则进入下一步判定使用时间是否达到预设值，如果达到，进行一次报警，退出报警，清零定时器，然后系统检测使用者是否还在台灯周围，如果还在，程序转向环境光检测，如果不存在，则另一定时器开始定时，如果定时达到预设值，使用者仍然不在，则关闭台灯，程序转向初始检测是否有人存在的位置，如果使用者在预设时间内回到台灯周围，则清零定时器，进入环境光检测位置，如此循环。系统整体程序流程如图4-5所示。图4-54.6小结本章针对系统的电路设计，合理编写了软件程序，使系统能够在单片机的控制下有序工作，采用的MSP430F2274单片机配合IAR编译软件，采用C语言编写程序，首先将各个模块的功能实现，最后将各个模块整合成为一个完整的系统，完成智能台灯的软件设计。5结束语伴随着能源越来越紧缺，而现阶段各国对能源的的需求却日益增长的今天，大力发展节能技术成为了全世界的共识。台灯作为一个普及率非常高的照明设备，消耗的电能也不可小视，而针对台灯的节能设计，如果能够得到普及应用，可以为节约能源做出巨大贡献，能源的节约，对国家发展的方方面面都有着深远影响。而台灯作为一个室内照明设备，很多人在使用它的时候都是出于工作学习的状态，很容易因为长期工作劳累或者不正确的使用方法，对身体健康产生危害，诱发很多职业病，甚至现在已经有一些因为过度劳累而威胁生命健康的实践，因此设计一个智能台灯，提醒使用者合理调整作息时间，劳逸结合，保护身体健康，显得颇有意义，本智能台灯系统就是以此为背景做的一些探索性设计。本智能台灯系统采用现在流行的LED冷光源作为台灯的主光源，这种电光源是现阶段效率最高的光源，可以有效节约电能，其工作电路需要特殊设计，否则台灯的节能型无法得到较好的体现，但只要通过合理的设计，此类光源依然可以提供非常高的发光效率，有效节约电能，配合系统的智能检测功能，可以在使用者离开台灯后，关闭台灯，当使用者回到台灯旁时，自动打开台灯，既能体现智能台灯的方便易用性，又能有效节能，针对使用者健康保护方面，本系统具有使用时间过长提醒和坐姿错误提醒，当使用者使用台灯时间过长是，系统能够发出警报提醒，当使用者出现错误坐姿的时候，系统也可以发出警报提醒，这样可以有效的保护使用者的健康。由于本文的设计重点在于探索智能台灯实现的可能性，并制作出实验模型进行验证，所以本系统中还存在很多设计细节存在不足，主要有以下几个方面：系统没有设计人机界面，比如屏幕显示，按键设定等，这样使用者无法设定使用时间报警的时间长度，还有坐姿纠正功能需要根据使用者和台灯的实际距离来设定传感器的敏感程度，因此没有人机接口的系统在使用中会显得较为不方便。系统的警报提醒功能显得较为简单，为蜂鸣器报警，由于此次只是原理性验证，所以没有采用更加智能化的语音电路，主要是因为单个设计采用语音电路会大幅提高设计成本，如果产品能够量产，则可以考虑加入语音电路，此时成本会大幅降低。由于毕业设计时间较短，很多内容都是从头学习，且本设计主要内容是进行理论上的分析和设计，所以在本文的设计中还存在一些不足，但我觉得，在整个毕业设计的过程中，我学习到了很多知识，学会了对一整个系