《基于單片機(jī)的多功能臺(tái)燈的設(shè)計(jì)》5500字

基于單片機(jī)的多功能臺(tái)燈的設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-2"\h\u12581基于單片機(jī)的多功能臺(tái)燈的設(shè)計(jì) 110444摘要 37073引言 3126001.研究的背景及發(fā)展歷程 3296591.1研究的背景 3308881.2臺(tái)燈的發(fā)展歷程 4162102.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 5313782.1系統(tǒng)概述和框圖 5122352.2調(diào)光方式 6238483.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 6102783.1單片機(jī)控制模塊和最小系統(tǒng) 6244113.2光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊 7319663.3模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 8306853.4紅外人體感應(yīng)模塊 8300723.5照明模塊 9136533.6按鍵輸入模塊 10323583.7姿勢(shì)矯正模塊 10125823.8蜂鳴器報(bào)警模塊 11141384.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 1112662 1299975.硬件組合與調(diào)試 13154445.1元件的焊接與組裝 13290675.2系統(tǒng)的調(diào)試 13115696.總結(jié) 14摘要：我們的日常工作和學(xué)習(xí)過(guò)程中都會(huì)用到臺(tái)燈，它是我們生活中一個(gè)不可缺少的物件。然而，普通臺(tái)燈使用的光源大多是白熾燈，而且燈光亮度是不能隨意調(diào)節(jié)的。人在長(zhǎng)時(shí)間使用這種臺(tái)燈的情況下，不僅浪費(fèi)電力，而且有損眼睛視力。因此本文提出一種多功能臺(tái)燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)是以STC89C52單片機(jī)為主控芯片，配合光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊、紅外感應(yīng)模塊、照明模塊等來(lái)實(shí)現(xiàn)我們需要的功能。同時(shí)，當(dāng)感應(yīng)到人體距離桌面過(guò)近時(shí)，臺(tái)燈會(huì)發(fā)出警報(bào)聲，提醒人們注意坐姿。該設(shè)計(jì)一方面可以實(shí)現(xiàn)節(jié)約電能的目的，另一方面也可以糾正坐姿以預(yù)防近視。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；多功能臺(tái)燈；光敏電阻；人體紅外感應(yīng)KeyWords:Singlechip;Multifunctionaltablelamp;Lightdependentresistors;Humanbodyinfraredsensor引言人類(lèi)歷史一直是一個(gè)不斷發(fā)展的過(guò)程?；仡櫄v史，唐朝開(kāi)元盛世，萬(wàn)國(guó)來(lái)賀，但是到了清朝卻閉關(guān)鎖國(guó)，而此時(shí)的西方國(guó)家卻已經(jīng)通過(guò)工業(yè)革命，步入了電氣時(shí)代。因?yàn)榭萍忌系穆浜?，中?guó)從一個(gè)泱泱大國(guó)變成了其他國(guó)家可欺凌的對(duì)象，也因此不得已的進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)幾十年的斗爭(zhēng)。鑒此教訓(xùn)，我們也真正的認(rèn)識(shí)到科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力這一真理。而隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展和提高，各種智能產(chǎn)品層出不窮，人民的美好生活也得到了保障。但現(xiàn)今，大量浪費(fèi)能源卻成為人們生活的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，通過(guò)什么方法來(lái)合理配置資源是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。為了有效改善能源浪費(fèi)這個(gè)問(wèn)題，我們應(yīng)以身作則，從生活中的細(xì)微之處入手，來(lái)節(jié)約能源。生活中的普通臺(tái)燈使用的光源大多是白熾燈，而且燈光亮度是不能隨意調(diào)節(jié)的。這種臺(tái)燈不僅浪費(fèi)電力，而且有損視力。所以，開(kāi)發(fā)多功能臺(tái)燈也順應(yīng)了時(shí)代的需求。1.研究的背景及發(fā)展歷程1.1研究的背景電能在人類(lèi)社會(huì)進(jìn)步與歷史發(fā)展過(guò)程中起著重要推動(dòng)作用，它極大地改善了人們的居住環(huán)境和生活條件，提高了社會(huì)生產(chǎn)的效率。但是，隨著信息科技的飛速發(fā)展，我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也需要越來(lái)越多的能源供應(yīng)，電力供應(yīng)短缺的問(wèn)題也日益凸出。究其原因，除了電力能源建設(shè)短缺外，電力能源利用率低和電力能源的浪費(fèi)也是造成我國(guó)電力短缺的一個(gè)重要原因。由于電力能源利用率低，我國(guó)每年大約有2000億千瓦時(shí)的巨大電力浪費(fèi)。面對(duì)嚴(yán)重的能源浪費(fèi)現(xiàn)象，我們應(yīng)該響應(yīng)從生活的各個(gè)方面節(jié)約電能的號(hào)召。另一方面，近年來(lái)，青少年近視眼患者發(fā)病率逐年增加，根據(jù)國(guó)家衛(wèi)生委員會(huì)發(fā)布的相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來(lái)看，2018年我青少年近視人數(shù)超過(guò)青少年總?cè)藬?shù)的一半，我國(guó)兒童和青少年整體近視率為53.6%，而且到2021年這幾年間近視率還在不斷攀升。并且近視患者的年齡也呈越來(lái)越年輕化的趨勢(shì)，近視防控的任務(wù)迫在眉睫。在人們的認(rèn)知中，近視可能只是“看不清遠(yuǎn)處”。但是實(shí)際上，近視還存在著許多潛在的危害，這將會(huì)給我們的生活帶來(lái)更加嚴(yán)重的影響。甚至高度近視還極有可能會(huì)導(dǎo)致失明，嚴(yán)重威脅人們的正常生活和視覺(jué)健康。目前，近視眼仍是世界性醫(yī)學(xué)難題，尚無(wú)安全有效又無(wú)風(fēng)險(xiǎn)的治療手段。因此我們更應(yīng)該重視預(yù)防近視這一方面，養(yǎng)成一個(gè)好習(xí)慣。比如，在學(xué)習(xí)時(shí)，應(yīng)選擇適合自己的臺(tái)燈，不要在太亮和太暗的光線下學(xué)習(xí)，注意自己的坐姿，并與桌子保持一定的距離，這樣才能夠有效的預(yù)防近視，使我們青少年能有一個(gè)良好的視覺(jué)。1.2臺(tái)燈的發(fā)展歷程臺(tái)燈其實(shí)是以古代的燭臺(tái)為原型設(shè)計(jì)的，它的發(fā)展可以分為三代，第一代就是用的普通的白熾燈為光源，添加開(kāi)關(guān)來(lái)控制臺(tái)燈的亮滅，但是這種白熾燈的壽命比較短、來(lái)回開(kāi)關(guān)次數(shù)多了以后燈光就會(huì)變暗。而且由于需要手動(dòng)開(kāi)關(guān)燈，但是往往會(huì)有很多人出門(mén)時(shí)忘記關(guān)燈而造成浪費(fèi)。第二代臺(tái)燈則是用電子整流器代替了原來(lái)的普通整流器，而且在開(kāi)關(guān)部分使用了光控開(kāi)關(guān)，不僅達(dá)到了護(hù)眼的目的而且實(shí)現(xiàn)了白天關(guān)閉和晚上開(kāi)啟的功能。第三代臺(tái)燈則是LED臺(tái)燈，使用LED作為光源使得臺(tái)燈的能耗變低、光效比較好、使用壽命更加長(zhǎng)久，而且在原來(lái)的基礎(chǔ)上表現(xiàn)的更加智能，即能通過(guò)感應(yīng)臺(tái)燈附近是否有人來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)關(guān)燈，這也使得臺(tái)燈更加省電和環(huán)保。但是市場(chǎng)上的智能臺(tái)燈普遍較貴，這也使得智能臺(tái)燈的發(fā)展受到了一些限制[1]。本設(shè)計(jì)是一款多功能智能臺(tái)燈，該臺(tái)燈能夠通過(guò)感應(yīng)周?chē)欠裼腥艘约爸車(chē)h(huán)境中光照強(qiáng)度的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)關(guān)燈和調(diào)節(jié)亮度，而且能夠在人體距離桌面過(guò)近時(shí)發(fā)出警報(bào)聲，來(lái)提醒人注意矯正坐姿。同時(shí)，該臺(tái)燈也能夠手動(dòng)控制開(kāi)關(guān)燈。在完整的設(shè)計(jì)完成，制作出來(lái)后該系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠達(dá)到節(jié)約電力、糾正坐姿和預(yù)防眼睛近視的良好效果。2.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案2.1系統(tǒng)概述和框圖照明設(shè)備STC89C52單片機(jī)按鍵模塊照明設(shè)備STC89C52單片機(jī)按鍵模塊報(bào)警模塊光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊報(bào)警模塊光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊模式指示燈模式指示燈電源模塊電源模塊障礙測(cè)量人體感應(yīng)模塊障礙測(cè)量人體感應(yīng)模塊圖1系統(tǒng)框圖該臺(tái)燈控制系統(tǒng)以STC89C52為核心，配合其他控制模塊來(lái)完成我所預(yù)計(jì)的功能[2]。具體模塊如上圖1所示。該系統(tǒng)主要是通過(guò)光敏電阻來(lái)感應(yīng)環(huán)境中的光照強(qiáng)度，通過(guò)熱釋電紅外人體感應(yīng)模塊來(lái)感應(yīng)周?chē)欠裼腥?，然后通過(guò)一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后把數(shù)據(jù)發(fā)送到到單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行分析。可以通過(guò)向單片機(jī)內(nèi)寫(xiě)入程序來(lái)控制燈光的亮度[3]。該系統(tǒng)不僅易于操作、可靠性高，并且更加的節(jié)能環(huán)保，符合當(dāng)代社會(huì)發(fā)展的需求。系統(tǒng)的原理圖如圖2。圖2原理圖2.2調(diào)光方式在本設(shè)計(jì)中對(duì)LED燈源的調(diào)光主要是通過(guò)調(diào)節(jié)燈源中的正向電流來(lái)控制LED燈光的強(qiáng)弱。同時(shí)，由于電流的變化會(huì)使燈源發(fā)生色彩漂移，所以我們要盡量避免電流的變化過(guò)于頻繁和幅度上下相差過(guò)大。PWM原理就可以達(dá)到此要求。脈沖寬度調(diào)制(PWM)具體是指通過(guò)控制PWM占空比來(lái)控制電流的大小，以此調(diào)節(jié)燈光亮度。同時(shí)在此過(guò)程中，不能改變PWM方波周期[4]。3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)控制模塊和最小系統(tǒng)在該臺(tái)燈系統(tǒng)中我用STC89C52單片機(jī)為其控制核心，這個(gè)單片機(jī)的主要特點(diǎn)是耗能低，體積小，高性能，并且更重要的是相對(duì)于51單片機(jī)來(lái)說(shuō)這個(gè)單片機(jī)具有更多的功能。該單片機(jī)具有8K字節(jié)的FLASH、512字節(jié)RAM、32位I/O口線、3個(gè)定時(shí)器、1個(gè)UART、8個(gè)中斷源等[5-7]。所以這樣來(lái)說(shuō)選用這款單片機(jī)作為控制核心比較符合我對(duì)本設(shè)計(jì)的要求。其中STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)主要包括三方面：電源電路、晶振電路和復(fù)位電路。電源電路主要就是為整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電，晶振電路的主要作用是提供一個(gè)方波信號(hào)來(lái)使單片機(jī)進(jìn)行正常的工作，復(fù)位電路是用于初始化過(guò)程，在單片機(jī)受到其它干擾而出錯(cuò)的時(shí)候，通過(guò)復(fù)位來(lái)重新執(zhí)行代碼重新工作。STC89C52單片機(jī)的最小系統(tǒng)如下圖3所示。圖3單片機(jī)最小系統(tǒng)3.2光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊3.2.1光敏電阻概述光敏電阻其實(shí)就是一個(gè)阻值隨著光照強(qiáng)度變化而變化的一個(gè)元器件，光照強(qiáng)度越高，阻值越小，然后流過(guò)電阻的電流就會(huì)增加。相反，光照強(qiáng)度越低，阻值越大，同時(shí)流過(guò)電阻的電流就會(huì)降低。同時(shí)由于這個(gè)元器件對(duì)光線的感應(yīng)比較敏感，所以它又被稱(chēng)為光導(dǎo)探測(cè)器。制造光敏電阻的材料大都是一些半導(dǎo)體，同時(shí)為了增加它的耐性，使其使用時(shí)間更長(zhǎng)，通常在光敏電阻的表面涂有防潮材料[8]。在本設(shè)計(jì)中主要就是利用光敏電阻的阻值隨光照強(qiáng)度變化的這一特性來(lái)感應(yīng)環(huán)境光照。當(dāng)光敏電阻感受到的光照強(qiáng)度不同時(shí)，流過(guò)該電阻的電流也就不同，同時(shí)單片機(jī)接收到的數(shù)據(jù)也就不同，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)單片機(jī)的判定之后，單片機(jī)向外發(fā)出指令來(lái)決定臺(tái)燈燈光的亮度，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)燈光的基本控制。3.2.2光照強(qiáng)度采集電路采集光照強(qiáng)度的工作主要是由光敏電阻來(lái)完成，然后ADC0832這個(gè)模塊對(duì)采集到的光照強(qiáng)度信息進(jìn)行處理和分析，使其轉(zhuǎn)換為不同的電壓，最終把信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中進(jìn)行分析判斷，然后對(duì)當(dāng)前的情況做出反應(yīng)。3.3模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊在現(xiàn)如今的電子市場(chǎng)中，有很多種類(lèi)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并且模數(shù)轉(zhuǎn)換的方式一般都是使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器或者是模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。在經(jīng)過(guò)對(duì)一些模數(shù)轉(zhuǎn)換器的對(duì)比和查閱相關(guān)資料之后，在本設(shè)計(jì)中我選擇了使用ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器。這款產(chǎn)品的一些物理特點(diǎn)主要有：轉(zhuǎn)換速度快、誤差小、抗腐蝕能力強(qiáng)、體積小等。在使用時(shí)的特點(diǎn)主要有：8位分辨率、雙通道轉(zhuǎn)換、輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容、A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)間很快等[9]。3.4紅外人體感應(yīng)模塊3.4.1熱釋電紅外傳感器概述因?yàn)闊後岆娂t外傳感器的工作方式主要是基于熱電效應(yīng)，所以制造熱釋電紅外傳感器的材料主要是一些高熱電系數(shù)的材料。這款傳感器的優(yōu)點(diǎn)主要有：它的本身不產(chǎn)生任何類(lèi)型的輻射、耗能很低、并且價(jià)格較低等，這些都符合本設(shè)計(jì)的需求。但是它的缺點(diǎn)也很明顯，就是紅外穿透能力比較弱工作的時(shí)候不能隔太多障礙物、還有就是人體散發(fā)出的紅外輻射很容易被遮擋，紅外探頭檢測(cè)不到。但是這個(gè)紅外感應(yīng)模塊中裝有一個(gè)菲涅爾透鏡，它可以使接近于人體輻射的波通過(guò)，濾除非人體散發(fā)出的輻射，使人體散發(fā)出的輻射更加明顯，方便紅外探頭的檢測(cè)，以此來(lái)提高檢測(cè)的準(zhǔn)確度[10]。3.4.2HC-SR501模塊簡(jiǎn)介HC-SR501是一款基于紅外技術(shù)的控制模塊，使用的是型號(hào)為L(zhǎng)HI778的德國(guó)產(chǎn)的紅外探頭。其主要優(yōu)點(diǎn)是工作時(shí)使用的電壓很低、穩(wěn)定性強(qiáng)、檢測(cè)的靈敏度比較好。所以在目前的一些自動(dòng)設(shè)備上能經(jīng)常見(jiàn)到這款控制模塊的出現(xiàn)，特別是一些使用干電池作為供電的一些產(chǎn)品更能經(jīng)常用到。當(dāng)有人進(jìn)入感應(yīng)范圍時(shí)，輸入高電平；當(dāng)人離開(kāi)感應(yīng)范圍時(shí)，高電平會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，并延遲輸出，這樣可以做到對(duì)臺(tái)燈附近的情況進(jìn)行基本的一個(gè)判斷。3.4.3紅外人體檢測(cè)電路在本設(shè)計(jì)中，紅外傳感器是非常重要的一個(gè)感應(yīng)傳感器，它可以檢測(cè)周?chē)h(huán)境情況然后給控制模塊反饋，控制模塊以此來(lái)完成對(duì)燈光的控制。紅外檢測(cè)電路圖如圖4所示。引腳2和單片機(jī)的I/O口P22連接，當(dāng)模塊感應(yīng)到有人時(shí)，引腳2輸出高電平，通常輸出低電平[11]。圖4紅外人體檢測(cè)電路3.5照明模塊目前隨著燈光、燈源等方面的不斷發(fā)展，越來(lái)越多形式的燈源也被生產(chǎn)了出來(lái)，在本設(shè)計(jì)中為了環(huán)保和節(jié)約費(fèi)用考慮，我選擇了常見(jiàn)并且適用范圍廣泛的LED燈源，LED燈源使用起來(lái)耗能比較低,使用壽命很長(zhǎng)并且不容易損壞，特別是在本設(shè)計(jì)中來(lái)說(shuō)會(huì)頻繁的開(kāi)關(guān)臺(tái)燈，所以LED燈源就更加適合了。本設(shè)計(jì)采用的是USB小燈，該小燈的內(nèi)部構(gòu)造如下圖。LED燈發(fā)光的原理是在通電后，電流在半導(dǎo)體的P區(qū)與電子和空穴結(jié)合，最后以光的形式呈現(xiàn)出來(lái)。因此需要PNP三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)電路，單片機(jī)輸出一個(gè)低電平信號(hào)時(shí)可點(diǎn)亮LED燈[12]。照明電路如下圖5所示。圖5照明電路3.6按鍵輸入模塊鍵盤(pán)是人與單片機(jī)連接的渠道，用來(lái)調(diào)節(jié)臺(tái)燈的亮度和控制模式。同時(shí)在目前來(lái)看，按鍵模塊按不同的操作原理主要分為兩大種類(lèi)型，一種是編碼式按鍵模塊、另一種就是非編碼式按鍵模塊。由于編碼式的按鍵模塊比較貴，使用成本比較高并且使用起來(lái)沒(méi)有非編碼式的使用起來(lái)靈活，所以綜合考慮之下我選擇了非編碼式的按鍵模塊[13]。而本設(shè)計(jì)中只使用三個(gè)按鍵，實(shí)現(xiàn)的分別是“模式切換”、“亮度降低”和“亮度增加”的功能，所以我選擇使用的是獨(dú)立式的按鍵，這樣一來(lái)操作就比較方便還能節(jié)約設(shè)計(jì)成本。按鍵電路如圖6所示。圖6按鍵輸入模塊電路3.7姿勢(shì)矯正模塊圖7障礙檢測(cè)電路障礙物的檢測(cè)通過(guò)光電傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)檢測(cè)到有障礙物，它將輸出低電平。該模塊如上圖7所示。3.8蜂鳴器報(bào)警模塊本設(shè)計(jì)選用的蜂鳴器為有源蜂鳴器，即通電就可以發(fā)聲，因此單片機(jī)只要輸出高（或低）電平即可，不需要來(lái)控制驅(qū)動(dòng)，這樣一來(lái)這一部分程序的設(shè)計(jì)就會(huì)變的比較簡(jiǎn)單一點(diǎn)。但是有一點(diǎn)，一般蜂鳴器工作時(shí)需要的電流會(huì)比單片機(jī)通過(guò)I/O口向外輸出的電流要大，所以我們需要用一個(gè)三極管來(lái)放大輸出的電流以滿(mǎn)足蜂鳴器的需要，同時(shí)，因?yàn)檫x用的是PNP形式的三極管，所以在剛開(kāi)始供電的時(shí)候蜂鳴器并不會(huì)發(fā)出報(bào)警。蜂鳴器電路如圖8所示。圖8蜂鳴器電路系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在硬件模塊設(shè)計(jì)完成后，需要對(duì)各個(gè)模塊編寫(xiě)程序來(lái)配合系統(tǒng)完成工作，程序關(guān)系著系統(tǒng)設(shè)計(jì)能否成功，只有將程序?qū)懞貌拍苁瓜到y(tǒng)按著自己的意愿去完成工作。該系統(tǒng)程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，并應(yīng)用于整個(gè)系統(tǒng)[14]。本設(shè)計(jì)分為自動(dòng)模式和手動(dòng)模式兩種方式。在自動(dòng)模式下，需要通過(guò)光敏電阻來(lái)感知環(huán)境中的光強(qiáng)，然后通過(guò)熱釋電人體紅外傳感器來(lái)感應(yīng)周?chē)欠裼腥瞬⒔Y(jié)合以上兩種情況來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)關(guān)燈和自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度。而在手動(dòng)模式下，則直接通過(guò)按鍵來(lái)對(duì)臺(tái)燈進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。主程序流程圖如下圖9所示。圖9主函數(shù)流程圖5.硬件組合與調(diào)試5.1元件的焊接與組裝根據(jù)以上設(shè)計(jì)好的硬件和選擇好的元器件，我們就可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行組裝焊接了，注意，在焊接元器件前，要測(cè)試所用元器件是否