【基于SCT89C52單片機(jī)的智能臺(tái)燈設(shè)計(jì)5200字（論文）】

基于SCT89C52單片機(jī)的智能臺(tái)燈設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-2"\h\u26298引言 1172121.概述 2252071.1課題設(shè)計(jì)意義 28231.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 239852.系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì) 384202.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)成 38272.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路 3115053.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3170353.1最小系統(tǒng)模塊 4314213.2LED照明模塊 450143.3光照強(qiáng)度采集模塊 5162373.4人體檢測(cè)模塊 5267993.5按鍵模塊 6304084.PID閉環(huán)控制算法 6159564.1PID算法簡(jiǎn)介 791734.2算法控制流程分析 7188975.系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì) 8295866.總結(jié) 9摘要：臺(tái)燈方便了人們?cè)谝雇淼墓ぷ骱蛯W(xué)習(xí)。隨著電子技術(shù)的日益成熟，人們對(duì)臺(tái)燈也提出了智能化的要求。由于傳統(tǒng)臺(tái)燈亮度單一、功能簡(jiǎn)單，為了改進(jìn)傳統(tǒng)臺(tái)燈的功能，本文設(shè)計(jì)了一款以SCT89C52單片機(jī)為控制核心，利用光敏電阻獲得環(huán)境亮度信息，借助ADC0832進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，利用pulsewidthmodulation(PWM)調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)臺(tái)燈亮度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，使臺(tái)燈能夠根據(jù)環(huán)境亮度調(diào)節(jié)燈光強(qiáng)度。為了使臺(tái)燈亮度切換更加穩(wěn)定加入proportionintegrationdifferentiation(PID)算法使臺(tái)燈亮度逐漸變化。紅外模塊檢測(cè)燈前是否有人，做到有人開燈，無(wú)人關(guān)燈，達(dá)到節(jié)能護(hù)眼的要求。關(guān)鍵詞：智能臺(tái)燈；PWM調(diào)光；人體感應(yīng)；PID算法引言現(xiàn)代人們的生活離不開燈光照明。人們生活中接觸最早的照明工具是煤油燈，但是煤油燈不僅光亮微弱，燃燒時(shí)還會(huì)產(chǎn)生刺鼻的氣味影響人們的身體健康。隨著人們對(duì)科技的不斷探索發(fā)明了白熾燈，用電代替煤油為燈提供能源，照明穩(wěn)定而且比煤油燈更安全。但普通白熾燈存在耗電量大，夜晚使用燈光太強(qiáng)損害視力。隨著電子工藝的發(fā)展，人們發(fā)明了LED燈，它是一種功耗低、高效能的燈，與傳統(tǒng)的燈源相比，它具有節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境、使用壽命長(zhǎng)、安全等特點(diǎn)。傳統(tǒng)臺(tái)燈功能少，亮度無(wú)法調(diào)節(jié)，如果是在夜晚使用經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)找不到開關(guān)的情況，忘記關(guān)燈時(shí)也會(huì)造成很大的能源浪費(fèi)。智能臺(tái)燈的設(shè)計(jì)目的就是改善臺(tái)燈亮度單一，在保留傳統(tǒng)臺(tái)燈按鍵控制的基礎(chǔ)上，臺(tái)燈根據(jù)環(huán)境亮度的不同調(diào)節(jié)燈光亮度，實(shí)現(xiàn)臺(tái)燈的智能亮度調(diào)節(jié)。紅外模塊檢測(cè)臺(tái)燈前有沒(méi)有人，做到有人燈亮、無(wú)人熄燈。減少資源浪費(fèi)，契合當(dāng)代節(jié)能、環(huán)保的主題。1.概述1.1課題設(shè)計(jì)意義節(jié)約用電是生活中經(jīng)常能見到的標(biāo)語(yǔ)，臺(tái)燈是很多家庭用來(lái)學(xué)習(xí)和照明的家用電器，臺(tái)燈數(shù)量的增加使得電量消耗特別大。而且隨著全球化時(shí)代的到來(lái)，我國(guó)照明需求增高，耗電量增加，尋求更加節(jié)能環(huán)保、使用壽命更長(zhǎng)的照明燈源成為節(jié)約能源的關(guān)鍵REF_Ref17303\r\h[1]。作為學(xué)習(xí)的照明工具，傳統(tǒng)臺(tái)燈在使用過(guò)程中，一直保持單一亮度，長(zhǎng)時(shí)間在燈光亮度太亮的環(huán)境下用眼會(huì)造成用眼疲勞。有可能形成近視。人們?cè)谝雇砉ぷ鲿r(shí)經(jīng)常會(huì)感覺(jué)疲憊，時(shí)常發(fā)生忘記關(guān)燈的情況，臺(tái)燈一直處于開燈狀態(tài)會(huì)費(fèi)電。為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)臺(tái)燈亮度調(diào)節(jié)的空白，本設(shè)計(jì)所制作的智能臺(tái)燈保留傳統(tǒng)的按鍵控制臺(tái)燈亮度，以適應(yīng)各種使用情況，增加自動(dòng)調(diào)節(jié)臺(tái)燈亮度，用戶在臺(tái)燈使用過(guò)程中更加便利，用眼環(huán)境更加舒適REF_Ref4733\r\h[2]。為了減少臺(tái)燈不必要的使用，加入人體檢測(cè)功能，當(dāng)燈前沒(méi)有人時(shí)熄滅臺(tái)燈，節(jié)約用電，保護(hù)用戶視力REF_Ref892\r\h[3]。1.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀臺(tái)燈的出現(xiàn)使人們?cè)谝雇砘蜿幪旃饩€不好的情況下也可以正常的工作和學(xué)習(xí)，可充電臺(tái)燈在停電時(shí)也可以使用。現(xiàn)代人們經(jīng)常熬夜加班，使用臺(tái)燈次數(shù)增加。簡(jiǎn)單的照明功能已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代家庭的要求。人們希望臺(tái)燈的工作更加貼心，臺(tái)燈亮度更加舒適，使用時(shí)更加智能。人們的經(jīng)濟(jì)水平越來(lái)越好，對(duì)于家用電器的功能提出了更多的要求REF_Ref1228\r\h[4]。當(dāng)前臺(tái)燈主要向護(hù)眼、節(jié)能、美觀方面發(fā)展，護(hù)眼臺(tái)燈通過(guò)降低燈光頻閃穩(wěn)定燈光亮度，普通臺(tái)燈在正常工作時(shí)，燈光亮度為固定值，在陰天或者周圍環(huán)境較暗時(shí)并不能適應(yīng)人體眼睛的需求，近視的形成很大一部分是因?yàn)橛脩粼诓缓线m的燈光環(huán)境下用眼過(guò)度。而且大多數(shù)護(hù)眼燈質(zhì)量不過(guò)關(guān)，無(wú)法達(dá)到護(hù)眼要求。本設(shè)計(jì)利用PWM調(diào)制技術(shù)在固定周期內(nèi)改變高低電平的時(shí)間比例REF_Ref1640\r\h[5,6]。通過(guò)調(diào)節(jié)臺(tái)燈亮滅時(shí)間的占空比改變臺(tái)燈亮度，提供用戶適應(yīng)當(dāng)前環(huán)境的燈光亮度。保護(hù)用戶眼睛健康。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)臺(tái)燈會(huì)更加智能。系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)以SCT89C52單片機(jī)為控制核心REF_Ref1875\r\h[7]。為了使臺(tái)燈適用范圍更大，保留手動(dòng)控制的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了自動(dòng)模式，手動(dòng)模式下通過(guò)按鍵改變臺(tái)燈亮度，自動(dòng)模式下通過(guò)光敏電阻獲取環(huán)境亮度信息，然后由ADC0832模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)之后利用PWM調(diào)制技術(shù)改變臺(tái)燈當(dāng)前的亮度值REF_Ref18255\r\h[8]REF_Ref4733\r\h。在調(diào)節(jié)臺(tái)燈亮度時(shí)適合人眼使用亮度與設(shè)定值存在誤差，用PID算法控制系統(tǒng)不斷減小誤差，是臺(tái)燈亮度切換之間平滑過(guò)渡，適應(yīng)人體眼睛感受。控制臺(tái)燈亮度達(dá)到適合當(dāng)前環(huán)境值，直到亮度調(diào)節(jié)合適，保護(hù)用戶眼睛健康。系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)成本智能臺(tái)燈設(shè)計(jì)系統(tǒng)選擇價(jià)格實(shí)惠的SCT89C52單片機(jī)來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)，在單片機(jī)周圍加上合適數(shù)值的電阻電容、晶振等電子器件組成單片機(jī)的最小系統(tǒng)REF_Ref18572\r\h[9]。在此系統(tǒng)周圍添加其他模塊完成整個(gè)智能臺(tái)燈的預(yù)設(shè)功能。其中臺(tái)燈照明部分用簡(jiǎn)單實(shí)用的USB小燈進(jìn)行模擬，簡(jiǎn)化臺(tái)燈的外形視覺(jué)上更加簡(jiǎn)約。光照強(qiáng)度采集模塊由光敏電阻獲取光照信息，ADC0832將電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字交由單片機(jī)處理數(shù)據(jù)。紅外熱釋傳感器進(jìn)行人體檢測(cè)，相比其他傳感器靈敏度較高，使用方便操作簡(jiǎn)單。臺(tái)燈旁邊會(huì)有一個(gè)紅色小燈用于提示用戶當(dāng)前的控制方式，手動(dòng)控制燈不亮，自動(dòng)控制燈亮。本設(shè)計(jì)共需三個(gè)按鍵，分別是確定臺(tái)燈燈光控制方式的模式選擇按鍵，手動(dòng)模式下的臺(tái)燈亮度增強(qiáng)按鍵和臺(tái)燈亮度降低按鍵；電源部分為USB5V為整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電。系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路圖1系統(tǒng)框圖系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)智能臺(tái)燈設(shè)計(jì)的功能，本設(shè)計(jì)主要有單片機(jī)最小系統(tǒng)、LED照明模塊、光照強(qiáng)度采集模塊、人體檢測(cè)模塊REF_Ref19509\r\h[10]。下面對(duì)這些模塊進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。3.1最小系統(tǒng)模塊單片機(jī)最小系統(tǒng)控制整個(gè)臺(tái)燈能夠正常工作，包含單片機(jī)、電源、晶振和復(fù)位電路四個(gè)部分。本設(shè)計(jì)采用5V電壓為整個(gè)系統(tǒng)供電，復(fù)位電路中當(dāng)系統(tǒng)接通電源之后電容開始充電，在此期間RESET腳為高電平將會(huì)出現(xiàn)高電平，實(shí)現(xiàn)電路的自動(dòng)復(fù)位。避免因?yàn)橥饨缬绊懜蓴_程序的運(yùn)行。晶振的取值大小會(huì)影響單片機(jī)的運(yùn)行速度，本設(shè)計(jì)使用12M晶振即可滿足設(shè)計(jì)需求。EA引腳接高電平保證單片機(jī)從內(nèi)部開始讀取程序。圖2單片機(jī)最小系統(tǒng)3.2LED照明模塊本設(shè)計(jì)臺(tái)燈電路由LED燈串聯(lián)電阻組成，滿足臺(tái)燈照明需求的同時(shí)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，外形上更加美觀。在實(shí)際工作中，單片機(jī)通過(guò)控制三極管基極所接串口的電平狀態(tài)，從而控制臺(tái)燈的亮滅。輸出高電平時(shí)電流無(wú)法流過(guò)臺(tái)燈，臺(tái)燈處于關(guān)閉的狀態(tài)，輸出低電平時(shí)電流順利流通，臺(tái)燈點(diǎn)亮。實(shí)現(xiàn)控制臺(tái)燈的亮滅。該模塊設(shè)計(jì)電路圖3所示。圖3LED燈照明電路3.3光照強(qiáng)度采集模塊完成臺(tái)燈自動(dòng)調(diào)光的關(guān)鍵在于獲得環(huán)境亮度信息。因此要有光照強(qiáng)度采集模塊，它由光敏電阻和ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片組成。光敏電阻的特點(diǎn)是光照強(qiáng)度越強(qiáng)阻值越小，分壓減小。此時(shí)定值電阻分壓變大，將光照強(qiáng)度的大小轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱拇笮　Ｔ儆赡?shù)轉(zhuǎn)換芯片將模擬的電壓值變換為數(shù)字值，ADC0832將數(shù)字值傳給單片機(jī)，不同的光照環(huán)境電壓大小不同，單片機(jī)就根據(jù)環(huán)境亮度信息運(yùn)行程序調(diào)節(jié)臺(tái)燈亮度。兩電阻阻值比就是它們電壓比，電路圖如圖4所示。圖4光照強(qiáng)度采集電路3.4人體檢測(cè)模塊本設(shè)計(jì)所用的人體檢測(cè)采用HC-SR501雙探測(cè)元的結(jié)構(gòu)。更好的感知人體移動(dòng)情況。自動(dòng)模式時(shí)首先檢測(cè)臺(tái)燈前有人使用點(diǎn)亮臺(tái)燈，根據(jù)光敏電阻采集到的環(huán)境亮度信息自動(dòng)調(diào)節(jié)臺(tái)燈亮度，使臺(tái)燈亮度符合人眼適宜亮度，避免燈光太亮或太暗造成用戶用眼疲勞，產(chǎn)生眼睛酸澀、近視等情況。當(dāng)用戶離開后一定時(shí)間臺(tái)燈自動(dòng)熄滅，避免臺(tái)燈長(zhǎng)時(shí)間不用卻一直開著浪費(fèi)電力。人體感應(yīng)模塊的電路的連接圖如圖5所示。1腳接電源3腳接地，2腳與單片機(jī)連接在有人時(shí)呈現(xiàn)高電平一般是輸出低電平。單片機(jī)檢測(cè)到引腳2為高電平判斷出臺(tái)燈前有人REF_Ref21723\r\h[11]。圖5人體檢測(cè)電路HC-SR501實(shí)物圖如圖6所示：圖6HC-SR501實(shí)物圖3.5按鍵模塊本設(shè)計(jì)的按鍵部分根據(jù)需求分析要有模式選擇按鍵、亮度增強(qiáng)按鍵、亮度降低按鍵。按鍵一端接地一端接單片機(jī)，按鍵未被按下時(shí)連接單片機(jī)端引腳默認(rèn)高電平，當(dāng)按鍵被按下時(shí)，按鍵兩端的電壓被接地端拉低電平。單片機(jī)通過(guò)讀取按鍵引腳的電壓狀態(tài)獲得按鍵信息REF_Ref22810\r\h[12]。本設(shè)計(jì)中采用獨(dú)立鍵盤，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單好用按鍵的連接圖7所示。圖7按鍵電路PID閉環(huán)控制算法本設(shè)計(jì)臺(tái)燈利用PWM脈沖調(diào)制技術(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)同一周期內(nèi)臺(tái)燈亮滅占空比來(lái)調(diào)節(jié)亮度。PWM對(duì)高低電平的控制使臺(tái)燈在固定周期內(nèi)不斷地熄滅點(diǎn)亮，使臺(tái)燈呈現(xiàn)不同的亮度。通過(guò)改變臺(tái)燈亮滅的占空比使臺(tái)燈亮度產(chǎn)生變化，達(dá)到適宜人眼的亮度。為了使臺(tái)燈亮度在變化時(shí)有一個(gè)循序漸進(jìn)的亮度改變，避免人體眼睛對(duì)亮度的變化產(chǎn)生不適，加入PID閉環(huán)控制，以環(huán)境亮度為反饋量，通過(guò)減小預(yù)先設(shè)置的人眼適宜環(huán)境亮度與當(dāng)前環(huán)境亮度之間的誤差，使誤差緩慢減小，直到達(dá)到人眼最佳的亮度條件。4.1PID算法簡(jiǎn)介PID控制是將一個(gè)物理量通過(guò)計(jì)算保持穩(wěn)定的一種算法，目標(biāo)值和實(shí)際輸出量之間的差值就是系統(tǒng)中要控制的誤差。是系統(tǒng)設(shè)定的目標(biāo)量，是實(shí)際值，它們的差值就是系統(tǒng)誤差，用公式表示為：。將誤差的比例、積分和微分通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量REF_Ref27687\r\h[16,17]。PID控制規(guī)律為式（1）（1）運(yùn)用公式減小目標(biāo)量與實(shí)際物理量的誤差，使要控制的物理量穩(wěn)定的達(dá)到目標(biāo)值。4.2算法控制流程分析在臺(tái)燈亮度調(diào)節(jié)中，以環(huán)境亮度為反饋量，通過(guò)不斷比較環(huán)境亮度和預(yù)先設(shè)定的環(huán)境理想亮度比較，使臺(tái)燈亮度逐漸變化達(dá)到適宜人眼的亮度。臺(tái)燈當(dāng)前亮度與理想亮度在調(diào)節(jié)過(guò)程中存在誤差，P比例控制的作用是將想要控制的物理量快速帶到目標(biāo)值附近是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。臺(tái)燈過(guò)暗時(shí)讓臺(tái)燈緩慢增加亮度。臺(tái)燈過(guò)亮?xí)r讓臺(tái)燈稍微減少亮度；有了P的調(diào)節(jié)之后，臺(tái)燈亮度會(huì)在設(shè)定的目標(biāo)值上下來(lái)回變動(dòng)，忽明忽暗。無(wú)法穩(wěn)定在當(dāng)前設(shè)置的理想亮度值上。這時(shí)需要一個(gè)控制作用在臺(tái)燈有變暗的趨勢(shì)時(shí)讓臺(tái)燈增加亮度，在臺(tái)燈有變亮的趨勢(shì)時(shí)再讓它稍微減少亮度。在前面比例控制時(shí)臺(tái)燈亮度由當(dāng)前值快速變化到理想值附近。微分控制D的作用是臺(tái)燈亮度在理想亮度值附近來(lái)回變動(dòng)。這時(shí)臺(tái)燈亮度控制還算穩(wěn)定，但是仍然與理想的亮度之間存在較小的誤差，在誤差調(diào)節(jié)過(guò)程中PD控制在誤差發(fā)生偏離前提前抑制誤差控制使其為零或者為負(fù)值，避免臺(tái)燈亮度在調(diào)節(jié)過(guò)程中調(diào)節(jié)過(guò)度。因?yàn)樵诮咏繕?biāo)值的調(diào)節(jié)過(guò)程P的控制作用就不太明顯了。越接近目標(biāo)，P的作用越不明顯。臺(tái)燈亮度在變化過(guò)程中會(huì)受到很多因素的影響，這時(shí)控制量發(fā)生小范圍的擺動(dòng)。D的作用就是讓物理量的速度趨于零，當(dāng)被控制的物理量發(fā)生變化時(shí)，D就控制這個(gè)物理量向相反的方向變化，控制物理量的變化使得它向理想值靠近；比例控制和微分控制使臺(tái)燈亮度在理想值變化，但在臺(tái)燈亮度剛開始靠近理想值時(shí)，在P的作用下緩緩靠近，但是環(huán)境亮度也在變化，微分控制察覺(jué)不到這個(gè)變化，使得臺(tái)燈亮度一直在理想值上下波動(dòng)，無(wú)法達(dá)到設(shè)定的理想值。這時(shí)就需要用到積分控制I，臺(tái)燈亮度在接近目標(biāo)值時(shí)誤差很小系統(tǒng)不易察覺(jué)，此時(shí)積分的作用是對(duì)偏差進(jìn)行一次又一次的積分，將偏差進(jìn)行累加作用，直到系統(tǒng)察覺(jué)到誤差再次對(duì)偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)反應(yīng)在調(diào)節(jié)力度上，這樣，隨著一次次積分，積分量不斷增加，系統(tǒng)意識(shí)到臺(tái)燈亮度還沒(méi)有達(dá)到目標(biāo)值，就會(huì)繼續(xù)工作，積分控制的作用是減小靜態(tài)情況下的誤差，使被控量盡可能接近目標(biāo)值。5.系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的軟件流程圖如圖8所示，S1為模式選擇、S2為亮度降低按鍵、S3為亮度增強(qiáng)按鍵。臺(tái)燈通電之后，首先單片機(jī)判斷S1有沒(méi)有被按下。是的話切換臺(tái)燈亮度的控制方式，同時(shí)根據(jù)不同控制方式選擇模式指示燈的亮滅。指示燈亮提示用戶當(dāng)前是自動(dòng)模式，指示燈滅提示用戶當(dāng)前是手動(dòng)模式。由于本設(shè)計(jì)中采用的機(jī)械鍵盤在按的過(guò)程中會(huì)發(fā)生抖動(dòng)，電平狀態(tài)不穩(wěn)定，在按鍵按下時(shí)會(huì)延遲一段時(shí)間等待按鍵的下一次狀態(tài)。單片機(jī)讀取模式選擇按鍵的電平狀態(tài)判斷當(dāng)前處于何種控制方式，進(jìn)行相應(yīng)的操作。自動(dòng)控制時(shí)，臺(tái)燈前如果有人，傳感器會(huì)給單片機(jī)一個(gè)高電平。然后單片機(jī)讀取經(jīng)AD芯片轉(zhuǎn)換后的當(dāng)前環(huán)境亮度信息，該值為環(huán)境亮度的實(shí)際值，單片機(jī)通過(guò)PWM