【基于SCT89C52单片机的智能台灯设计5200字（论文）】

基于SCT89C52单片机的智能台灯设计目录TOC\o"1-2"\h\u26298引言 1172121.概述 2252071.1课题设计意义 28231.2国内外发展现状 239852.系统的总体方案设计 384202.1系统设计构成 38272.2系统设计思路 3115053.系统硬件设计 3170353.1最小系统模块 4314213.2LED照明模块 450143.3光照强度采集模块 5162373.4人体检测模块 5267993.5按键模块 6304084.PID闭环控制算法 6159564.1PID算法简介 791734.2算法控制流程分析 7188975.系统主程序设计 8295866.总结 9摘要：台灯方便了人们在夜晚的工作和学习。随着电子技术的日益成熟，人们对台灯也提出了智能化的要求。由于传统台灯亮度单一、功能简单，为了改进传统台灯的功能，本文设计了一款以SCT89C52单片机为控制核心，利用光敏电阻获得环境亮度信息，借助ADC0832进行模数转换，利用pulsewidthmodulation(PWM)调制技术实现台灯亮度的自动调节，使台灯能够根据环境亮度调节灯光强度。为了使台灯亮度切换更加稳定加入proportionintegrationdifferentiation(PID)算法使台灯亮度逐渐变化。红外模块检测灯前是否有人，做到有人开灯，无人关灯，达到节能护眼的要求。关键词：智能台灯；PWM调光；人体感应；PID算法引言现代人们的生活离不开灯光照明。人们生活中接触最早的照明工具是煤油灯，但是煤油灯不仅光亮微弱，燃烧时还会产生刺鼻的气味影响人们的身体健康。随着人们对科技的不断探索发明了白炽灯，用电代替煤油为灯提供能源，照明稳定而且比煤油灯更安全。但普通白炽灯存在耗电量大，夜晚使用灯光太强损害视力。随着电子工艺的发展，人们发明了LED灯，它是一种功耗低、高效能的灯，与传统的灯源相比，它具有节约能源、保护环境、使用寿命长、安全等特点。传统台灯功能少，亮度无法调节，如果是在夜晚使用经常会出现找不到开关的情况，忘记关灯时也会造成很大的能源浪费。智能台灯的设计目的就是改善台灯亮度单一，在保留传统台灯按键控制的基础上，台灯根据环境亮度的不同调节灯光亮度，实现台灯的智能亮度调节。红外模块检测台灯前有没有人，做到有人灯亮、无人熄灯。减少资源浪费，契合当代节能、环保的主题。1.概述1.1课题设计意义节约用电是生活中经常能见到的标语，台灯是很多家庭用来学习和照明的家用电器，台灯数量的增加使得电量消耗特别大。而且随着全球化时代的到来，我国照明需求增高，耗电量增加，寻求更加节能环保、使用寿命更长的照明灯源成为节约能源的关键REF_Ref17303\r\h[1]。作为学习的照明工具，传统台灯在使用过程中，一直保持单一亮度，长时间在灯光亮度太亮的环境下用眼会造成用眼疲劳。有可能形成近视。人们在夜晚工作时经常会感觉疲惫，时常发生忘记关灯的情况，台灯一直处于开灯状态会费电。为了弥补传统台灯亮度调节的空白，本设计所制作的智能台灯保留传统的按键控制台灯亮度，以适应各种使用情况，增加自动调节台灯亮度，用户在台灯使用过程中更加便利，用眼环境更加舒适REF_Ref4733\r\h[2]。为了减少台灯不必要的使用，加入人体检测功能，当灯前没有人时熄灭台灯，节约用电，保护用户视力REF_Ref892\r\h[3]。1.2国内外发展现状台灯的出现使人们在夜晚或阴天光线不好的情况下也可以正常的工作和学习，可充电台灯在停电时也可以使用。现代人们经常熬夜加班，使用台灯次数增加。简单的照明功能已经不能适应现代家庭的要求。人们希望台灯的工作更加贴心，台灯亮度更加舒适，使用时更加智能。人们的经济水平越来越好，对于家用电器的功能提出了更多的要求REF_Ref1228\r\h[4]。当前台灯主要向护眼、节能、美观方面发展，护眼台灯通过降低灯光频闪稳定灯光亮度，普通台灯在正常工作时，灯光亮度为固定值，在阴天或者周围环境较暗时并不能适应人体眼睛的需求，近视的形成很大一部分是因为用户在不合适的灯光环境下用眼过度。而且大多数护眼灯质量不过关，无法达到护眼要求。本设计利用PWM调制技术在固定周期内改变高低电平的时间比例REF_Ref1640\r\h[5,6]。通过调节台灯亮灭时间的占空比改变台灯亮度，提供用户适应当前环境的灯光亮度。保护用户眼睛健康。随着技术的不断发展，未来台灯会更加智能。系统的总体方案设计本设计以SCT89C52单片机为控制核心REF_Ref1875\r\h[7]。为了使台灯适用范围更大，保留手动控制的基础上设计了自动模式，手动模式下通过按键改变台灯亮度，自动模式下通过光敏电阻获取环境亮度信息，然后由ADC0832模块进行模数转换，单片机接收到数据之后利用PWM调制技术改变台灯当前的亮度值REF_Ref18255\r\h[8]REF_Ref4733\r\h。在调节台灯亮度时适合人眼使用亮度与设定值存在误差，用PID算法控制系统不断减小误差，是台灯亮度切换之间平滑过渡，适应人体眼睛感受。控制台灯亮度达到适合当前环境值，直到亮度调节合适，保护用户眼睛健康。系统设计构成本智能台灯设计系统选择价格实惠的SCT89C52单片机来控制整个系统，在单片机周围加上合适数值的电阻电容、晶振等电子器件组成单片机的最小系统REF_Ref18572\r\h[9]。在此系统周围添加其他模块完成整个智能台灯的预设功能。其中台灯照明部分用简单实用的USB小灯进行模拟，简化台灯的外形视觉上更加简约。光照强度采集模块由光敏电阻获取光照信息，ADC0832将电压转换成数字交由单片机处理数据。红外热释传感器进行人体检测，相比其他传感器灵敏度较高，使用方便操作简单。台灯旁边会有一个红色小灯用于提示用户当前的控制方式，手动控制灯不亮，自动控制灯亮。本设计共需三个按键，分别是确定台灯灯光控制方式的模式选择按键，手动模式下的台灯亮度增强按键和台灯亮度降低按键；电源部分为USB5V为整个系统进行供电。系统设计思路图1系统框图系统硬件设计为了实现智能台灯设计的功能，本设计主要有单片机最小系统、LED照明模块、光照强度采集模块、人体检测模块REF_Ref19509\r\h[10]。下面对这些模块进行简要介绍。3.1最小系统模块单片机最小系统控制整个台灯能够正常工作，包含单片机、电源、晶振和复位电路四个部分。本设计采用5V电压为整个系统供电，复位电路中当系统接通电源之后电容开始充电，在此期间RESET脚为高电平将会出现高电平，实现电路的自动复位。避免因为外界影响干扰程序的运行。晶振的取值大小会影响单片机的运行速度，本设计使用12M晶振即可满足设计需求。EA引脚接高电平保证单片机从内部开始读取程序。图2单片机最小系统3.2LED照明模块本设计台灯电路由LED灯串联电阻组成，满足台灯照明需求的同时简化设计，外形上更加美观。在实际工作中，单片机通过控制三极管基极所接串口的电平状态，从而控制台灯的亮灭。输出高电平时电流无法流过台灯，台灯处于关闭的状态，输出低电平时电流顺利流通，台灯点亮。实现控制台灯的亮灭。该模块设计电路图3所示。图3LED灯照明电路3.3光照强度采集模块完成台灯自动调光的关键在于获得环境亮度信息。因此要有光照强度采集模块，它由光敏电阻和ADC0832模数转换芯片组成。光敏电阻的特点是光照强度越强阻值越小，分压减小。此时定值电阻分压变大，将光照强度的大小转变为电压的大小。再由模数转换芯片将模拟的电压值变换为数字值，ADC0832将数字值传给单片机，不同的光照环境电压大小不同，单片机就根据环境亮度信息运行程序调节台灯亮度。两电阻阻值比就是它们电压比，电路图如图4所示。图4光照强度采集电路3.4人体检测模块本设计所用的人体检测采用HC-SR501双探测元的结构。更好的感知人体移动情况。自动模式时首先检测台灯前有人使用点亮台灯，根据光敏电阻采集到的环境亮度信息自动调节台灯亮度，使台灯亮度符合人眼适宜亮度，避免灯光太亮或太暗造成用户用眼疲劳，产生眼睛酸涩、近视等情况。当用户离开后一定时间台灯自动熄灭，避免台灯长时间不用却一直开着浪费电力。人体感应模块的电路的连接图如图5所示。1脚接电源3脚接地，2脚与单片机连接在有人时呈现高电平一般是输出低电平。单片机检测到引脚2为高电平判断出台灯前有人REF_Ref21723\r\h[11]。图5人体检测电路HC-SR501实物图如图6所示：图6HC-SR501实物图3.5按键模块本设计的按键部分根据需求分析要有模式选择按键、亮度增强按键、亮度降低按键。按键一端接地一端接单片机，按键未被按下时连接单片机端引脚默认高电平，当按键被按下时，按键两端的电压被接地端拉低电平。单片机通过读取按键引脚的电压状态获得按键信息REF_Ref22810\r\h[12]。本设计中采用独立键盘，电路设计简单好用按键的连接图7所示。图7按键电路PID闭环控制算法本设计台灯利用PWM脉冲调制技术，通过调节同一周期内台灯亮灭占空比来调节亮度。PWM对高低电平的控制使台灯在固定周期内不断地熄灭点亮，使台灯呈现不同的亮度。通过改变台灯亮灭的占空比使台灯亮度产生变化，达到适宜人眼的亮度。为了使台灯亮度在变化时有一个循序渐进的亮度改变，避免人体眼睛对亮度的变化产生不适，加入PID闭环控制，以环境亮度为反馈量，通过减小预先设置的人眼适宜环境亮度与当前环境亮度之间的误差，使误差缓慢减小，直到达到人眼最佳的亮度条件。4.1PID算法简介PID控制是将一个物理量通过计算保持稳定的一种算法，目标值和实际输出量之间的差值就是系统中要控制的误差。是系统设定的目标量，是实际值，它们的差值就是系统误差，用公式表示为：。将误差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量REF_Ref27687\r\h[16,17]。PID控制规律为式（1）（1）运用公式减小目标量与实际物理量的误差，使要控制的物理量稳定的达到目标值。4.2算法控制流程分析在台灯亮度调节中，以环境亮度为反馈量，通过不断比较环境亮度和预先设定的环境理想亮度比较，使台灯亮度逐渐变化达到适宜人眼的亮度。台灯当前亮度与理想亮度在调节过程中存在误差，P比例控制的作用是将想要控制的物理量快速带到目标值附近是一种最简单的控制方式。台灯过暗时让台灯缓慢增加亮度。台灯过亮时让台灯稍微减少亮度；有了P的调节之后，台灯亮度会在设定的目标值上下来回变动，忽明忽暗。无法稳定在当前设置的理想亮度值上。这时需要一个控制作用在台灯有变暗的趋势时让台灯增加亮度，在台灯有变亮的趋势时再让它稍微减少亮度。在前面比例控制时台灯亮度由当前值快速变化到理想值附近。微分控制D的作用是台灯亮度在理想亮度值附近来回变动。这时台灯亮度控制还算稳定，但是仍然与理想的亮度之间存在较小的误差，在误差调节过程中PD控制在误差发生偏离前提前抑制误差控制使其为零或者为负值，避免台灯亮度在调节过程中调节过度。因为在接近目标值的调节过程P的控制作用就不太明显了。越接近目标，P的作用越不明显。台灯亮度在变化过程中会受到很多因素的影响，这时控制量发生小范围的摆动。D的作用就是让物理量的速度趋于零，当被控制的物理量发生变化时，D就控制这个物理量向相反的方向变化，控制物理量的变化使得它向理想值靠近；比例控制和微分控制使台灯亮度在理想值变化，但在台灯亮度刚开始靠近理想值时，在P的作用下缓缓靠近，但是环境亮度也在变化，微分控制察觉不到这个变化，使得台灯亮度一直在理想值上下波动，无法达到设定的理想值。这时就需要用到积分控制I，台灯亮度在接近目标值时误差很小系统不易察觉，此时积分的作用是对偏差进行一次又一次的积分，将偏差进行累加作用，直到系统察觉到误差再次对偏差进行调节反应在调节力度上，这样，随着一次次积分，积分量不断增加，系统意识到台灯亮度还没有达到目标值，就会继续工作，积分控制的作用是减小静态情况下的误差，使被控量尽可能接近目标值。5.系统主程序设计本设计的软件流程图如图8所示，S1为模式选择、S2为亮度降低按键、S3为亮度增强按键。台灯通电之后，首先单片机判断S1有没有被按下。是的话切换台灯亮度的控制方式，同时根据不同控制方式选择模式指示灯的亮灭。指示灯亮提示用户当前是自动模式，指示灯灭提示用户当前是手动模式。由于本设计中采用的机械键盘在按的过程中会发生抖动，电平状态不稳定，在按键按下时会延迟一段时间等待按键的下一次状态。单片机读取模式选择按键的电平状态判断当前处于何种控制方式，进行相应的操作。自动控制时，台灯前如果有人，传感器会给单片机一个高电平。然后单片机读取经AD芯片转换后的当前环境亮度信息，该值为环境亮度的实际值，单片机通过PWM