《基于单片机的多功能台灯的设计》5500字

基于单片机的多功能台灯的设计目录TOC\o"1-2"\h\u12581基于单片机的多功能台灯的设计 110444摘要 37073引言 3126001.研究的背景及发展历程 3296591.1研究的背景 3308881.2台灯的发展历程 4162102.系统总体设计方案 5313782.1系统概述和框图 5122352.2调光方式 6238483.系统硬件设计 6102783.1单片机控制模块和最小系统 6244113.2光照强度检测模块 7319663.3模数转换模块 8306853.4红外人体感应模块 8300723.5照明模块 9136533.6按键输入模块 10323583.7姿势矫正模块 10125823.8蜂鸣器报警模块 11141384.系统软件设计 1112662 1299975.硬件组合与调试 13154445.1元件的焊接与组装 13290675.2系统的调试 13115696.总结 14摘要：我们的日常工作和学习过程中都会用到台灯，它是我们生活中一个不可缺少的物件。然而，普通台灯使用的光源大多是白炽灯，而且灯光亮度是不能随意调节的。人在长时间使用这种台灯的情况下，不仅浪费电力，而且有损眼睛视力。因此本文提出一种多功能台灯系统设计，该系统是以STC89C52单片机为主控芯片，配合光照强度检测模块、红外感应模块、照明模块等来实现我们需要的功能。同时，当感应到人体距离桌面过近时，台灯会发出警报声，提醒人们注意坐姿。该设计一方面可以实现节约电能的目的，另一方面也可以纠正坐姿以预防近视。关键词：单片机；多功能台灯；光敏电阻；人体红外感应KeyWords:Singlechip;Multifunctionaltablelamp;Lightdependentresistors;Humanbodyinfraredsensor引言人类历史一直是一个不断发展的过程。回顾历史，唐朝开元盛世，万国来贺，但是到了清朝却闭关锁国，而此时的西方国家却已经通过工业革命，步入了电气时代。因为科技上的落后，中国从一个泱泱大国变成了其他国家可欺凌的对象，也因此不得已的进行了长达几十年的斗争。鉴此教训，我们也真正的认识到科学技术是第一生产力这一真理。而随着我国科学技术水平的发展和提高，各种智能产品层出不穷，人民的美好生活也得到了保障。但现今，大量浪费能源却成为人们生活的一个热点问题，通过什么方法来合理配置资源是一个关键问题。为了有效改善能源浪费这个问题，我们应以身作则，从生活中的细微之处入手，来节约能源。生活中的普通台灯使用的光源大多是白炽灯，而且灯光亮度是不能随意调节的。这种台灯不仅浪费电力，而且有损视力。所以，开发多功能台灯也顺应了时代的需求。1.研究的背景及发展历程1.1研究的背景电能在人类社会进步与历史发展过程中起着重要推动作用，它极大地改善了人们的居住环境和生活条件，提高了社会生产的效率。但是，随着信息科技的飞速发展，我国国民经济的发展也需要越来越多的能源供应，电力供应短缺的问题也日益凸出。究其原因，除了电力能源建设短缺外，电力能源利用率低和电力能源的浪费也是造成我国电力短缺的一个重要原因。由于电力能源利用率低，我国每年大约有2000亿千瓦时的巨大电力浪费。面对严重的能源浪费现象，我们应该响应从生活的各个方面节约电能的号召。另一方面，近年来，青少年近视眼患者发病率逐年增加，根据国家卫生委员会发布的相关数据统计来看，2018年我青少年近视人数超过青少年总人数的一半，我国儿童和青少年整体近视率为53.6%，而且到2021年这几年间近视率还在不断攀升。并且近视患者的年龄也呈越来越年轻化的趋势，近视防控的任务迫在眉睫。在人们的认知中，近视可能只是“看不清远处”。但是实际上，近视还存在着许多潜在的危害，这将会给我们的生活带来更加严重的影响。甚至高度近视还极有可能会导致失明，严重威胁人们的正常生活和视觉健康。目前，近视眼仍是世界性医学难题，尚无安全有效又无风险的治疗手段。因此我们更应该重视预防近视这一方面，养成一个好习惯。比如，在学习时，应选择适合自己的台灯，不要在太亮和太暗的光线下学习，注意自己的坐姿，并与桌子保持一定的距离，这样才能够有效的预防近视，使我们青少年能有一个良好的视觉。1.2台灯的发展历程台灯其实是以古代的烛台为原型设计的，它的发展可以分为三代，第一代就是用的普通的白炽灯为光源，添加开关来控制台灯的亮灭，但是这种白炽灯的寿命比较短、来回开关次数多了以后灯光就会变暗。而且由于需要手动开关灯，但是往往会有很多人出门时忘记关灯而造成浪费。第二代台灯则是用电子整流器代替了原来的普通整流器，而且在开关部分使用了光控开关，不仅达到了护眼的目的而且实现了白天关闭和晚上开启的功能。第三代台灯则是LED台灯，使用LED作为光源使得台灯的能耗变低、光效比较好、使用寿命更加长久，而且在原来的基础上表现的更加智能，即能通过感应台灯附近是否有人来实现自动开关灯，这也使得台灯更加省电和环保。但是市场上的智能台灯普遍较贵，这也使得智能台灯的发展受到了一些限制[1]。本设计是一款多功能智能台灯，该台灯能够通过感应周围是否有人以及周围环境中光照强度的变化来实现自动开关灯和调节亮度，而且能够在人体距离桌面过近时发出警报声，来提醒人注意矫正坐姿。同时，该台灯也能够手动控制开关灯。在完整的设计完成，制作出来后该系统设计能够达到节约电力、纠正坐姿和预防眼睛近视的良好效果。2.系统总体设计方案2.1系统概述和框图照明设备STC89C52单片机按键模块照明设备STC89C52单片机按键模块报警模块光照强度检测模块报警模块光照强度检测模块模式指示灯模式指示灯电源模块电源模块障碍测量人体感应模块障碍测量人体感应模块图1系统框图该台灯控制系统以STC89C52为核心，配合其他控制模块来完成我所预计的功能[2]。具体模块如上图1所示。该系统主要是通过光敏电阻来感应环境中的光照强度，通过热释电红外人体感应模块来感应周围是否有人，然后通过一个模数转换芯片将模拟量转换为数字量，然后把数据发送到到单片机内进行分析。可以通过向单片机内写入程序来控制灯光的亮度[3]。该系统不仅易于操作、可靠性高，并且更加的节能环保，符合当代社会发展的需求。系统的原理图如图2。图2原理图2.2调光方式在本设计中对LED灯源的调光主要是通过调节灯源中的正向电流来控制LED灯光的强弱。同时，由于电流的变化会使灯源发生色彩漂移，所以我们要尽量避免电流的变化过于频繁和幅度上下相差过大。PWM原理就可以达到此要求。脉冲宽度调制(PWM)具体是指通过控制PWM占空比来控制电流的大小，以此调节灯光亮度。同时在此过程中，不能改变PWM方波周期[4]。3.系统硬件设计3.1单片机控制模块和最小系统在该台灯系统中我用STC89C52单片机为其控制核心，这个单片机的主要特点是耗能低，体积小，高性能，并且更重要的是相对于51单片机来说这个单片机具有更多的功能。该单片机具有8K字节的FLASH、512字节RAM、32位I/O口线、3个定时器、1个UART、8个中断源等[5-7]。所以这样来说选用这款单片机作为控制核心比较符合我对本设计的要求。其中STC89C52单片机最小系统主要包括三方面：电源电路、晶振电路和复位电路。电源电路主要就是为整个系统进行供电，晶振电路的主要作用是提供一个方波信号来使单片机进行正常的工作，复位电路是用于初始化过程，在单片机受到其它干扰而出错的时候，通过复位来重新执行代码重新工作。STC89C52单片机的最小系统如下图3所示。图3单片机最小系统3.2光照强度检测模块3.2.1光敏电阻概述光敏电阻其实就是一个阻值随着光照强度变化而变化的一个元器件，光照强度越高，阻值越小，然后流过电阻的电流就会增加。相反，光照强度越低，阻值越大，同时流过电阻的电流就会降低。同时由于这个元器件对光线的感应比较敏感，所以它又被称为光导探测器。制造光敏电阻的材料大都是一些半导体，同时为了增加它的耐性，使其使用时间更长，通常在光敏电阻的表面涂有防潮材料[8]。在本设计中主要就是利用光敏电阻的阻值随光照强度变化的这一特性来感应环境光照。当光敏电阻感受到的光照强度不同时，流过该电阻的电流也就不同，同时单片机接收到的数据也就不同，这些数据经过单片机的判定之后，单片机向外发出指令来决定台灯灯光的亮度，这样就实现了对灯光的基本控制。3.2.2光照强度采集电路采集光照强度的工作主要是由光敏电阻来完成，然后ADC0832这个模块对采集到的光照强度信息进行处理和分析，使其转换为不同的电压，最终把信号传输到单片机中进行分析判断，然后对当前的情况做出反应。3.3模数转换模块在现如今的电子市场中，有很多种类的模数转换器，并且模数转换的方式一般都是使用模数转换器或者是模数转换芯片。在经过对一些模数转换器的对比和查阅相关资料之后，在本设计中我选择了使用ADC0832模数转换器。这款产品的一些物理特点主要有：转换速度快、误差小、抗腐蚀能力强、体积小等。在使用时的特点主要有：8位分辨率、双通道转换、输入输出电平与TTL/CMOS相兼容、A/D转换的时间很快等[9]。3.4红外人体感应模块3.4.1热释电红外传感器概述因为热释电红外传感器的工作方式主要是基于热电效应，所以制造热释电红外传感器的材料主要是一些高热电系数的材料。这款传感器的优点主要有：它的本身不产生任何类型的辐射、耗能很低、并且价格较低等，这些都符合本设计的需求。但是它的缺点也很明显，就是红外穿透能力比较弱工作的时候不能隔太多障碍物、还有就是人体散发出的红外辐射很容易被遮挡，红外探头检测不到。但是这个红外感应模块中装有一个菲涅尔透镜，它可以使接近于人体辐射的波通过，滤除非人体散发出的辐射，使人体散发出的辐射更加明显，方便红外探头的检测，以此来提高检测的准确度[10]。3.4.2HC-SR501模块简介HC-SR501是一款基于红外技术的控制模块，使用的是型号为LHI778的德国产的红外探头。其主要优点是工作时使用的电压很低、稳定性强、检测的灵敏度比较好。所以在目前的一些自动设备上能经常见到这款控制模块的出现，特别是一些使用干电池作为供电的一些产品更能经常用到。当有人进入感应范围时，输入高电平；当人离开感应范围时，高电平会自动关闭，并延迟输出，这样可以做到对台灯附近的情况进行基本的一个判断。3.4.3红外人体检测电路在本设计中，红外传感器是非常重要的一个感应传感器，它可以检测周围环境情况然后给控制模块反馈，控制模块以此来完成对灯光的控制。红外检测电路图如图4所示。引脚2和单片机的I/O口P22连接，当模块感应到有人时，引脚2输出高电平，通常输出低电平[11]。图4红外人体检测电路3.5照明模块目前随着灯光、灯源等方面的不断发展，越来越多形式的灯源也被生产了出来，在本设计中为了环保和节约费用考虑，我选择了常见并且适用范围广泛的LED灯源，LED灯源使用起来耗能比较低,使用寿命很长并且不容易损坏，特别是在本设计中来说会频繁的开关台灯，所以LED灯源就更加适合了。本设计采用的是USB小灯，该小灯的内部构造如下图。LED灯发光的原理是在通电后，电流在半导体的P区与电子和空穴结合，最后以光的形式呈现出来。因此需要PNP三极管来驱动电路，单片机输出一个低电平信号时可点亮LED灯[12]。照明电路如下图5所示。图5照明电路3.6按键输入模块键盘是人与单片机连接的渠道，用来调节台灯的亮度和控制模式。同时在目前来看，按键模块按不同的操作原理主要分为两大种类型，一种是编码式按键模块、另一种就是非编码式按键模块。由于编码式的按键模块比较贵，使用成本比较高并且使用起来没有非编码式的使用起来灵活，所以综合考虑之下我选择了非编码式的按键模块[13]。而本设计中只使用三个按键，实现的分别是“模式切换”、“亮度降低”和“亮度增加”的功能，所以我选择使用的是独立式的按键，这样一来操作就比较方便还能节约设计成本。按键电路如图6所示。图6按键输入模块电路3.7姿势矫正模块图7障碍检测电路障碍物的检测通过光电传感器来实现，当检测到有障碍物，它将输出低电平。该模块如上图7所示。3.8蜂鸣器报警模块本设计选用的蜂鸣器为有源蜂鸣器，即通电就可以发声，因此单片机只要输出高（或低）电平即可，不需要来控制驱动，这样一来这一部分程序的设计就会变的比较简单一点。但是有一点，一般蜂鸣器工作时需要的电流会比单片机通过I/O口向外输出的电流要大，所以我们需要用一个三极管来放大输出的电流以满足蜂鸣器的需要，同时，因为选用的是PNP形式的三极管，所以在刚开始供电的时候蜂鸣器并不会发出报警。蜂鸣器电路如图8所示。图8蜂鸣器电路系统软件设计在硬件模块设计完成后，需要对各个模块编写程序来配合系统完成工作，程序关系着系统设计能否成功，只有将程序写好才能使系统按着自己的意愿去完成工作。该系统程序采用C语言编写，并应用于整个系统[14]。本设计分为自动模式和手动模式两种方式。在自动模式下，需要通过光敏电阻来感知环境中的光强，然后通过热释电人体红外传感器来感应周围是否有人并结合以上两种情况来实现自动开关灯和自动调节亮度。而在手动模式下，则直接通过按键来对台灯进行控制调节。主程序流程图如下图9所示。图9主函数流程图5.硬件组合与调试5.1元件的焊接与组装根据以上设计好的硬件和选择好的元器件，我们就可以对整个系统进行组装焊接了，注意，在焊接元器件前，要测试所用元器件是否