智能臺燈論文

TOC\o"1-3"\h\u12353摘要 211271緒論 4298791.1智能臺燈發(fā)展意義 4159251.2臺燈發(fā)展歷史 5123811.3本課題主要內(nèi)容和任務(wù) 7215482智能臺燈整體結(jié)構(gòu)分析 818892.1整體功能模塊分析 8106352.2硬件選型分析 822082.2.1單片機(jī)選型 8286312.2.2電源系統(tǒng)選型 10279682.3人體檢測選型 11231742.4調(diào)光方式 1397622.4.1調(diào)光方式選擇 13320502.4.2PWM生成原理 15117242.5小結(jié) 1641753硬件電路設(shè)計 1727493.1單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計 17309113.2電源設(shè)計 1734013.2.1控制系統(tǒng)恒壓源設(shè)計 1742673.2.2LED恒流源設(shè)計 18280153.3調(diào)光電路設(shè)計 20257473.3.1光敏電阻電路 20205533.3.2光敏三極管電路 21280193.3.3LED開關(guān)電路 22148493.4人體感應(yīng)傳感器電路 23228873.5報警電路 25226433.6小結(jié) 26159404系統(tǒng)軟件設(shè)計 27132864.1調(diào)光軟件設(shè)計 27117574.2坐姿糾正程序 27323864.3使用時間過長提醒程序 2888234.4系統(tǒng)感應(yīng)開關(guān)程序 29164864.5系統(tǒng)整體程序流程 29103364.6小結(jié) 30198575結(jié)束語 318020致謝 337164參考文獻(xiàn) 3428255附錄1 35917附錄2 3611906附錄3 3732508附錄4 38摘要臺燈已是千家萬戶的必需生活用品，經(jīng)常由于忘記關(guān)燈而造成巨大的能源浪費(fèi)。當(dāng)夜晚來臨時，人們又摸黑去開燈，非常不方便。在這里設(shè)計了以人體紅外輻射傳感控制電路。當(dāng)人體在臺燈的范圍內(nèi)且環(huán)境光強(qiáng)較弱時，自動感應(yīng)開燈；當(dāng)人體太靠近桌面時，臺燈自動感應(yīng)，警告糾正坐姿，若在一定時間內(nèi)未離開桌面則自動熄滅。當(dāng)人離開時則自動關(guān)燈，達(dá)到節(jié)約能源的目的。單片機(jī)控制部分采用MSP430F2274單片機(jī)為核心，主要由熱釋電紅外傳感器，光敏電阻信號處理電路，提醒電路，燈光控制電路，故障報警電路等組成，軟件選用C語言編程。單片機(jī)可將熱釋電紅外傳感器檢測到的人體輻射紅外信號及光強(qiáng)信號的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。該系統(tǒng)靈活性強(qiáng)，易于操作，可靠性高，將會有更廣闊的開發(fā)前景。通過研究這樣一款臺燈電路，可以對設(shè)想中的智能臺燈進(jìn)行一次功能性驗(yàn)證，比如跟隨環(huán)境光線調(diào)節(jié)亮度，自動關(guān)滅，提醒坐姿等。對將來的智能臺燈發(fā)展也是一次很有意義的探索。關(guān)鍵詞：智能臺燈坐姿提醒自動調(diào)光感應(yīng)開關(guān)AbstractDesklampisalreadyhomenecessaryarticlesfordailyuse,oftenduetoforgettoturnoffthelightsandcausehugeenergywaste.Whenthenightcomes,theytooktoturnonthelight,verynoteasy.Herethedesignwithhumanbodyinfraredradiationsensingcontrolcircuit.Whenthehumanbodyinthedesklampwithinthescopeoftheenvironmentandstronglightisweak,automaticinductionlights;Whenthehumanbodyistooclosetothedesktop,desklampautomaticinduction,warningcorrectposture,ifinacertaintimeawayfromtheirdesktopisnotautomaticputout.Whenthemanleftwillautomaticallyturnoffthelight,toachievethepurposeofsavingenergy.Single-chipmicrocomputercontroloftheMSP430F2274microcontrollerasthecore,andthemainpyroelectricinfraredsensors,photosensitiveresistancesignalprocessingcircuit,remindcircuit,lightingcontrolcircuit,thealarmingcircuitandothercomponents,thesoftwareusetheCprogramminglanguage.SCMcanwillpyroelectricinfraredsensordetectionoftheinfraredradiationtothehumanbodyandthesignalsoflightintensityofthesignalanalogconversionintothedigitalquantity.Thesystemflexibilityisstrong,easyoperation,highreliability,therewillbemorebroaddevelopmentprospects.Throughthestudyofsuchadesklampcircuit,oftheintelligencedesklampcanimagineafunctionalverification,suchaswithenvironmentallightadjustbrightness,automaticshutout,remindsittingposition,etc.Inthefuturedevelopmentoftheintelligentdesklampisameaningfulexploration.Keywords:Intelligencedesklamp,Sittingpositionremind,automaticaperturecontrol,automaticswitch1緒論1.1智能臺燈發(fā)展意義隨著科技的高速發(fā)展，各種各樣的科技產(chǎn)品、家用電器走入人們的生活，這一切都大大地提高了人們的工作效率、改善了人們的生活，現(xiàn)在電器的發(fā)展趨勢是智能化，這樣會使人們使用起來更方便。智能化產(chǎn)品在各個領(lǐng)域都有出色的應(yīng)用，所以我們打算研究是智能化臺燈。雖然按鍵式的臺燈還是臺燈市場的主體。但是，現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展和人們的需求變化，已使傳統(tǒng)的臺燈感受到產(chǎn)品更新?lián)Q代的威脅。智能型的電器產(chǎn)品漸漸進(jìn)入人們的生活中。臺燈已是千家萬戶的必需生活電器，經(jīng)常由于忘記關(guān)燈而造成巨大的能源浪費(fèi)。在我國,照明耗電占年發(fā)電總量的12%(超過100億kW?h),現(xiàn)在的臺燈絕大部分是采用普通的白熾燈、熒光燈、節(jié)能燈和螺旋節(jié)能燈,并且控制方式多采用手動開關(guān),不能連續(xù)調(diào)節(jié)，更不能自動調(diào)節(jié)。當(dāng)夜晚來臨時，人們又摸黑去開燈，非常不方便，與現(xiàn)在家電的智能化，人性化，低碳設(shè)計理念相違背。加之我國的發(fā)電方式主要還是火力發(fā)電，因此，每多浪費(fèi)一度電，就意味著發(fā)電廠需要多損失一些煤炭資源，而煤炭資源的浪費(fèi)又意味著對大氣的污染加重了一分，大氣的污染，又會從方方面面影響人類的生活，人類需要花費(fèi)更多的資源來研究大氣污染的改善，這是一個惡性循環(huán)，所以，節(jié)約電能是一個對人類意義十分重大的事情。LED被認(rèn)為是21世紀(jì)的照明光源。LED發(fā)光器件是冷光源，光效高，工作電壓低，而且能耗低，可控制好、無輻射，同樣亮度下，LED能耗為白熾燈的10％，熒光燈的50％。LED壽命可達(dá)10萬小時，是熒光燈的10倍，白熾燈的100倍。隨著能源緊缺、電價越來越高、環(huán)保要求及LED的光效的提高,用LED替代現(xiàn)在臺燈普遍使用的白熾燈或熒光燈，環(huán)保無污染。另外，LED的光譜幾乎全部集中于可見光頻段,其發(fā)光效率可達(dá)80～90%，并且傳統(tǒng)的臺燈中的光源體使用的是交流電，所以每秒鐘會產(chǎn)生100－120次的頻閃。LED燈是把交流電直接轉(zhuǎn)換為直流電，不會產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象，保護(hù)眼睛，可以獲得“柔和”的燈光環(huán)境。另外一個情況是現(xiàn)在中國約30%的人有不同程度的視力問題，其中近視是主要問題，近年來，我國的近視率已上升為全球第二，僅次于日本，但近視的總?cè)藬?shù)確是全球第一。引起近視的主要原因是用眼不健康，如用連續(xù)用眼時間過長，看書，學(xué)習(xí)時的坐姿不正確等。因此，我們提出智能LED臺燈方案。1.2臺燈發(fā)展歷史中國燈飾燈具工業(yè)最早起源于上海。上海是我國最早建立的現(xiàn)代城市，使用現(xiàn)代燈飾燈具也最早，約在20世紀(jì)20年代就已經(jīng)開始規(guī)模使用電燈。1921年，民族工商業(yè)者胡西園等試制成功第一只國產(chǎn)白熾燈，并于1923年買下甘肅路德商奧本公司電器廠，聘任奧本為工程師，開設(shè)中國亞浦耳電器廠，成為上海第一家由民族資本開設(shè)的電光源企業(yè)。1929年，甘鏡秋等民族工商業(yè)者又創(chuàng)立華德電光股份有限公司，生產(chǎn)真空長絲燈泡。

隨著白熾燈生產(chǎn)的發(fā)展，其他光源產(chǎn)品也相繼問世。1927年，許石炯試制小電珠成功，并在閘北東洋花園開設(shè)公明電珠廠，生產(chǎn)日月牌、光榮牌2.5伏、3.8伏小電珠、圣誕泡。產(chǎn)品暢銷長江流域及華北一帶。

但是在半殖民地半封建社會時期，中國民族燈具工業(yè)遭受到國外洋品牌及國內(nèi)落后勢力的雙重壓榨和排擠，再加上燈飾燈具工業(yè)缺乏賴以生存的長期穩(wěn)定的發(fā)展環(huán)境，因此在解放前中國只有上海等少數(shù)幾個城市擁有燈泡廠，而且這些燈泡廠大多經(jīng)營困難，處于奄奄一息的狀態(tài)。

新中國成立后，我國現(xiàn)代燈飾燈具工業(yè)迎來了發(fā)展的春天。20世紀(jì)50年代至60年代初期，是中國現(xiàn)代燈飾燈具發(fā)展的初潮。在這一段時間里，一大批新型現(xiàn)代化建筑的建設(shè)和裝修向當(dāng)時的燈飾燈具行業(yè)提出了挑戰(zhàn)，并刺激著燈飾燈具工業(yè)的發(fā)展。

這時候中國燈飾工業(yè)再不僅僅只能生產(chǎn)普通白熾燈泡、馬路彎燈、機(jī)床燈、船燈、工地投光燈、照相燈、舞臺打光燈、日光臺燈、軋床燈等，而是不斷研制出更先進(jìn)更現(xiàn)代化的燈具。這其中既有環(huán)境安定，國家對于燈飾燈具行業(yè)的支持有關(guān)，又與當(dāng)時照明行業(yè)的實(shí)際需求有關(guān)。

1954年，上海建造“中蘇友好大廈”，配套燈飾燈具由上海3家燈具廠承制。經(jīng)過將近1年的努力，燈飾燈具企業(yè)制造出大型吊燈、壁燈、臺燈、落地?zé)?、吸頂燈等各類燈飾燈具。這些燈飾燈具的出現(xiàn)，標(biāo)志著中國現(xiàn)代燈飾燈具工業(yè)已經(jīng)邁出了歷史性的一步。之后，在人民大會堂、釣魚臺國賓館等大型建筑的燈飾燈具承制過程中，國產(chǎn)燈飾燈具繼續(xù)得到發(fā)展，部分產(chǎn)品達(dá)到國際先進(jìn)水平。到了50年代后期，上海燈飾燈具行業(yè)還為一艘現(xiàn)代化大型外輪伊里奇號生產(chǎn)過船用配套燈具。這批燈飾燈具在工藝上不僅要求具有國際水平，而且還得經(jīng)受十分嚴(yán)格的產(chǎn)品檢驗(yàn)。上海燈飾燈具行業(yè)的職工懷著為國爭光的精神，終于勝利地完成了任務(wù)。至60年代初、中期，上海在全國首先形成一個獨(dú)立、完整、協(xié)作配套的燈具行業(yè)。

這一時期上海燈飾燈具工業(yè)的發(fā)展是全中國現(xiàn)代燈具工業(yè)發(fā)展的代表和縮影，除了上海外，北京、天津、武漢、廣州等各大城市也相繼建立燈飾燈具廠，中國現(xiàn)代燈飾燈具工業(yè)出現(xiàn)了前所未有的繁榮。這一時期，除了大量燈飾燈具廠拔地而起外，燈飾燈具產(chǎn)量大幅增加外，中國在光源方面的研究也取得了可喜的進(jìn)展。1963復(fù)旦大學(xué)電光源研究室和亞明燈泡廠年我國第二代光源熒光高壓汞燈。此后，第一盞氫燈、第一盞氪燈、金屬鹵化物燈相繼問世并量產(chǎn)，中國電光源產(chǎn)業(yè)因此也向前跨越了一大步。上海對中國電光源產(chǎn)業(yè)發(fā)展功不可沒。

蔡祖泉——“中國電光源之父”，是我國電光源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的奠基人。從20世紀(jì)60年代開始，中國電光源產(chǎn)業(yè)的每一項(xiàng)科研成果幾乎都和蔡祖泉有關(guān)。1961年，蔡祖泉與同伴們初探我國科學(xué)家的“空白領(lǐng)域”———電光源，著手研制國內(nèi)的第一盞光源——高壓汞燈。同年，復(fù)旦大學(xué)電光源小組成立。我國電光源史上第一個氫燈、第一個高壓汞燈、第一個氪燈、第一個長弧氙燈等一系列成果陸續(xù)從他手上誕生。

從1949年到1965年，中國燈飾燈具工業(yè)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，燈飾燈具產(chǎn)量急劇增加，燈飾燈具種類大大豐富，部分產(chǎn)品達(dá)到了國際先進(jìn)水平。這一時期也是中國電燈快速普及的時期，城市開始普及電燈照明。1.3本課題主要內(nèi)容和任務(wù)本文主要研究單片機(jī)控制的智能臺燈系統(tǒng)，系統(tǒng)應(yīng)該能夠判斷周圍是否有人，并根據(jù)判斷結(jié)果自動實(shí)現(xiàn)臺燈的開關(guān)，能夠檢測環(huán)境光強(qiáng)度，根據(jù)光強(qiáng)度自動調(diào)節(jié)臺燈的發(fā)光亮度，保證臺燈發(fā)出適度的光強(qiáng)度，又能保證亮度不至于過高，浪費(fèi)電能。系統(tǒng)可以檢測使用者的坐姿是否合理，如果使用者出現(xiàn)錯誤坐姿，系統(tǒng)能夠發(fā)出提示警報。系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)的功能如下所示。當(dāng)系統(tǒng)檢測到有人在臺燈周圍時，自動打開臺燈，當(dāng)使用者離開臺燈一段時間后，自動切斷臺燈電源，節(jié)省電能。系統(tǒng)根據(jù)外界環(huán)境光的強(qiáng)度，合理調(diào)節(jié)臺燈的光強(qiáng)，使臺燈的燈光既可以保證使用者正常使用，又能保證光強(qiáng)不至于過高，這樣可以保護(hù)使用者的視力健康，也能節(jié)省電能。當(dāng)臺燈打開一段時間之后，系統(tǒng)能夠發(fā)出警報，提醒使用者離開臺燈休息，勞逸結(jié)合，進(jìn)一步保護(hù)使用者的身體健康。如果使用者出現(xiàn)不正確的坐姿，如駝背或者離臺燈過近，系統(tǒng)能夠發(fā)出提醒，如果使用者仍然保持錯誤坐姿，系統(tǒng)切斷臺燈電源，待使用者恢復(fù)正確坐姿后，臺燈再次被打開。2智能臺燈整體結(jié)構(gòu)分析由上一章的分析可知，智能臺燈系統(tǒng)的開關(guān)或者調(diào)光會受到很多外界條件的共同制約，因此在設(shè)計本系統(tǒng)之前，需要先將整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)整理清楚，然后按照各個功能模塊進(jìn)行分析和設(shè)計。2.1整體功能模塊分析智能臺燈系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。圖2-1從上面的結(jié)構(gòu)框圖可以看出，整個系統(tǒng)的核心為控制系統(tǒng)，外界檢測的各種模塊的檢測信號都要輸送給控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制臺燈的發(fā)光情況。2.2硬件選型分析電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等很多功能模塊在電路上實(shí)現(xiàn)都有很多種方法，因此本節(jié)主要對常用的方法進(jìn)行分析論證，并選取相對合適本系統(tǒng)的方案。2.2.1單片機(jī)選型控制系統(tǒng)是智能臺燈系統(tǒng)的核心部分，而單片機(jī)又是控制系統(tǒng)的核心，因此，單片機(jī)的選型非常重要，一款合理的單片機(jī)不僅能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，也能為調(diào)試增加很多方便，所以要選擇一款從各方面均非常合理的單片機(jī)。經(jīng)過對常用的51，AVR，430單片機(jī)等的對比后，本系統(tǒng)最終選擇了以超低功耗著稱的MSP430F2274單片機(jī)，此款單片機(jī)由德州儀器公司研發(fā)生產(chǎn)，是業(yè)界功耗最低的單片機(jī)，待機(jī)功耗可以達(dá)到微安級別，節(jié)能性非常出色，另外，此款單片機(jī)是16位的RISC單片機(jī)，相比其他的8位單片機(jī)，它在運(yùn)算速度等方面也具有非常大的優(yōu)勢。MSP430F2274單片機(jī)的主要特性如下所示：1.從1.8V到3.6V的寬范圍低壓供電支持。在1Mhz，2.2V電源電壓的工作模式下，功耗電流僅為270微安。待機(jī)模式下，功耗電流為0.7微安。16位的RISC結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)62.5納秒的指令周期。擁有2個16位的定時器，可實(shí)現(xiàn)輸入捕獲和輸出比較功能。支持自動波特率的UART通信，LIN通信，I2C通信以及SPI通信。具有10位分辨率200khz采樣率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。支持多種啟動模式，可實(shí)現(xiàn)片上在線硬件調(diào)試。具有32KB的片內(nèi)FLASH和1KB的片內(nèi)RAM。具有38腳的TSSOP封裝，體積小，IO口多。從上面的特性可以看出，MSP430F2274單片機(jī)的功能正好可以方便的完成本次設(shè)計。超低功耗可以改善整個系統(tǒng)的功耗狀況，能夠更加節(jié)能。16位機(jī)的設(shè)計，單片機(jī)運(yùn)行速度更快，使整個系統(tǒng)的實(shí)時性更好。16位高分辨率的定時器可以實(shí)現(xiàn)高精度的PWM功能，方便精確的臺燈調(diào)光。支持UART通信功能，雖然在系統(tǒng)設(shè)計中并不需要，但是對于調(diào)試意義重大。具有10位的AD轉(zhuǎn)換器，可以用在環(huán)境光檢測中，不需要再外加外部AD轉(zhuǎn)換芯片，節(jié)省了系統(tǒng)成本，也減少了系統(tǒng)電路的結(jié)構(gòu)，支持片上調(diào)試，對于調(diào)試來說也非常重要，大的內(nèi)部FLASH和RAM對程序設(shè)計大大降低了優(yōu)化要求，提高設(shè)計效率，較多的IO口也能完全滿足本次設(shè)計的要求。對比其他兩款常用的單片機(jī)，有的沒有內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器，有的沒有高分辨率的定時器，或者沒有大的片內(nèi)存儲器空間，因此，本設(shè)計選擇了MSP430F2274這款單片機(jī)作為控制核心。MSP430F2274單片機(jī)的引腳分布如圖2-2所示。圖2-22.2.2電源系統(tǒng)選型任何系統(tǒng)在設(shè)計時都需要慎重考慮電源設(shè)計，如果電源設(shè)計不好，整個系統(tǒng)很可能運(yùn)行不穩(wěn)定，如果功率稍大，甚至可能威脅人生安全。由于本次系統(tǒng)設(shè)計主要針對臺燈的智能化設(shè)計，所以電源設(shè)計采用的是常規(guī)的220V交流市電供電，而沒有采用從技術(shù)上更創(chuàng)新的光伏發(fā)電等方式。本系統(tǒng)需要兩路電源，一路是供給控制系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)的電源，此電源采用恒壓電源即可，可以通過變壓器輸出的低壓交流電整流濾波，再通過線性穩(wěn)壓器后直接供給。另外一路電源是供給LED燈珠使用的，由于LED燈的伏安特性比較特殊，對其電源的設(shè)計需要特別考慮。LED燈的特性如圖2-3所示圖2-3從圖2-3（a）可以看出，LED燈在導(dǎo)通后，電流會隨兩端電壓的上升而急劇上升，在電壓由3.1V上升至3.4V時，電流從100ma上升至350ma。從圖2-3（b）可以看出，在給一個定值電壓時，LED燈的溫度越高，其電流會越大。通過兩圖的分析，可以發(fā)現(xiàn)，如果采用恒壓源驅(qū)動LED燈，在LED工作一段時間后，溫度會上升，溫度上升會導(dǎo)致其電流加大，電流加大后，LED燈的壓降又會變低，進(jìn)而導(dǎo)致流過電流繼續(xù)變大，且電流會急劇變大，形成一個正反饋。LED燈在設(shè)計時都有一個額定電流，超過額定電流工作，很容易燒毀，所以不能直接用一個恒壓電源驅(qū)動LED燈，而需要考慮控制其電流不能急劇變大。在一些低成本的應(yīng)用中，常在LED燈的回路中串聯(lián)一個電阻，用來限定回路中的電流，保護(hù)二極管，其應(yīng)用電路如圖2-4所示。圖2-4這種方式可以有效的限定回路電流，保護(hù)LED，但是這個電阻在電路中會消耗一定的能量，既不利于節(jié)能，又增加了系統(tǒng)的散熱要求，但是由于成本比較低，仍有一定的應(yīng)用空間，但是本次設(shè)計的是智能臺燈，完全可以設(shè)計出更加安全的恒流輸出電源。2.3人體檢測選型本系統(tǒng)需要通過檢測周圍有沒有人的存在，控制臺燈的開關(guān)，所以系統(tǒng)需要外加檢測人體的傳感器。常用檢測人體的方案有超聲波測距，紅外線測量，熱釋傳感器等。超聲波和紅外線測量的方式比較類似，都是通過一端發(fā)射超聲波或者紅外線，另外一端檢測信號，如果信號在一定的距離被反射回來，說明這個位置有物體存在，這樣就可以識別周圍是有人存在。超聲波測量的示意圖如圖2-5所示。圖2-5如圖所示，超聲波發(fā)射頭發(fā)送一個38Khz的波形，被障礙物反射回來被接收頭接收到，通過波形發(fā)射的時間和接收的時間差，乘上聲音在空氣中的傳播速度，就可以計算出障礙物與測量模塊之間的距離，因此，通過設(shè)定合理的觸發(fā)距離，就可以實(shí)現(xiàn)有人靠近臺燈的時候打開臺燈，遠(yuǎn)離臺燈的時候關(guān)閉臺燈。超聲波測距可以實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)所需要的功能，但是有一定的局限性，因?yàn)樗鼘ζ渌奈矬w也具有敏感性，即當(dāng)有物體存在于超聲波可以覆蓋的范圍內(nèi)時，系統(tǒng)無法分辨物體是人還是其他物體，因此會導(dǎo)致臺燈誤開關(guān)，而且，超聲波的覆蓋范圍有限，人只能從一個方向出發(fā)超聲波模塊，因此本系統(tǒng)并未采用此方案，而是采用了更加合適的紅外熱釋傳感器來實(shí)現(xiàn)此功能。人體紅外熱釋傳感器是利用了檢測傳感器周圍的紅外線，來分辨是有周圍有人存在的，相比超聲波或者紅外測距模塊，熱釋傳感器具有覆蓋角度大，能夠準(zhǔn)確識別人還是其他物體的有點(diǎn)，因?yàn)橐话阄矬w并不會像人一樣輻射紅外線。紅外熱釋傳感器的工作原理同壓電效應(yīng)類似，是指由于溫度的變化而引起晶體表面荷電的現(xiàn)象。熱釋電傳感器是對溫度敏感的傳感器。它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，在元件兩個表面做成電極，在傳感器檢測范圍內(nèi)溫度有的變化時，熱釋電效應(yīng)會在兩個電極上產(chǎn)生電荷，即在兩電極之間產(chǎn)生一微弱的電壓。由于它的輸出阻抗極高，在傳感器中有一個場效應(yīng)管進(jìn)行變換。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷會被空氣中的離子所結(jié)合而消失，即當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時，=0，則傳感器無輸出，當(dāng)人體進(jìn)入檢測區(qū)，因人體溫度與環(huán)境溫度有差別，產(chǎn)生，則有輸出，若人體進(jìn)入檢測區(qū)后不動，則溫度沒有變化，傳感器也沒有輸出了，所以這種傳感器檢測人體或者動物的活動傳感，由實(shí)驗(yàn)證明，傳感器不加光學(xué)透鏡，其檢測距離小于2m，而加上光學(xué)透鏡后，其檢測距離可以大于7m。2.4調(diào)光方式2.4.1調(diào)光方式選擇本系統(tǒng)需要根據(jù)環(huán)境光的變化適當(dāng)調(diào)節(jié)LED燈的亮度，當(dāng)環(huán)境較暗的時候，臺燈變亮，環(huán)境較亮的時候，臺燈變暗，這樣可以有效節(jié)省電能，也能保護(hù)使用者的視力?，F(xiàn)行常用的LED燈調(diào)光方式主要有線性調(diào)光和PWM調(diào)光，兩種調(diào)光方式實(shí)現(xiàn)方法不同，也各有優(yōu)缺點(diǎn)。模擬調(diào)光通常可以很簡單的來實(shí)現(xiàn)?？梢酝ㄟ^一個控制電壓來成比例地改變LED驅(qū)動的輸出。模擬調(diào)光不會引入潛在的電磁兼容/電磁干擾（EMC/EMI）頻率。然而，在大多數(shù)設(shè)計中要使用PWM調(diào)光，這是由于LED的一個基本性質(zhì)：發(fā)射光的特性要隨著平均驅(qū)動電流而偏移。對于單色LED來說，其主波長會改變。對白光LED來說，其相關(guān)顏色溫度（CCT）會改變。對于人眼來說，很難察覺到紅、綠或藍(lán)LED中幾納米波長的變化，特別是在光強(qiáng)也在變化的時候。但是白光的顏色溫度變化是很容易檢測的。脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。采用PWM的LED調(diào)光控制法以大于100HZ的開關(guān)工作頻率，以脈寬調(diào)制的方法改變LED驅(qū)動電流的脈沖占空比來實(shí)理LED的調(diào)光控制，選用大于100HZ開關(guān)調(diào)光控制頻率主要是為了避免人眼感覺到調(diào)光閃爍現(xiàn)象，在LED的PWM調(diào)光控制下，LED的發(fā)光亮度正比于PWM的脈沖占空比，在這種調(diào)光控制方法下，可以在高度調(diào)光比范圍內(nèi)保持LED的發(fā)光顏色不變，采用PWM的LED調(diào)光控制的調(diào)光比范圍可達(dá)3000:1。在PWM調(diào)光中，LED正向電流以受控的占空比（DDim）進(jìn)行開/關(guān)，以達(dá)到想要的亮度。DDim的動態(tài)范圍定義了PWM調(diào)光配置所能實(shí)現(xiàn)的最大亮度級別。因此，在使用PWM調(diào)光配置時所得到的最高和最低LED電流平均值分別由式1和式2表示：ILED_Max=DDim_Max×ILED(1)ILED_Min=DDim_Min×ILED(2)其中，ILED為LED電流，ILED_Max為LED電流的平均最高值，ILED_Min為LED電流的平均最低值，DDim_Max為最大調(diào)光占空比，DDim_Min為最小調(diào)光占空比。因此，最高和最低LED明亮的比率，又被看做PWM調(diào)光范圍，用式3表示。調(diào)光范圍=DDim_Max/DDim_Min(3)式3表示PWM調(diào)光范圍與最大、最小調(diào)光占空比之間的關(guān)系。對于給定的調(diào)光頻率FDim，DDim_Max表示最大占空比，即LED電流在下一個調(diào)光周期開始前，從所需的正向電流降低至零的時間；DDim_Min表示最小占空比，即LED電流由零升至所需的正向電流（IF）的時間。DDim_Max和DDim_Min表示如下：DDim_Max＝(T-tSD)/T(4)DDim_Min＝(tD+tSU)/T(5)其中，T為調(diào)光周期(T=1/FDim)，tD為從DIM脈沖上升沿到電源FET第一個脈沖之間的延遲，tSU為LED電流從零升至所需電流的上升時間，tSD為從DIM脈沖的下降沿到LED電流等于零之間的下降時間。式4和式5表達(dá)了DDim_Max、DDim_Min與LED驅(qū)動器的傳動(power-train)特性和PWM調(diào)光方案之間的關(guān)系。當(dāng)然，PWM調(diào)光也有其缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在PWM調(diào)光很容易使得白光LED驅(qū)動電路產(chǎn)生人耳聽得見的噪聲，這是因?yàn)樵赑WM調(diào)光是，如果PWM信號的頻率處于20hz到20khz之間，白光LED驅(qū)動器周圍的電感和輸出電容就會產(chǎn)生人耳聽得見的噪聲，所以設(shè)計PWM調(diào)光時，應(yīng)該注意，PWM信號的頻率應(yīng)該高于20khz，避免產(chǎn)生人耳能夠聽見的噪聲。另外從節(jié)能角度來講，由于線性調(diào)光調(diào)節(jié)了LED燈的電流，所以很多情況下LED燈并沒有工作在其額定功率狀態(tài)下，而PWM調(diào)光則避免了這種情況，而工作在非額定功率下的LED燈發(fā)光效率肯定是比額定功率下的LED燈低的，所以，本系統(tǒng)選擇了效率更高且沒有光色畸變的PWM控制方式。2.4.2PWM生成原理脈沖寬度調(diào)制（PWM），是英文"PulseWidthModulation"的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。PWM波的信號是一串頻率恒定，但是占空比可以任意調(diào)節(jié)的矩形波，通過面積等效原理，不同的占空比波形可以實(shí)現(xiàn)很多功能，且PWM經(jīng)常通過單片機(jī)的定時器和比較器生成，只需要給單片機(jī)的相關(guān)寄存器賦予相應(yīng)的值，單片機(jī)就可以自動輸出相應(yīng)占空比和頻率的PWM波形，不需要單片機(jī)實(shí)時控制。本系統(tǒng)采用的MSP430F2274單片機(jī)包含兩個16位定時器，本設(shè)計采用了定時器A的PWM7模式來輸出PWM波形，將定時器設(shè)置為升計數(shù)模式，使用比較器1通道，16位定時器從0不停的累加，通道1輸出引腳輸出高電平，當(dāng)其累加值等于TACCR1時，改引腳輸出低電平，計數(shù)器繼續(xù)累加，當(dāng)其累加值等于TACCR0時，通道1輸出引腳輸出高電平，計數(shù)器清零，繼續(xù)從0開始累加，并按此過程循環(huán)，這樣，在通道1的輸出引腳就能得到一個PWM波形。單片機(jī)生成PWM波的原理如圖2-6所示。圖2-6PWM波的頻率計算公式為：(6)其中，為定時器A的時鐘頻率，TAACR0為該寄存器的設(shè)定值。PWM波的占空比計算公式為：(7)其中，TACCR0，TACCR1均為該寄存器的設(shè)定值。2.5小結(jié)本章著重對系統(tǒng)的整體方案進(jìn)行了論證，著重對系統(tǒng)的關(guān)鍵部分進(jìn)行了詳細(xì)的方案論證，選擇了比較合適于本系統(tǒng)的方案，例如單片機(jī)的選型，電源模塊的設(shè)計選型，人體檢測方案的選擇，LED燈調(diào)光方式。3硬件電路設(shè)計3.1單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計要使用單片機(jī)，首先應(yīng)該設(shè)計一個單片機(jī)的最小系統(tǒng)，讓單片機(jī)能夠正常工作，在此基礎(chǔ)上才能外接必要的功能模塊。MSP430F2274單片機(jī)的最小系統(tǒng)比較簡單，只需要少量的外部元件即可。電路圖如圖3-1所示。圖3-1圖中，header為單片機(jī)仿真和下載程序用的JTAG接口，再加上單片機(jī)復(fù)位電路，由于單片機(jī)內(nèi)部具有振蕩器，可以提供系統(tǒng)時鐘，因此可以不再外接晶體振蕩器，如此就構(gòu)成了一個單片機(jī)最小系統(tǒng)。3.2電源設(shè)計由第二章的分析可知，本系統(tǒng)需要兩路電源，一路供給控制系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)使用，另一路恒流源供給LED燈使用。3.2.1控制系統(tǒng)恒壓源設(shè)計由于控制系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)只需要恒壓電源即可正常工作，所以可以從變壓器次級的交流電整流濾波后，通過線性穩(wěn)壓器即可直接使用，系統(tǒng)中，我們需要3.3V和12V的LED電源，而變壓器次級輸出為18V交流電，通過整流后有20V以上的直流電壓，所以系統(tǒng)采用了三級線性穩(wěn)壓器，分別采用L7812、L7805和AMS1117-3.3得到穩(wěn)定的12V、5V和3.3V直流電源。此部分電源的電路圖如圖3-2所示。圖3-2此電路在設(shè)計時主要需要考慮整流后的濾波電容，和每個電壓調(diào)整器的輸入輸出電容，負(fù)載越重，電容值就應(yīng)該相應(yīng)取的越大。3.2.2LED恒流源設(shè)計恒流源和恒壓源一樣，按照結(jié)構(gòu)分也可以分為線性電源和開關(guān)電源，圖8所示的控制系統(tǒng)電壓源即為一個典型的線性電源，它的工作原理是通過三端穩(wěn)壓器的內(nèi)部反饋，將輸出電壓限定在一個設(shè)定值，它的主要特點(diǎn)是電源輸出紋波小，沒有高頻干擾，但是效率較低，但是在功率較小的時候，特別是電路需要一個比較穩(wěn)定的電源時，比如單片機(jī)系統(tǒng)，線性穩(wěn)壓電源還是非常有用的。一個線性恒流電源的電路如圖3-3所示。圖3-3此恒流源采用了LM317設(shè)計，LM317是一個三端可調(diào)穩(wěn)壓器，可以輸出一個可調(diào)節(jié)的穩(wěn)定電壓，它的主要工作原理即為保持Vout和Adj之間為1.25V電壓，這樣，通過調(diào)節(jié)Res的阻值，即可調(diào)節(jié)整個電路的輸出電流。電路輸出電流的計算公式為：（6）此種方式的恒流源依然屬于線性電源的范疇，因此它就具有不可避免的低效率劣勢，而現(xiàn)在廣泛使用LED燈的一個重要原因就是它的優(yōu)良節(jié)能性，所以要保證整個LED系統(tǒng)的高效率，電源的效率也要保證，否則整個系統(tǒng)的電效率無法得到提高。因此，本系統(tǒng)的LED驅(qū)動電源采用了效率較高的開關(guān)電源。傳統(tǒng)的開關(guān)式恒流電源一般都是在開關(guān)式恒壓源的輸出端串接電流采樣電阻，將電路的電流信號轉(zhuǎn)化成為電壓信號送至控制器的反饋，進(jìn)而達(dá)到恒定電流輸出的作用。由于現(xiàn)在LED照明的快速發(fā)展，很多半導(dǎo)體公司也開發(fā)出了很多專門針對LED驅(qū)動的恒流電源芯片，使用這類專用芯片可以得到更高的效率，更加適合于LED的控制方式。本系統(tǒng)采用國家半導(dǎo)體公司研發(fā)的LM3421芯片，此芯片是一款升壓式恒流LED驅(qū)動電源，由于本系統(tǒng)采用了兩個1W的LED燈，每個壓降為3.5V，兩個串聯(lián)的壓降為7V，因此正好可以使用此芯片從5V電源輸入，采用升壓方式驅(qū)動兩個LED燈工作。LM3421驅(qū)動LED燈的電路如圖3-4所示圖3-4此電源電路為一個BOOST拓?fù)涞拈_關(guān)電源，需要外加開關(guān)管，電感，濾波電容等主要外部元件。芯片的3,4號腳為反饋控制的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，5號腳為開關(guān)電源的開關(guān)振蕩器端，通過調(diào)節(jié)這個阻容網(wǎng)絡(luò)可以調(diào)節(jié)電源的開關(guān)頻率，8號腳為PWM調(diào)光的輸入端，通過單片機(jī)輸入一個相應(yīng)的PWM信號，就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)光。對于電路中比較關(guān)鍵的輸出濾波電容參數(shù)，可以通過式7計算：這里的輸入電壓為5V，輸出電壓7V，輸出電流0.3A，取開關(guān)頻率為100khz，輸出紋波電壓0.1V，可以計算得出此處的電容值為8.7uF，實(shí)際可取22uF。電感的值可以通過式8計算：根據(jù)取值，可以計算得出電感值應(yīng)該為34uH。電路中的Q2為一個N溝道MOS開關(guān)管，這個開關(guān)管是整個電路輸出端的總開關(guān)，當(dāng)這個開關(guān)關(guān)斷的時候，LED上沒有電流，LED就不能發(fā)光，因此，通過單片機(jī)的PWM對這個開關(guān)進(jìn)行控制，就可以實(shí)現(xiàn)臺燈的PWM調(diào)光功能，當(dāng)PWM占空比為零時，臺燈就會處于關(guān)閉狀態(tài)。PWM的輸入端為LM3421芯片的8號引腳。3.3調(diào)光電路設(shè)計本系統(tǒng)需要根據(jù)環(huán)境光的強(qiáng)度自動調(diào)節(jié)臺燈亮度，所以需要有專門的電路來檢測環(huán)境光強(qiáng)度，這里常用檢測光強(qiáng)度的傳感器有光敏電阻、光敏三極管等。3.3.1光敏電阻電路光敏電阻是一種阻值隨著光強(qiáng)度發(fā)生改變的電阻，在強(qiáng)光和弱光下，阻值可以發(fā)生由1KΩ到100KΩ的變化，將光敏電阻與一個定值電阻串聯(lián)，測量兩個電阻之間的電壓，就可以方便的測得光敏電阻的阻值，進(jìn)而可以轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的光強(qiáng)度。光敏電阻組成的光強(qiáng)感應(yīng)電路如圖3-5所示。圖3-5光敏電阻表面的光強(qiáng)越大，其阻值越小，光強(qiáng)越弱，其阻值越大，所以由電路可以看出，光強(qiáng)越強(qiáng)的時候，AD轉(zhuǎn)換器測量得到的電壓越高，反之則越低。3.3.2光敏三極管電路光敏三極管是一種基極電流由其感光面的光線強(qiáng)度決定的三極管，當(dāng)其感應(yīng)面的光強(qiáng)越大的時候，基極電流就越大，將其集電極上拉，發(fā)射極串聯(lián)一個電阻接到地，因此，當(dāng)光強(qiáng)度越大時，回路電流越大，這樣電阻上的電壓就越大，通過AD轉(zhuǎn)換，單片機(jī)便可以得到當(dāng)前環(huán)境光的強(qiáng)度。光敏三極管組成的光線感應(yīng)電路如圖3-6所示。圖3-6采用光敏電阻或者光敏三極管作為光強(qiáng)度檢測電路的傳感器沒有太大區(qū)別，主要是和工作原理不同，但通過合理的設(shè)計，都可以滿足本系統(tǒng)的需求，本系統(tǒng)采用了光敏電阻的測量方式。單片機(jī)和光敏電阻構(gòu)成的光強(qiáng)測量電路如圖3-7所示圖3-7單片機(jī)的8號引腳為其內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器0通道的輸入端，將光敏電阻和定值電阻的串聯(lián)點(diǎn)直接接入AD轉(zhuǎn)換器的輸入通道即可。3.3.3LED開關(guān)電路本系統(tǒng)不僅需要調(diào)節(jié)LED燈的亮度，還要求能夠控制LED工作的的個數(shù)，當(dāng)環(huán)境光很強(qiáng)的時候，關(guān)閉一個LED燈，只讓一個LED燈工作，進(jìn)一步節(jié)約電能。由于兩只LED燈采用了串聯(lián)工作的方式，因此，可以用一個三極管將靠近地端的LED管短路，這樣，電流就從上一個LED通過三極管直接流入地端，從而關(guān)閉了靠近地端的LED燈，三極管導(dǎo)通與否由單片機(jī)控制，這個控制開關(guān)與LM3421上的PWM調(diào)光功能開關(guān)一起工作，就可以實(shí)現(xiàn)LED從不發(fā)光，1個發(fā)光到2個全部發(fā)光的功能，而且，整個過程中都可以通過PWM實(shí)現(xiàn)光亮度的調(diào)節(jié)。單個LED開關(guān)的電路如圖3-8所示。圖3-83.4人體感應(yīng)傳感器電路本次設(shè)計的系統(tǒng)為智能臺燈，需要在人離開臺燈一段時間后，自動熄滅臺燈，節(jié)約電能，當(dāng)使用者出現(xiàn)錯誤坐姿，離臺燈距離太近的時候，能夠?qū)κ褂谜甙l(fā)出提醒，保護(hù)使用者的健康，要實(shí)現(xiàn)這兩個功能，系統(tǒng)需要使用人體熱釋傳感器來檢測使用者是否離開臺燈或者是否離臺燈距離過近，出現(xiàn)錯誤坐姿。本系統(tǒng)采用了RE200B紅外熱釋傳感器，當(dāng)傳感器晶體表面受到紅外線照射時，會在晶體表面產(chǎn)生電荷。隨著光線對晶體照射的改變，電荷量也會發(fā)生改變。這個改變的電信號可以通過場效應(yīng)管來進(jìn)行測量。傳感器對于不同的波長的光線照射都能產(chǎn)生不同程度的響應(yīng)，因此需要在傳感器感光窗口加入一個濾鏡，這個濾鏡可以限定晶體對特定波長的光線產(chǎn)生響應(yīng)，一般在8um~14um，這個波長范圍和人體發(fā)出的紅外線波長比較接近，因此可以讓傳感器盡量對人體的紅外線響應(yīng)，而不對其它類型的光線響應(yīng)。由于傳感器輸出的電信號非常微弱，所以需要對電信號進(jìn)行合理放大才能被單片機(jī)識別，放大部分可以使用通用運(yùn)放來實(shí)現(xiàn)，但是電路會比較復(fù)雜，而且如果想實(shí)現(xiàn)一些持續(xù)輸出，延遲關(guān)閉等功能還需要自行設(shè)計電路，因此，現(xiàn)行的方案大多是采用熱釋傳感器專用的放大芯片BIS0001。BIS0001是一款CMOS數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐罚哂歇?dú)立的高輸入阻抗運(yùn)算放大器，可與多種傳感器匹配，進(jìn)行信號預(yù)處理，雙向鑒幅器可以有效抑制干擾，內(nèi)設(shè)延遲時間定時器和鎖存時間定時器，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定可靠。BIS0001芯片引腳圖如圖3-9所示。圖3-9圖中，芯片的1號引腳為重復(fù)輸出控制端，當(dāng)其置高電平時，芯片可以持續(xù)輸出，當(dāng)其置低電平時，芯片不能持續(xù)輸出，2號引腳為芯片的輸出端，單片機(jī)通過讀取此引腳電平狀態(tài)即可判斷是否有人存在傳感器周圍，3-6號引腳為延遲觸發(fā)和輸出鎖存功能定時器的控制端，12-16號引腳為其內(nèi)部兩個運(yùn)算放大器的端口。根據(jù)芯片參考手冊的應(yīng)用電路，設(shè)計出了BIS0001基于紅外熱釋傳感器的應(yīng)用電路，其電路如圖15所示。圖3-10本系統(tǒng)需要兩個該模塊電路來分別檢測臺燈周圍是否有人以及使用者是否離臺燈過近出現(xiàn)錯誤坐姿，檢測是否有人存在的電路的感應(yīng)距離應(yīng)該在2m左右，而檢測錯誤坐姿的模塊電路感應(yīng)距離應(yīng)該在1m左右，需要根據(jù)實(shí)際使用情況確定。因此在兩個電路中需要設(shè)計出兩種不同的感應(yīng)距離，使用中只需要調(diào)整BIS0001芯片上兩個放大電路的信號放大倍數(shù)既可以達(dá)到目的。3.5報警電路本次設(shè)計的臺燈為智能臺燈，在使用者使用臺燈時間過長，或者出現(xiàn)錯誤坐姿時，需要發(fā)出警告提示，警告提示的方法一般分為聲音式和發(fā)光式，發(fā)光式提醒需要使用者時刻注視著提醒裝置，具有一定局限性，而聲音式報警則不存在此問題，只要使用者在臺燈周圍，都可以接收到臺燈的提醒，因此本系統(tǒng)采用了聲音式報警。聲音式報警從復(fù)雜程度來說，又分為蜂鳴聲和語音提示兩種，前者指的是系統(tǒng)發(fā)出一定頻率的滴答聲，簡單有效，語音提示是可以發(fā)出模擬的人聲，比較人性化，但是設(shè)計復(fù)雜，成本也很高。綜合考慮本系統(tǒng)，由于所需要的提示只有長時間使用臺燈和錯誤坐姿的提醒，提醒內(nèi)容比較簡單，提醒種類只有兩種，所以本系統(tǒng)采用了成本和設(shè)計難易程度更具優(yōu)勢的蜂鳴器提醒電路，在使用臺燈時間較長時，發(fā)出3聲滴答聲，而當(dāng)使用者有錯誤坐姿時，提醒電路一直發(fā)聲，直到使用者恢復(fù)正確坐姿后停止發(fā)聲。電磁式蜂鳴器內(nèi)部包含一個電磁線圈和一個磁鐵，當(dāng)電磁線圈通電后，就會產(chǎn)生磁力，吸引磁鐵振動片，斷電后，放開振動片，當(dāng)這個通電關(guān)電的頻率達(dá)到人耳能夠識別的范圍后，蜂鳴器就會發(fā)出聲音。因此要驅(qū)動蜂鳴器發(fā)聲，就必須產(chǎn)生一個一定頻率的驅(qū)動信號給蜂鳴器，這個驅(qū)動信號可以由單片機(jī)或者其他器件提供。而有源蜂鳴器在內(nèi)部已集成了振蕩電路產(chǎn)生驅(qū)動信號，因此只需要給蜂鳴器外接電源即可工作，不再需要驅(qū)動信號。由于本系統(tǒng)具備單片機(jī)，所以采用了無源蜂鳴器。蜂鳴器的電路圖如圖3-11所示。圖3-113.6小結(jié)本章的主要內(nèi)容是分析比較并設(shè)計了系統(tǒng)中各個模塊的電路圖，從易取材性，成本，設(shè)計難度，效果等方面對每個模塊的各個可能方案進(jìn)行了比較論證，選取了更加適合于本系統(tǒng)的方案，并最終設(shè)計出了每個模塊的電路圖，為下一步的系統(tǒng)編程做好了準(zhǔn)備。4系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1調(diào)光軟件設(shè)計調(diào)光功能主要由環(huán)境光檢測和PWM調(diào)光部分組成，它的工作流程是，首先初始化PWM等單片機(jī)外設(shè)，讓單片機(jī)進(jìn)入正常工作狀態(tài)，然后打開AD轉(zhuǎn)換器，執(zhí)行一次轉(zhuǎn)換，將讀取的值轉(zhuǎn)化成為環(huán)境光強(qiáng)度，然后根據(jù)這個環(huán)境光強(qiáng)度設(shè)定PWM信號的占空比，調(diào)整LED燈的亮度，之后再回到AD轉(zhuǎn)換部分，并循環(huán)下去。其軟件流程圖如圖4-1所示。圖4-14.2坐姿糾正程序在臺燈正常使用之后，臺燈檢測坐姿的人體熱釋傳感器便開始工作，當(dāng)使用者離臺燈過近時，傳感器會輸出高電平，而單片機(jī)應(yīng)該不停的檢測傳感器的輸出，一旦檢測到高電平輸出，說明使用者出現(xiàn)了錯誤坐姿，進(jìn)而發(fā)出警報，如果使用者一直保持錯誤坐姿，則報警電路一直工作，直到使用者恢復(fù)正確坐姿，臺燈停止報警，轉(zhuǎn)入正常工作。此部分軟件流程圖如圖4-2所示。圖4-24.3使用時間過長提醒程序當(dāng)使用者在臺燈前使用時間達(dá)到一定時間后，需要發(fā)出提醒報警，提醒使用者使用時間已經(jīng)較長，此部分程序主要有單片機(jī)內(nèi)部定時器完成，通過設(shè)置合理的定時器頻率，從臺燈正常工作開始計時，當(dāng)計時達(dá)到預(yù)定值的時候，系統(tǒng)發(fā)出提示警報。蜂鳴器發(fā)出兩次滴答聲完畢，再次從新計時，當(dāng)計時時間再次達(dá)到時，發(fā)出提醒報警，如此循環(huán)。此部分程序流程圖如圖4-3所示。圖4-34.4系統(tǒng)感應(yīng)開關(guān)程序?yàn)榱斯?jié)能的考慮，本系統(tǒng)要求能夠在使用者離開臺燈一段時間之后自動關(guān)閉，當(dāng)使用者再次進(jìn)入臺燈范圍時，臺燈能夠自動打開。這里仍然使用了紅外熱釋傳感器來實(shí)現(xiàn)這一功能，當(dāng)人體處于臺燈周圍時，傳感器會輸出高電平，當(dāng)人離開時，輸出低電平，單片機(jī)通過檢測此傳感器的電平輸出，既可以感知系統(tǒng)周圍是否有人存在。如果臺燈處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)檢測到有人時，立即打開臺燈，如果處于打開狀態(tài)，當(dāng)檢測到使用者離開時，開始計時，并保持檢測，如果在一定時間內(nèi)，使用者一直不在臺燈旁，則關(guān)閉臺燈。此部分程序流程圖如圖4-4所示。圖4-44.5系統(tǒng)整體程序流程在臺燈通電之后，首先會初始化單片機(jī)內(nèi)部的外設(shè)模塊，然后各個外部傳感器模塊也會初始化，當(dāng)系統(tǒng)完成初始化之后，開始正常工作，首先臺燈檢測臺燈周圍是否有人存在，如果存在，則打開臺燈，如果不存在，則不打開臺燈，并保持檢測。當(dāng)臺燈打開之后，首先打開定時器計時，然后檢測環(huán)境光，對于當(dāng)時的環(huán)境光調(diào)節(jié)相應(yīng)的LED亮度，調(diào)節(jié)完畢之后，讀取坐姿傳感器的狀態(tài)，如果有不正確坐姿，則進(jìn)入提醒報警狀態(tài)，進(jìn)入此狀態(tài)后，提醒報警電路持續(xù)工作，直到使用者恢復(fù)正確坐姿。如果坐姿恢復(fù)，則進(jìn)入下一步判定使用時間是否達(dá)到預(yù)設(shè)值，如果達(dá)到，進(jìn)行一次報警，退出報警，清零定時器，然后系統(tǒng)檢測使用者是否還在臺燈周圍，如果還在，程序轉(zhuǎn)向環(huán)境光檢測，如果不存在，則另一定時器開始定時，如果定時達(dá)到預(yù)設(shè)值，使用者仍然不在，則關(guān)閉臺燈，程序轉(zhuǎn)向初始檢測是否有人存在的位置，如果使用者在預(yù)設(shè)時間內(nèi)回到臺燈周圍，則清零定時器，進(jìn)入環(huán)境光檢測位置，如此循環(huán)。系統(tǒng)整體程序流程如圖4-5所示。圖4-54.6小結(jié)本章針對系統(tǒng)的電路設(shè)計，合理編寫了軟件程序，使系統(tǒng)能夠在單片機(jī)的控制下有序工作，采用的MSP430F2274單片機(jī)配合IAR編譯軟件，采用C語言編寫程序，首先將各個模塊的功能實(shí)現(xiàn)，最后將各個模塊整合成為一個完整的系統(tǒng)，完成智能臺燈的軟件設(shè)計。5結(jié)束語伴隨著能源越來越緊缺，而現(xiàn)階段各國對能源的的需求卻日益增長的今天，大力發(fā)展節(jié)能技術(shù)成為了全世界的共識。臺燈作為一個普及率非常高的照明設(shè)備，消耗的電能也不可小視，而針對臺燈的節(jié)能設(shè)計，如果能夠得到普及應(yīng)用，可以為節(jié)約能源做出巨大貢獻(xiàn)，能源的節(jié)約，對國家發(fā)展的方方面面都有著深遠(yuǎn)影響。而臺燈作為一個室內(nèi)照明設(shè)備，很多人在使用它的時候都是出于工作學(xué)習(xí)的狀態(tài)，很容易因?yàn)殚L期工作勞累或者不正確的使用方法，對身體健康產(chǎn)生危害，誘發(fā)很多職業(yè)病，甚至現(xiàn)在已經(jīng)有一些因?yàn)檫^度勞累而威脅生命健康的實(shí)踐，因此設(shè)計一個智能臺燈，提醒使用者合理調(diào)整作息時間，勞逸結(jié)合，保護(hù)身體健康，顯得頗有意義，本智能臺燈系統(tǒng)就是以此為背景做的一些探索性設(shè)計。本智能臺燈系統(tǒng)采用現(xiàn)在流行的LED冷光源作為臺燈的主光源，這種電光源是現(xiàn)階段效率最高的光源，可以有效節(jié)約電能，其工作電路需要特殊設(shè)計，否則臺燈的節(jié)能型無法得到較好的體現(xiàn)，但只要通過合理的設(shè)計，此類光源依然可以提供非常高的發(fā)光效率，有效節(jié)約電能，配合系統(tǒng)的智能檢測功能，可以在使用者離開臺燈后，關(guān)閉臺燈，當(dāng)使用者回到臺燈旁時，自動打開臺燈，既能體現(xiàn)智能臺燈的方便易用性，又能有效節(jié)能，針對使用者健康保護(hù)方面，本系統(tǒng)具有使用時間過長提醒和坐姿錯誤提醒，當(dāng)使用者使用臺燈時間過長是，系統(tǒng)能夠發(fā)出警報提醒，當(dāng)使用者出現(xiàn)錯誤坐姿的時候，系統(tǒng)也可以發(fā)出警報提醒，這樣可以有效的保護(hù)使用者的健康。由于本文的設(shè)計重點(diǎn)在于探索智能臺燈實(shí)現(xiàn)的可能性，并制作出實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行驗(yàn)證，所以本系統(tǒng)中還存在很多設(shè)計細(xì)節(jié)存在不足，主要有以下幾個方面：系統(tǒng)沒有設(shè)計人機(jī)界面，比如屏幕顯示，按鍵設(shè)定等，這樣使用者無法設(shè)定使用時間報警的時間長度，還有坐姿糾正功能需要根據(jù)使用者和臺燈的實(shí)際距離來設(shè)定傳感器的敏感程度，因此沒有人機(jī)接口的系統(tǒng)在使用中會顯得較為不方便。系統(tǒng)的警報提醒功能顯得較為簡單，為蜂鳴器報警，由于此次只是原理性驗(yàn)證，所以沒有采用更加智能化的語音電路，主要是因?yàn)閱蝹€設(shè)計采用語音電路會大幅提高設(shè)計成本，如果產(chǎn)品能夠量產(chǎn)，則可以考慮加入語音電路，此時成本會大幅降低。由于畢業(yè)設(shè)計時間較短，很多內(nèi)容都是從頭學(xué)習(xí)，且本設(shè)計主要內(nèi)容是進(jìn)行理論上的分析和設(shè)計，所以在本文的設(shè)計中還存在一些不足，但我覺得，在整個畢業(yè)設(shè)計的過程中，我學(xué)習(xí)到了很多知識，學(xué)會了對一整個系