基于单片机的智能节能台灯的设计

基于单片机的智能节能台灯的设计内容摘要：

近年来，我国青少年近视发病率节节上升，发病人数居全球首位，达到历史空前水平。 全国政协委员、沈阳何氏眼科医院院长何伟呼吁，关注我国青少年视力健康，切实加强中小学生近视眼的防治工作刻不容缓。 何伟委员告诉记者，目前我国共有四亿多近视眼患者，以 13亿人口计，约每 3个人中就有 1个是近视眼，特别是青少年近视的发病率居世界第二，人数居世界第一，且渐趋低龄化， 中小学生近视检出率为％ (城市 ％、农村 ％ )，高中以上学生更是高达 70％。 近视正严重危害青少年的健康成长，同时影响我国高素质人才职业的筛选，缩小特殊职业人员的选取范围，更是对实现我国二十一世纪健康目标的严重挑战。 多年来近视眼病在我国、日、韩和东南亚地区特别严重，时时影响着青少年的学习、健康、工作和生活。 近年来我国近视眼患病率已上升到世界第二位，仅次于日本，总数量居世界第一。 近视眼病的防治是一种世界性的重大难题，迄今没有治愈的有效药物和方法。 市售的药物和器具只能起到一定的调理和缓解作用， 而手术和激光治疗有严格的年龄限制，而且还包含着严重的隐患和风险。 除了遗传原因，诱发学生患近视眼病的根源有多种，必须从诱发的所有根源上做起，才能真正防止。 我国的中小学生之所以出现这么严重的近视问题，原因是他们在平时在灯下学习或做作业的时候不注意坐姿，由于离光源太近，久而久之使视力下降，出现了近视眼。 目前市场上出售的调光台灯多为手动式，即根据使用者的需要，用手转动调光旋钮，改变台灯的亮度，虽然有节约用电的作用，但无防近视功能。 为使中、小学生在灯下看书或做作业时，不能离灯 太 近，若超过规定 (即调定 )的距离，灯光便 自动变暗乃至熄灭，而离开规定距离，灯光则自动变亮，我们设计了一种智能台灯。 它可以在使用者 看书写字姿势不正确或者距离台灯太近 的时候 ， 灯光会慢慢变暗 提醒你纠正，直到你坐姿完全正确为止。 从而 使你 养成良好的读书写字姿势，保护好视力 防止近视眼，这个功能都是 台灯根据人体探测电路的输出信号来 控制，如果晚上工作学习太累不小心趴在台灯下睡着了， 台灯 的传感器检测到你离光源太近，经提醒电路暗灯提醒未离开则在单片机程序控制下 自动熄灭 台灯，同时起到了省电的作用。 天津职业技术师范大学 2020 届本科生毕业设计 4 课题的发展现状 单片机在本次智能节能台灯设计中是主要控制单元 ，主要控制电路灯光控制电路是在单片机的控制下工作。 下面就介绍一下智能节能台灯的大脑，单片机的发展状况以及在各个领域中的实际应用。 在对其熟悉的基础上对它进行合理的利用。 单片机的发展现状 微型计算机即单片机， 1976 年 Intel 公司推出了 8位的 MCS48系列单片机，它以等特点，赢得了广泛的应用和好评，为单片机的发展奠定了坚实的基础，成为单片机发展史上一个重要阶段。 其后，在 MCS48 成功的刺激下，许多半导体芯片在生产厂商竞相研制和发展自己的单片机系列。 到 80 年代末，世界各地已相继研制出大约50个系 列 300 多个品种的单片机产品，其中包括 Motorola 公司的 6801， 6802， Zilog公司的 Z8系列， Rockwell 公司的 6501， 6502 等，此外，日本的 NEC 公司，日立公司等也不甘落后，相继推出了各自的单片机品种。 尽管目前单片机的品种很多，但是我国使用最多的是 Intel 公司的 MCS51单片机系列。 MCS51系列是在 MCS48 的基础上 在 上世纪八十年代初发展起来的，虽然它是 8位的单片机，但其功能较 MCS48有很大的增强。 此外，它还具有品种全、兼容性强、软硬件资料丰富等特点，因此应用愈加广泛 ，直到现在， MCS51 仍不失为单片机的主流系列。 继 8位单片机之后，又出现了 16 位单片机， 1983 年 Intel 公司推出的 MCS96 系列 处理器。 单片机就是其中的典型代表。 与 MCS51 相比， MCS96 不但字长增加一倍，而且在其它性能方面也有很大的提高，特别是芯片内还增加了一个4路或 8路的 10位 A/D转换器，使其具有 A/D 转换的功能。 纵观单片机近 30 年的发展历程，单片机今后将向多功能、高性能、高速度、低电压、低功耗、低价格、外围电路简单化以及片内存储器容量增加的方向发展。 但其位数不一定会继续增加，尽管现在 已经有了 32 位单片机，但使用的并不多。 可以预言，今后的单片机将是功能更强、集成度和可靠性更高而功耗更低、以及使用更方便等特点。 此外，专用化也是单片机的一个发展方向，针对单一用途的专用单片机将会越来越多。 随着微电子技术和超大规模集成电路技术的发展，单片机真正意义上的嵌入式系统的出现。 单片机能最好地满足嵌入式应用的环境要求，例如，芯片级的物理空间、大规模集成电路的低价位、良好的外围接口总线和突出控制功能的指令系统。 单片机有计算机系统内核，嵌入到电子系统中，为电子系统智能化奠定了基础。 因此，当前单片机在电子系统 中的广泛使用，使经典电子系统迅速过渡到智能化的现代电子系统。 又单片微型计算机以其体积小、性价比高、功能强、可靠性高等独有特点，在各天津职业技术师范大学 2020 届本科生毕业设计 5 个领域（如工业控制、家电产品、汽车电子、通信、智能仪器仪表）得到广泛应用。 台灯的发展现状 台灯本来是一个非常简单的照明工具， 就是一个电源加一个灯泡， 但是随着科技的进步，人们开始对台灯的功能要求也开始日渐提高。 所以它的功能也由简单的照明开始向其他的节能和护眼等方面发展，有些台灯还添加了闹钟和定时等功能。 护眼台灯 的护眼原理 护眼台灯 主要由单端荧光灯和灯具两部分组成。 单端荧光灯为节能灯；灯具里的主要电器元件是电子镇流器和启动器。 它的工作原理是 把低频闪提高至高频闪，这种护眼灯采用变频电子镇流器，将电频率由 50H z 提高至 5500H z以减少频闪，采用三基色荧光粉，减少了炫光效应，使得光线柔和不刺目，使人眼感受不到频闪不适，以此来减轻视力疲劳。 频闪效应是所有荧光灯管的一个测试指标：频闪越少，照明效果越好。 普通台灯在 50 赫兹的交流电状态下正常工作的时候，每秒钟会发生闪烁 100 次左右，如此高的闪烁频率，光靠人眼是看不出来的。 因此，在台灯下 用灯 时间一长，再加上不注意用眼卫生，极其容易发生近视。 而护眼灯的原理则是将 50 赫兹的电频率提高到 40000 至 55000赫兹，而相应的台灯每秒钟的闪烁频率就会大幅度下降，有的甚至可以下降为零，从而起到保护视力的功能。 但是，目前灯具市场里的不少品牌的护眼灯的质量不过关，护眼灯 的 内部 电频率根本无法达到质量要求的 40000 赫兹以上的要求。 节能台灯 一般的节能台灯都是在灯泡上做研究，尽量使用节能灯具，可以把白炽灯泡换成LED的节能型灯泡。 近年来 随着绿色照明概念的提出，研制新型的环保节能台灯成为当务之急。 目前已有专业人员 研发出半导体环保节能台灯，将半导 体 LED 用于室内照明。 这是一款 实用新型的台灯，由于以发光二极管为光源，再配以专门设计的外形结构，可极大限度地利用光的效率，给人以温馨或者恬静的感觉，特别适用于家庭、宾馆以及办公室等环境的工作、学习、休息等照明与装饰的需要，由于基本消除了频闪，使得灯光对视力保健更有效果，同时，还具有节省电能的效能。 本实用新型台灯提供的光线照度均匀、无闪烁，并且产品使用寿命长、省电、反应速度快、环保、防爆、冷光源、安全性高，适合一般的工作、学习、居住等局部照明之用。 相信随着科技的发展，未来的照明光源将以环保节能的半导体发光器 件为主，更易控制和实现多功能化和智能化。 天津职业技术师范大学 2020 届本科生毕业设计 6 研究内容 随着智能化技术的飞速发展，智能化家用电器的日益普及，作为千家万户日常使用的家用小电器 智能节能台灯也应运而生。 智能台灯是利用单片机的本文设计是选择了 Atmega16 作为控制芯片。 将硬件设计分为传感器及信号处理部分、以 Atmega16组成的中央处理单元、提醒电路及 LED 驱动电路。 对各部分功能作用予以详细说明。 软件设计采用模块化结构，将各模块设计完成后进行总调。 本文第一章为绪论，阐述了结合了单片机的智能化技术在家用电器领域中的应用，详细介绍了智能节 能台灯研究的意义及未来台灯的发展趋势。 第二章对中央控制单元做了详细的介绍，选择了 Atmega16 作为控制器，对其功能、特性做了详细说明。 第三章对传感器的概念及其特性进行简单的介绍，对本文设计用到的热释电红外传感器和光敏电阻的工作原理及其特性进行详细的说明。 第四章对智能节能台灯的硬件进行设计，划分成为传感器信号处理，单片机最小系统以及 LED 驱动 电路和 提醒 电路，分别设计出电路结构，并说明其功能作用。 第五章介绍了智能节能台灯的软件设计，根据硬件结构，先画出总的程序框图，结合台灯设计需要的效果，用 C 语言编出 程序。 第六章是本论文的总结和进一步工作展望。 2 AVR 单片机的特点及功能简介 系统构成框图 热释电红外模块 红外避障传感器 光照传感器 ATmega16 蜂鸣器电路 时间显示电路 LED 指示电路 模式开关 天津职业技术师范大学 2020 届本科生毕业设计 7 图 21 系统构成框图 单片机的特点 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 (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 I/O 口的资源灵活、功能强大、可充分利用。 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 (自动上电或下电复位、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。 综上所述， AVR 单片机博采众长，又具独特技术，是 8 位机中的佼佼者。 它具备了高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位的特点。 也正因为此，本系统使用了 AVR 单片机中的一款高端单片机 Atmage16 作为控制核心。 下图为 ATmega16 管脚图。 PB0 (XCK/T0)1PB1 (T1)2PB2 (AIN0/INT2)3PB3 (AIN1/OC0)4PB4 (SS)5PB5 (MOSI)6PB6 (MISO)7PB7 (SCK)8RESET9PD0 (RXD)14PD1 (TXD)15PD2 (INT0)16PD3 (INT1)17PD4 (OC1B)18PD5 (OC1A)19PD6 (ICP)20PD7 (OC2)21XTAL212XTAL113GND11PC0 (SCL)22PC1 (SDA)23PC2 (TCK)24PC3 (TMS)25PC4 (TDO)26PC5 (TDI)27PC6 (TOSC1)28PC7 (TOSC2)29AREF32AVCC30GND31PA7 (ADC7)33PA6 (ADC6)34PA5 (ADC5)35PA4 (ADC4)36PA3 (ADC3)37PA2 (ADC2)38PA1 (ADC1)39PA0 (ADC0)40VCC10U1ATmega16L天津职业技术师范大学 2020 届本科生毕业设计 8 图 22 ATmega16 管脚图 单片机的串口功能 单片机作为控制核心其首要职能是接收上位机送来的数据并作相应处理。 而通信的可靠性和有效性直接影响到了系统的功能。 由于本设计采用的是有线通信，有较好的可靠性，而 AVR 单片机本身有着强大的串行通信能力，只要对 Atmage16 内部进行设置就可实现简单通信。 AVR 单片机的通用同步和异步串行接收器和转发器 (USART) 是一个高度灵活的串行通讯设备。 主要特点为： （ 1）全双工操作 ( 独立的串行接收和发送寄存器 )； （ 2）异步或同步操作； （ 3）主机或从机提供时钟的同步操作； （ 4）高精度的 波特率发生器； （ 5）支持 5, 6, 7, 8, 或 9 个数据位和 1 个或 2 个停止位； （ 6）硬件支持的奇偶校验操作； （ 7）数据过速检测； （ 8）帧错误检测；。