單片機開發(fā)
智能書房燈系統(tǒng)設計
基于單片機的智能書房燈系統(tǒng)設計
在當前社會中，學生的學習任務繁重，每天他們都會有很長一段時間與書桌、書本為伴，當夜幕降臨時，當陰天光線不足時，他們就需要一盞合適的臺燈。這盞燈有著合適的亮度，能夠保護他們的視力，當他們在認真學習時不用再去關注燈光是否合適；當他們有事離開忘記關燈時，燈會自動關閉。固此，我們需要有一盞智能化的臺燈，來幫助孩子們更好更舒適地學習。
時代在不斷進步，同時科學技術和人民生活水平也在不斷進步，人們對于生活品質的要求也在不斷提升，智能化是提升生活品質的重要手段，成為趨勢已成必然。早在幾年前，國外就已經(jīng)開始了智能光控的研發(fā)和應用，國內也出現(xiàn)了不少智能控制的臺燈，但是人們的要求在不斷提高，設計也需要不斷調整優(yōu)化。本設計不僅考慮到智能調光，還考慮到了人離開忘記關燈的情況，進一步優(yōu)化設計，起到節(jié)約能源的目的。
一、智能書房燈系統(tǒng)設計的目標和設計框圖
1、設計任務
單片機的智能書房燈系統(tǒng)，能夠實時檢測當前書房中的光線亮度、有無人在書房中。
2、設計要求
光敏模塊采集書房中的光線亮度，人體感應模塊采集有無人員在書房中，單片機控制系統(tǒng)接收這兩種信號，并與提前設置好的閾值做對比，發(fā)出控制信號控制書房燈的亮滅，同時單片機通過調節(jié)PWM秒沖，達到調光控制燈光的亮度。
3、設計框圖
設計思路：傳感器信息采集→傳感器信息處理→單片機控制。本設計主要由單片機控制模塊、人體感應模塊、光敏模塊、繼電器模塊、LED照明模塊構成，結構框圖如圖1所示。
二、智能書房燈系統(tǒng)硬件設計
本設計是以STC89C52單片機為控制核心的智能書房燈設計。該系統(tǒng)分自動模式和手動模式。
1、STC89C52單片機主控模塊設計
單片機控制模塊由主控芯片STC89C52為核心，復位電路和時鐘電路組成的最小控制系統(tǒng)構成。STC89C52單片機是一種低電壓、高性能、8位CMOS微處理器，可以擦寫達幾萬次以上，具有編程簡單，價格便宜，使用方便等優(yōu)點。本設計采用上電復位和12MHz晶振的時鐘電路組成最小系統(tǒng)，具體電路如圖2所示。
光敏電路模塊：AD8217輸入端通過采集GR1端電壓，進行A/D轉換，將轉換結果通過其OUT口發(fā)送給單片機P2.7口，從而完成對于室內光線亮度的采集；紅外熱釋電人體感應：采集紅外線感應器的高低電平情況，將結果發(fā)送給單片機P1.3口，從而完成對于有無人判斷；繼電器控制模塊：單片機P1.0端口控制繼電器，從而實現(xiàn)對于書房燈的自動化控制。
2、人體感應模塊設計
人體感應模塊主要功能是檢測是否有人存在，采用人體紅外傳感器HC-SR501，它具有靈敏度高、響應速度快、穩(wěn)定性好、使用壽命長等優(yōu)點，有數(shù)字輸出接口與主控芯片連接，檢測波長為10μm，因為正常人體會發(fā)出大概為10μm左右的紅外線。當檢測到該波長的紅外線時（即人進入其感應范圍）則輸出高電平，當未檢測該波長的紅外線時（即人離開感應范圍）則自動延時關閉高電平，輸出低電平。
3、光敏模塊設計
光敏電阻GR1是一種對光線強度比較敏感的元器件，不同的光線照射在該元件上會產生不同的阻值。亮度強，阻值就愈低，隨著亮度的升高，電阻值不斷變小至1kΩ以下。當光線亮度變大，其電阻值會變小，此時GR1端的電壓值會變低，通過ADC采集GR1端電壓，然后將輸出信號發(fā)送到單片機，由單片機進行判斷亮度所處的范圍，從而調整書房燈亮度。
4、LED照明模塊設計
LED照明模塊的亮度調節(jié)采用PWM調光技術自動調節(jié)。PWM調光方式的原理是單片機輸出具有一定占空比的數(shù)字脈沖信號控制驅動器，使驅動器按照設置的頻率工作，以此控制開關速度，從而實現(xiàn)對LED平均電流控制，達到調光的效果。
三、智能書房燈系統(tǒng)軟件設計
軟件設計思路：（1）系統(tǒng)具有兩種工作模式：手動模式、自動模式；（2）單片機控制模塊識別外部傳感器信號；（3）通過單片機編程產生簡單的數(shù)字脈沖信號（即PWM脈沖信號），實現(xiàn)調節(jié)LED燈的亮度變化。系統(tǒng)的手動、自動模式通過按鍵進行切換。當系統(tǒng)進入自動模式時，繼電器自動控制打開電源開關，通過紅外檢測是否有人，通過光敏電阻檢測亮度，當紅外檢測有人時點亮小燈，根據(jù)光敏檢測的亮度進行調整小燈的亮度；若紅外檢測沒人，則小燈等待一定時間后熄滅。
四、智能書房燈系統(tǒng)實現(xiàn)與結果
本設計設有手動和自動兩種模式，所有調試也將分別根據(jù)這兩種模式進行。
1、手動模式
在系統(tǒng)上電后，按下手動模式開關，進入手動模式。手動模式提前設置了幾個PWM脈沖占空比，通過按鍵次數(shù)設置不同的占空比，從而控制臺燈的亮度。手動模式?jīng)]有涉及到傳感器的應用，只應用了LED小燈照明系統(tǒng)，程序簡單，測試比較成功。
2、自動模式
在系統(tǒng)上電后，按下自動模式開關，進入自動模式。
（1）不同亮度調試：在測試自動模式時，為了使測試現(xiàn)象更為明顯，通過使用不同的遮光布掩蓋在光敏傳感器上，使得其獲得不同的亮度，LED臺燈隨著檢測到的不同亮度，能進行亮度的調整，調試成功。
（2）有無人的測試：系統(tǒng)啟動后，燈亮，檢測人員離開檢測范圍，達到設定時間仍未返回，則LED燈自動熄滅；系統(tǒng)啟動后，燈亮，檢測人員離開檢測范圍，達到設定時間，返回至檢測范圍，LED燈正常運行。通過上述測試，確認系統(tǒng)可以完成預期的目標，即可以手動調整燈的亮度，也可以通過自動方式控制燈的亮度，以及及時關閉電源，既保護了眼睛，又可以及時關燈，節(jié)約了電能。
總結
本文設計方案基本只是在原理層面上的設計，在仿真軟件中測試，仿真中的元器件以及環(huán)境都是理想的環(huán)境，沒有什么大的干擾，電路的工作狀態(tài)可以達到理論分析的效果。后續(xù)將進一步從實際情況完善本文所提方案。按照本文設計的方案，將設計做成實物，在各類環(huán)境中進行測試，找出該方案在不同環(huán)境下的問題，并進行優(yōu)化，將該方案最終達到最優(yōu)設計。
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