基于单片机系统的视力保护智能台灯设计

戴忠祥

（江苏大学京江学院，江苏镇江，212013）

0 引言

智能家居的目标是为人类提供一个安全、舒适、高效和方便的生活环境。随着社会科技水平的不断发展，智能家居产业在互联网影响下呈现物联化的发展趋势，日益受到研发人员的关注。其中，绿色环保照明研究成为照明设施研发的重要方向。现有的台灯虽能满足基本的照明要求，但无法根据周围环境科学地调整适合学习和工作的光照强度，随着人们用眼量的不断增加，越来越多的人饱受视力下降的困扰[1]，因此研制一种自动化程度高、能实现自动调光、保护视力的智能台灯显得尤为必要。

发光二极管（LED）是距今为止电光转换效率最高的发光材料，采用LED 作为光源的照明设备已广泛应用于各行各业，正逐步替代传统光源照明设备。它具有高效节能、发热量低、体积微小、经久耐用、响应快速和低压安全等优点[2]。本文采用柔光LED 作为光源器件，设计一款集自动调节光强、声控启动、红外测距、测温和屏显等功能为一体的视力保护智能LED 台灯，以满足用户的日常照明需求。

Arduino 是一款基于AVR 单片机的硬件电路和软件开发环境共同开源的控制系统，它可提供交互式编程学习媒介，是为嵌入式开发学习而研发的一种控制终端[3]。Arduino 平台由硬件（微处理器系统、Arduino 电路板等）和软件（编程语言Arduino IDE）两部分组成，Arduino编程软件与 java、C 语言等程序开发环境类似，可使用 Arduino 语言与多种软件进行跨平台互动和融合，并可以在Windows、Linux 等操作系统上运行，具有良好的兼容性。

1 台灯系统总体介绍

台灯基于Arduino 开源电子原型平台，利用子系统模块设计开发了自动调光、声控启动、红外测距、测温和屏显等功能模块，框架如图1 所示。其中包括七个模块：（1）柔光LED 照明模块；（2）光强采集模块，光敏电阻传感器采集光强信息，转换为模拟电信号输出；（3）台灯光照强度的手动调光则由电位器完成，调节旋钮即可改变光强；（4）声控传感模块，黑暗环境下通过声音强度来开启台灯电源；（5）手动和自动模式切换，由电容型的触摸传感器实现，触摸一次台灯则工作模式自动切换；（6）红外测距模块，能自主发射和接收特征频率的红外线并检测距离，并附带提示音功能；（7）周围环境温度信号采集由LM35 温度传感器完成，直接输出对应的电平模拟压值，程序处理后在LCD1602 液晶显示屏上显示。

图1

2 电路各模块设计及说明

■2.1 自动调光电路

半导体材料受到光照时，若入射光子能量大于半导体材料的禁带宽度，就会产生电子空穴对，被光激发所产生的载流子留在材料内部，使器件的电阻率变小的现象称为内光电效应。依据内光电效应制作而成的光敏电阻传感器，受到光照时，光照越强，阻值越低。入射光消失，电子空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值。通过阻值的变化来改变电压，最终实现调节光强的目的。

在自动调光模式下，光敏电阻优先检测环境原始光强。为使光强达到最适合人眼的光照强度，通过调节对应的模拟电压值，运行自动调光子程序，使得光敏电阻传感器采集的环境光强信号与LED 的亮度之和保持为设定光强，即可达到自动调光的目的。当环境光强小于此设定值时，LED 的亮度随环境光照强度的减弱而增加，以自动补偿缺失的光强。

■2.2 手动调光电路

传统的电位器主要是依靠机械结构带动滑片运动来改变电阻值，进而改变分压比率，达到调节LED 亮度的目的。此模式下，可根据用户需求自行定义，随意调节LED 的亮度，不受环境光照强度的限制。

■2.3 声控传感模块

声控传感器内无接触点，在特定环境光线下采用声响效果激发拾音器进行声电转换来控制用电器的开启，广泛应用于智能家居设备中，用户可以通过声音对家庭设备进行遥控。该声音传感器可检测周围环境的声音强度。此模式下，若未开手动模式，方便用户在黑暗环境下临时使用。通过调节声音感应器灵敏度，识别声音，且输出形式为数字开关输出（0 或1）。环境声音的强度小于设定的阈值时，D0 口输出高电平1，经非门转换后最终输出低电平0。反之，环境声音强度超过设定阈值时，最终输出高电平1，以开启台灯。

■2.4 红外测距模块

为防止台灯使用者距离太近或坐姿不正，降低近视概率，添加红外测距模块，它能自主发射和接收特征频率的红外线，若检测距离小于设定值时，传感器发出蜂鸣实时提示音，以提醒使用者调节距离和调整坐姿。本设计选用2Y0A21 红外测距传感器模块连接到单片机中，该传感器的可调感应距离范围约为10～80cm，亦可设置程序参数自主调节感应距离。

■2.5 温度检测模块

LM35 是一款Celsius 集成温度传感器，能精确地将温度转换为电压的线性关系输出[4]。输出信号可以分为模拟电压信号和数字电压信号两种形式。当单片机与温度传感器通信时，通过一个上拉电阻连接，这样单片机和温度芯片都能够识别高低电平。可精确感知并实时通过液晶显示台灯周围环境的温度，以提高台灯安全系数，直观方便。

■2.6 液晶显示模块

LCD1602 为液晶显示芯片，为工业字符型LED，具有体积小、功耗低、显示容量大、接口简单、稳定耐久，方便显示字母、数字、符号等优点，可同时显示32 个字符。运用液晶的物理性质，通过电压来控制它的显示区域和图形。LCD1602 与单片机之间的接线相对简单，LCD1602 由若干5×7（或5×11）点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个独立字符。为方便显示，分割字符和线条，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也保持间距。1602 代表2行16 个字符，采用标准的16 脚接口，第1 引脚GND 为电源地；第2 引脚VCC 接电源（+5V）；第3 引脚V0 为对比度调节；第4 引脚RS 可实现输入模式（0 输入指令，1 输入数据）；第5 引脚RW 为输入读写模式（0 为写入LCD，1 从LCD 读取）；第6 引脚H，为输入使能信号；第7-14引脚连接数据总线实现输入输出功能；第15 引脚LCA 接LCD 背光电源正极；第16 引脚LCB 接LCD 背光电源负极[5]。

■2.7 硬件电路设计

智能台灯控制系统的硬件电路主要有单片机控制电路、光强检测电路、声音检测电路、温度显示电路组合，如图2所示。用电容、晶振设计晶振电路来设定电路的周期并与单片机的XTAL1、XTAL2 的端口相连。用电阻、电容、按键的结合，设定了复位电路，与单片机的RST 端口相连。采用20 个LED 作为发光源并采用并联方式。P0.0—P0.7作为液晶显示器1602 的数据接口，P2.0—P2.2 分别连接1602 的数据或命令选择端，RW 为读写端，H 为使能端。P3.4 为信号的输出端，用于调光控制。S8 为亮度调节键，S9 为模式调节键。

图2

3 软件设计

■3.1 自动调光子程序

■3.2 手动调光子程序

4 设备功能及实现

工作状态下，可轻触触摸传感器切换当前台灯的工作模式。若为手动模式，无论环境光强大小和声音强弱，均可由手动按钮开关打开台灯总电源，通过电位器调节台灯亮度；自动模式下，可通过声音传感器来打开电源，根据环境光强能自动调光。距离太近触发传感器发出蜂鸣实时提示音，LCD1602 液晶显示屏显示当前环境温度。

5 结语

本台灯基于Arduino 开源电子原型平台，以光敏电阻传感器为辅助器件，提出了一种自动调节台灯光强的新思路，该系统能直接通过软件对光强信号进行设置和调节，达到自动调光目的，以增加人眼的舒适性。以各种传感器作为扩展功能模块，实现声控启动、红外测距、测温显示等功能，使台灯更加智能化。根据个人需求，增加手动调光功能，通过电位器的分压以达到控制LED 亮度的效果。本智能台灯经过多次调试和改进后，总体设计具有安全可靠，设计简单，节能环保等特点，具有一定的实用性。