基于单片机控制的新型智能台灯.docx

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基于单片机控制的新型智能台灯

LED新型智能台灯

摘要

随着时代发展，节能环保、健康与人们的日常生活变得密不可分，科技的进步，也使家电更加智能化和人性化。

台灯作为家电中基础的，也是必不可少的，所以，提出LED新型智能台灯设计。

该设计是以STC89C52RC单片机为控制核心的集多种功能于一体的智能LED台灯。

该台灯实现了自动检测屋内是否有人并自动开启/关闭功能；台灯光亮度具有手动、自动两种调节方式；具有时间、日期显示功能，休息提醒和坐姿纠正等多个功能。

硬件设计部分分为单片机控制模块、按键模块、照明模块、光敏模块、坐姿纠正模块、视力保护模块、时钟模块、显示模块，红外传感模块等多个部分。

单片机主控制芯片选用STC89C52RC，显示模块选用LCD1602，通过按键模块来调整时间、日期、LED的亮度，时钟芯片选用DS1302，照明模块选用16颗高亮度白光LED，休息提示用蜂鸣器发出闹铃提示音，检测用户选用BIS0001红外热释传感器。

通过单片机C语言编程进行软件设计，综合实现了全部控制功能。

关键词　单片机；LED;智能；时间。

NewintelligentLEDlamp

Abstract

Withthedevelopmentofthetimes,energysavingandenvironmentalprotection,healthandpeople'sdailylifehasbecomeinseparable.Advancesintechnology,butalsomakeshomeappliancesmoreintelligentandhumane.Standsasthefoundationofhomeappliances,isalsoessential,therefore,proposethedesignofnewintelligentLEDlamp.

ThisdesignisbasedonSTC89C52RCmicrocontroller,whichisthecoreofcontrollingandsetsalotoffunctionsinonesmartLEDlamp.Thedesignachievesthefunctionofautomaticdetectionofwhethersomeoneinthehouseandautomaticallyturningon/off;Thelightlevelswithmanualandautomaticadjustmentmode;Hasthetime,datedisplayfunction,restingposturecorrectiveremindersandmanyotherfunctions.Hardwaredesignpartisdividedintosingle-chipcontrolmodule,thekeymodule,lightingmodules,photosensitivemodule,sittingcorrectionmodule,eyeprotectionmodule,clockmodule,displaymodule,infraredsensormoduleandmanyotherparts.ThemaincontrolchipmicrocontrollerselectsSTC89C52RC,displaymoduleselectsLCD1602,throughkeymoduletoadjustthetime,date,LED'sbrightness,clockchipselectsDS1302,lightingmodulesuses16high-brightnesswhiteLED,buzzeralarmwiththerestprompttipstone,detectuserselectsBIS0001infraredpyroelectricsensors.ByMicrocontrollerCprogramminglanguagetofinishsoftwaredesign,integratedtoachievefullcontrol.

KeywordsMicrocontroller,LED,intelligence,time

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摘要

Abstract

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第1章绪论

1.1课题研究背景

随着时代发展，节能、环保、健康等一系列话题被人们日益关注，照明是人们生活必不可少的一部分，我国年用电量5185.9万兆瓦，其中照明占到总用电量的12%，并且以每年3.44%的速度持续增长，如何更好地节约能源？

作为照明，照明灯具的损耗，剩余材料丢弃，势必会造成环境的污染，如何才能使照明更加环保？

据统计，我国39.3%的人有不同程度视力问题，由于不正确的用眼方式造成近视人数占到总人数的30%左右，因此用眼健康越来越被人重视。

如何才能使照明更加健康，保护视力？

台灯已是千家万户的必需生活电器，经常由于忘记关灯而造成巨大的能源浪费。

在我国,照明耗电占年发电总量的12%（超过100亿千瓦每小时）,现在的台灯绝大部分是采用普通的白炽灯、荧光灯、节能灯和螺旋节能灯,并且控制方式多采用手动开关,不能连续调节，更不能自动调节。

当夜晚来临时，人们又摸黑去开灯，非常不方便，与现在家电的智能化，人性化，低碳设计理念相违背。

LED被认为是21世纪的照明光源。

LED发光器件是冷光源，光效高，工作电压低，而且能耗低，可控制好、无辐射，同样亮度下，LED能耗为白炽灯的10％，荧光灯的50％。

LED寿命可达10万小时，是荧光灯的10倍，白炽灯的100倍。

随着能源紧缺、电价越来越高、环保要求及LED的光效的提高,用LED替代现在台灯普遍使用的白炽灯或荧光灯，环保无污染。

另外，LED的光谱几乎全部集中于可见光频段,其发光效率可达80～90%，并且传统的台灯中的光源体使用的是交流电，所以每秒钟会产生100－120次的频闪。

LED灯是把交流电直接转换为直流电，不会产生闪烁现象，保护眼睛，可以获得“柔和”的灯光环境。

另外一个情况是现在中国约30%的人有不同程度的视力问题，其中近视是主要问题，近年来，我国的近视率已上升为全球第二，仅次于日本，但近视的总人数确是全球第一。

引起近视的主要原因是用眼不健康，如用连续用眼时间过长，看书，学习时的坐姿不正确等。

解决以上问题迫在眉睫。

1.2系统方案的提出

通过采用LED照明，提高电能利用率，利用传感器检测，微处理器控制，实现自动调光、视力保护、安全合理多项功能的智能台灯。

1.2.1LED优势

相较于普通照明，LED照明有以下主要优点：

（1）较长的使用寿命。

白炽灯的发光机理是：

通电时，电能流过发光钨丝，产生热能，使钨丝加热发光。

因此，当经过相当长时间加热，钨丝就会发生老化甚至烧断，那么，白炽灯的寿命也就告终了。

发光二极管（LED）的发光机理是由它的特殊结构决定的，它是由PN结晶片、两个电极和光学系统构成，当在电极两端加上正向偏置电压时，空穴和电子分别被注入到P区和N区，非平衡少数载流子和多数载流子发生复合，多余的能量以辐射光子的形式转化为光能，二极管是依赖于载流子的不断移动发光的，所以不存在老化或烧断，它的发光寿命可长达5~10万小时。

（2）发光效率高。

实验测定，当LED通电发光时，可以把10%左右的电能转成光能，而普通白炽灯的转化效率仅有7%~8%，所以，当需要达到同等的照明效果时，LED灯比普通白炽灯更节能。

（3）发光响应速度快。

LED灯的响应时间为10-7~10-9S，具有很好的高频特性，能显示脉冲信号，而白炽灯响应时间在ms级，高频特性差；

（4）发光有较强的方向性，适用于定向照明。

（5）易控制。

LED驱动可采用模拟调光、PWM脉宽调制、TRICA双向晶闸管调光方式、带总线接口LED驱动器、适配微控制（单片机或其他微处理器）等多种方式进行调光。

（6）绿色环保。

普通节能灯（如荧光灯）工作原理是加热电阻丝，所以容易产生汞或其他重金属污染。

（7）使用灵活。

因为LED的体积较小，所以可根据应用需求对LED灯进行灵活组合，其颜色也可进行灵活搭配。

（8）尺寸较小，防震动及抗冲性能好。

因此，我们提出新型LED智能多功能台灯方案。

1.2.2方案简述

针对上述节能、环保、健康等问题研究，采用以STC89C52RC为主控制芯片，通过控制人体红外线感应模块GH-718C、时钟模块DS1302、光敏感应模块MG-52B、休息电路、1602液晶显示、三极管驱动LED电路多个模块，实现人走灯灭，自动手动两种调光方式，时间日期显示，休息提醒、保护视力的多功能LED智能台灯。

系统框图如表1-1。

图1-1系统框图

1.3可实现功能

（1）可采用手动调光和自动调光两种调光方式，使光强时刻保持在合适亮度，保护视力。

（2）自动感应开关功能。

自动感应点亮要满足两个条件：

①有人在使用台灯范围内活动；②外界环境的光照强度较弱,且有人在台灯上的热释电红外的探测范围内活动并且环境光强较弱时，台灯点亮调光；或者用户可以无线遥控点亮台灯。

当人离开后，延时一段时间后台灯渐渐熄灭。

可实现人来灯亮，不必摸黑开灯，人走灯灭，减少用电浪费，更加节能与科学。

（3）日期时间显示功能。

显示年、月、日及时间星期，休息提醒，可以使人直观了解时间，方便人们工作学习。

（4）用眼时间提醒，整点提醒，开启休息视力保护电路，并且蜂鸣器会发出短暂声音提醒，可以更好地预防出现视力问题。

（5）当用户使用台灯时的坐姿不正确时，系统也会发出声音提示，提醒用户纠正坐姿声音提醒使用者保持正确坐姿。

（6）更加安全，通过电压转换，使交流220V转换为直流12V、5V电压，远远低于人体安全电压。

第2章系统方案的选择

2.1控制芯片的选择方案

选择嵌入式微处理器主要考虑因素有以下几个方面：

应用领域；一个产品的功能、性能一旦定制下来，其所在的应用领域也随之确定。

应用领域的确定将缩小选型的范围。

自带资源；芯片自带资源越接近产品的需求，产品开发相对就越简单。

可扩展资源，要求芯片可扩展存储器。

低功耗；低功耗的产品即节能又节财，甚至可以减少环境污染，还能增加可靠性，它有如此多的优点，因此低功耗也成了芯片选型时的一个重要指标。

芯片的可延续性及技术的可继承性，芯片的价格和供货也是必须考虑的因素，所以选型时尽量选择有量产的芯片，选择市面上使用较广的芯片，将会有比较多的共享资源，给开发带来许多方便。

2.1.1STC89C52RC

STC89C52RC为40引脚双列直插式芯片，增强型8051单片机，工作电压3.3V~5.5V，片内集成8K字节ROM和512字节RAM，具有EEPROM功能，两个定时/计数器，具有看门狗功能，工作频率范围为0~40MHz，实际工作频率可达48MHz，有32个通用I/O口，可采用在系统编程（Insystemprogramming，简称ISP）或在应用编程（Inapplicationprogramming，简称IAP），无需专用编程器和仿真器，指令代码完全兼容传统8051。

具有价格低廉、兼容性强、超强抗干扰能力、超低功耗等优点。

2.1.2AVR单片机

AVR单片机硬件结构采取8位机与16位机的折中策略，即采用局部寄存器存堆（32个寄存器文件）和单体高速输入/输出的方案（即输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器及相应控制逻辑）。

提高了指令执行速度（1Mips/MHz），克服了瓶颈现象，增强了功能；同时又减少了对外设管理的开销，相对简化了硬件结构，降低了成本。

故AVR单片机在软/硬件开销、速度、性能和成本诸多方面取得了优化平衡，是高性价比的单片机。

AVR单片机内嵌高质量的Flash程序存储器，擦写方便，支持ISP和IAP，便于产品的调试、开发、生产、更新。

内嵌有长寿命EEPROM，可长期保存关键数据，避免断电丢失。

片内大容量的RAM不仅能满足一般场合的使用，同时也更有效的支持使用高级语言开发系统程序，并可像MCS-51单片机那样扩展外部RAM。

AVR单片机的I/O线全部带可设置的上拉电阻、可单独设定为输入/输出、可设定（初始）高阻输入、驱动能力强（可省去功率驱动器件）等特性，使的得I/O口资源灵活、功能强大、可充分利用。

AVR单片机片内具备多种独立的时钟分频器。

AVR单片机有自动上电复位电路、独立的看门狗电路、低电压检测电路BOD，多个复位源（自动上电复位、外部复位、看门狗复位、BOD复位），可设置的启动后延时运行程序，增强了嵌入式系统的可靠性。

AVR单片机具有多种省电休眠模式，且可宽电压运行（5-1.8V），抗干扰能力强，可降低一般8位机中的软件抗干扰设计工作量和硬件的使用量。

AVR单片机技术体现了单片机集多种器件（包括FLASH程序存储器、看门狗、EEPROM、同/异步串行口、TWI、SPI、A/D模数转换器、定时器/计数器等）和多种功能（增强可靠性的复位系统、降低功耗抗干扰的休眠模式、品种多门类全的中断系统、具输入捕获和比较匹配输出等多样化功能的定时器/计数器、具替换功能的I/O端口）于一身，充分体现了单片机技术的从“片自为战”向“片上系统SOC”过渡的发展方向。

2.1.3FPGA

FPGA（Field－ProgrammableGateArray），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。

是专门作为（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来，就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。

一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变，所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。

FPGA一般来说比ASIC（专用集成芯片）的速度要慢，无法完成复杂的设计，但是功耗较低。

但是他们也有很多的优点比如可以快速成品，可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。

厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA。

因为这些芯片有比较差的可编辑能力，所以这些设计的开发是在普通的FPGA上完成的，然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。

另外一种方法是用CPLD（复杂可编程逻辑器件备）。

2.1.4主控制芯片的确定

STC89C52RC可以满足系统开发需要，而且使用普遍，开发编程环境容易实现，与其他系统兼容性强，开发成本低，较AVR和FPGA具有明显的价格优势，超强抗干扰能力、超低功耗、价格低廉等优点，最终选择作为系统控制芯片。

2.2人体感应模块的选择方案

传感器的选择，首先要根据测量对象与测量环境选择合适的传感器类型因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：

量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。

灵敏度的选择：

传感器的灵敏度是有方向性的。

当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。

频率响应特性：

传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，理想状态延迟时间越短越好。

线性范围 ：

传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。

稳定性 ：

要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。

2.2.1超声波探测检测

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。

超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。

超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。

超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。

可利用超声波测距检测感应，但有方向性太强，检测距离短，对活动物体灵敏准确性差等缺点。

2.2.2人体红外线感应模块GH-718C

GH-718C属于被动式红外传感探头，它具有本身不发生任何类型辐射，灵敏度高，可靠性强，器件功耗小，隐蔽性强，价格低廉等优点。

它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。

它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。

2.2.3传感器的确定

本系统需要检测使用者是否靠近或在使用范围内，超声波传感器探测距离短，且检测角度小，方向性强，灵敏度差，人体红外感应传感器本身不发生任何类型辐射，灵敏度高，可靠性强，器件功耗小，隐蔽性强，价格低廉等优点。

综合考虑，最终选择人体红外感应模块GH-718C。

2.3显示模块的选择

显示器选择首先要能清楚显示需要显示内容，针对显示内容和显示环境确定显示方法；其次，容易实现与控制，选择占用系统资源少，控制简单的显示器；最后，综合研究经费需要，选择合适型号价格确定显示器。

2.3.1数码管显示

数码管价格便宜使用简单，通过对其不同的管脚输入相对的电流，使其发亮，从而显示出数字能够显示时间、日期、温度等所有可用数字表示的参数的器件，但占用引脚过多。

数码管显示有静态显示和动态显示两种工作方式：

静态显示方式特点：

每个数码管的段选必须接一个8位数据线来保持显示字形码，占用CPU时间少、显示亮，功耗较小，但硬件电路复杂，占用单片机I/O口多，成本较高。

动态显示方式特点：

将所用位数数码管段选线并联在一起，由位选线控制数码管显示哪位有效，但显示亮度较静态显示暗，功耗大，占用CPU时间长。

数码管显示在电器特别是家电领域应用极为广泛，如显示屏、空调、热水器、冰箱等等。

绝大多数热水器用的都是数码管，其他家电也用液晶屏与荧光屏。

2.3.2显示模块1602

工作电压为3.3V或5V，显示对比度可调，内含复位电路，提供各种控制命令,如：

清屏、字符闪烁与否、光标闪烁与否、显示移位方向等多种功，能有80字节的显示数据存储器DDRAM，1602内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM和8个可由用户自己定义的5X7的字符发生器CGRAM。

LCD1602具有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常被用于袖珍式仪表和低功耗应用系统中。

2.3.3显示模块12864

KM12864-12液晶显示模块，可显示汉字和图形，内置8192个中文汉字，驱动电压在3.3V至5.5V之间，内部集成升压电路，无需负压，显示颜色有黄绿蓝三种颜色，工作温度（-20℃~+70℃），背光灯为黄绿色LED，另外内部自建振荡源，可选择8位,4位并行接口或串行接口方式，可以实现光标显示、字定义字符、画面移位、睡眠模式等功能。

但价格昂贵，占用程序内存过大。

2.3.4显示模块的确定

系统需要清晰显示时间日期和星期，考虑采用STC89C52为主控制芯片，如果采用数码管显示，会占用芯片太多内存和端口，且功耗大，占用CPU时间长。

LCD12864显示内容丰富，但是成本过高，考虑显示内容，控制芯片端口数量，控制程序以及价格最终选择LCD1602。

2.4照明模块的选择

LED功率的大小，首先要选择具有足够的输出功率的芯片，能够驱动所要求的LED功率。

输入电压的高低  ，输入电压的稳定度  ，LED的连接通常可以是串联或是串并联，串联的数目越多，所需的驱动芯片数目就越少。

LED驱动器通用要求，选择LED驱动方式 ，LED驱动器标准，进一步提高能效、增加功能及功率密度。

产品寿命周期及可靠性问题，考虑更好的散热功率管发热功率管的功耗分成两部分，开关损耗和导通损耗。

工作频率降频，电感或者变压器的选择，LED电流大小。

2.4.1三极管驱动

三极管是一种控制元件，其放大原理图如图2-1，主要用来控制电流的大小，以共发射极接法为例（信号从基极输入，从集电极输出，发射极接地），当基极电压UB有一个微小的变化时，基极电流IB也会随之有一小的变化，受基极电流IB的控制，集电极电流IC会有一个很大的变化，基极电流IB越大，集电极电流IC也越大，反之，基极电流越小，集电极电流也越小，即基极电流控制集电极电流的变化。

但是集电极电流的变化比基极电流的变化大得多，这就是三极管的放大作用。

IC的变化量与IB变化量之比叫做三极管的放大倍数β（β=ΔIC/ΔIB,Δ表示变化量。

），三极管的放大倍数β一般在几十到几百倍。

三极管在放大信号时，首先要进入导通状态，即要先建立合适的静态工作点，也叫建立偏置，否则会放大失真。

图2-1三极管放大原理图

选择合适放大倍数三极管，通过放大电流驱动LED，三级管放大有成本低，易实现，易控制等优点。

2.4.2PWM波形控制

LED的调光控制，传统上LED的调光是利用一个DC信号或滤液PWM对LED中的正向电流进行调节来完成的。

减小LED电流将起到调节LED光输出强度的作用，然而，正向电流的变化也会改变LED的彩色，因为LED的色度会随着电流的变化而变化。

许多应用（例如汽车和LCD背光照明）都不能允许LED发生任何的色彩漂移。

在这些应用中，由于周围环境中存在不同的光线变化，而且人眼对于光强的微小变化都很敏感，因此宽范围调光是必需的。

通过施加一个PWM信号来控制LED亮度的做法允许不改变彩色的情况下完成LED的调光。

PWM是脉冲宽度调制信号，注意其中的“宽度”，就是脉冲的高电平的时间。

PWM信号调节LED亮度时，信号频率是不变的，改变的是脉冲的高电平的时间，即LED的导通时间。

这种信号调节亮度相当于调节LED的平均电流，所以电流会变化。

采用LM3410X串联驱动LED灯，具体电路图如图2-2所示。

LM3410恒流LED驱动器是单片频率，PWM升压型DC/DC转换器，5引脚或6引脚封装。

它可以驱动典型2.5A峰值电流与内部160MΩNMOS切换。

开关频率在内部设置为525kHz或1.60MHz，允许使用极小的表面贴装电感器和片式电容器。

即使操作频率高，高达88％的效率很容易实现的。

外部关闭包括在内，具有超低待机电流为80nA。

LM3410采用电流模式控制和内部补偿功能，提供高性曼斯在广泛的操作条件。

额外功能包括调光，脉冲的脉冲电流限制，热关断。

图2-2PWM调光电路图

2.4.3照明方案的确定

考虑照明需要，需要驱动电压5V,驱动电流3A，需要驱动16个大草帽白光LED，因为三极管驱动具有成本低，易控制，易实现等优点，而LM3410X成本高且不易寻找，最终选用8050三极管驱动照明模块。

第3章系统硬件电路设计

3.1主控制芯片及外围电路设计

3.