智能家用电器设计

第1章绪论1.1 课题来源社会在不断进步，人类在不断追求，市场在不断变化，高科技应用含量决定着产品发展的新趋势和前景，智能化技术在电子产品领域的应用意义深远。

随着电子产品的快速发展，家用电器也越来越偏向智能化，已经应用于实际中的有智能洗衣机，智能电饭锅，智能电磁炉等，而所用的智能化家用电器都用一个共同的特点，都是利用单片机作为中央控制单元。

结合了单片机的智能家用电器和普通家用电器相比，功能上更强，使用更方便，安全可靠性也更高，最重要的是更节省电能，提高了家用电器的品质。

随着智能控制理论和人工智能研究的深入，各种更加逼真地模拟人类智能的家用电器会更多地出现，而单片机和智能理论的结合，将来不但更多地改进现行家用电器，而且将会产生全新的家用电器。

家用电器因为单片机的加入而走向智能化，并且随着人们生活水平的提高日益走向平民化，我们的生活也随着家用用电器的发展越来越方便、舒适。

随着家用电器的发展，作为家用电器当中的小台灯也要顺应科技的发展步伐走向智能化。

虽然按键式的台灯还是台灯市场的主体。

但是，随着现代电子技术的发展和人们的需求变化，传统的台灯已经感受到产品更新换代的威胁。

与其他的智能化家用电器一样，智能化台灯有许多普通按键台灯所无法比及的优势，智能化台灯一方面可以更节省电能，有利于环保，另一方面可以纠正使用者的坐姿，预防脊椎变形和眼睛近视。

同时，智能台灯自动关灯的功能也让使用者使用起来更方便，可以防止由粗心大意带来不不必要的浪费。

智能型电器产品由于它们的巨大优势将渐渐进入人们的生活中。

我国政府非常重视节能和节约。

1997年11月1日我国颁布了《中华人民共和国节约能源法》，节能已经是法律上的规定，是我国重要国策之一。

北京2008年奥运场馆建设，在“科技奥运，人文奥运，绿色奥运”三大理念的基础上，又提出“勤俭办奥运”的方针，充分体现政府节能，节约的决心！国家发改委提出了“电机系统节能工程”、“建筑节能工程”、“绿色照明工程”等十大重点节能工程，通过这十大工程，“十一五”期间将实现节约2.4亿吨标准煤的目标。

2006年1月将实行国家建设部颁布的“民用建筑节能管理规定”，2005年7月1日开始实施的“公共建筑节能设计标准”GB50189—2005要求全年的总能耗（采暖，通风，空气调节和照明）减少50%。

广大电气技术工作者只有认认真真研究节约电能的理论和技术，开发出优良的节电产品并应用于实际，才能从根本上贯彻国家规定的各项节能法规，造福于社会。

照明节能意义重大，我国照明耗电大体占全国总发电量10%～12%，2003年我国总发电量为18500亿度，按12%计，照明耗电达2220亿度。

据资料报道，目前城市照明（指景观照明和功能照明的统称），年用电量约占全国总发电量的4%～5%。

照明节能主要从三个方面入手：选用高效节能的电光源和灯具；选用高品质电子镇流器或节能型电感镇流器；配置适宜，先进照明控制装置。

目前我国城市公共照明每年开支达数百亿元。

应积极推广采用国际上流行的全数字智能路灯节能控制技术：即智能光源降压——稳压——调光技术。

它的技术思想为：在繁忙时段，控制路灯保持较强的照度，午夜时分，自动调光；后半夜车稀人少时，控制路灯保持较低的照度的照明。

在美国、德国此类技术得到了政府大力扶持和推广，节电率高于30%。

我国已有独立自主知识产权的这方面技术产品如哈工大楼宇自动化研究所研制的“金卤灯调压调光系统”，在城市道路照明应用中运行效果优良。

今后尚需政府的行政支持。

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。

而且近年来，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53.8％(城市60.7％、农村30.7％)，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。

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1.2 任务分析本课题结合实际，针对使用中可能用到的基本功能，研究目的在于实现三个主要的功能。

首先是对人体的检测，若检测到人体离开一段时间后，台灯会自动熄灭。

然后是光照的自动调节，当采集到的自然光照强度足够时，不会开启照明装置；当自然光照强度不够并检测到有人在学习区域时，采集到的光照强度不同，点亮的灯的个数也就不同，光照强度越弱，点亮灯的个数就越多。

这两个功能的实现可以达到一个节能的效果。

最后一个功能是对用户坐姿的矫正，当人体超过设定的距离时，会进行报警直至人体恢复标准坐姿，帮助用户养成一个良好的读书坐姿习惯，从而达到对视力的保护。

根据系统要求，设计电路主要由CPU（单片机STC89C52），数据采集模块，A/D 转换模块，电源电路，声光报警电路，控制电路等几部分组成。

光照强度通过传感器采集，传感器得到的数据再经过放大电路，进入A/D通道，将采集到的模拟量转换为数字量。

单片机对采样数据进行处理后来控制八个灯管发亮的个数，外界光强很弱时，灯管发亮的个数越多，外界光越强则相反，灯管发亮的个数与外界光强成反比。

同时用热释电传感器对人体进行检测，若在规定范围内没有检测到人体信号，则经过5s的延时过后台灯将自动熄灭。

若检测到有人在使用台灯，则用另一热释电红外对人体坐姿进行检测，找到头肩肘三个部位，设定好距离范围，若检测到超出设定范围，则进行自动报警。

系统设计包括软件设计部分和硬件设计部分，软件仿真主要在proteus 里进行，热释电红外传感器和超声波暂时用开关代替。

在protel里绘制出原理图，按照原理图进行硬件器件的连接，用keil对其进行编程，将程序导入硬件中，调试以达到系统任务要求。

1.3课题分析本课题是对多功能绿色安全台灯控制系统进行设计。

该系统通过光强感应器进行实时采集光照强度信息，用热释电红外传感器检测人体内信号，同时用另一热释电红外传感器检测人体不同身体部位。

此系统以单片机为核心控制芯片，通过传感器采集到的光照强度和人体各项信号，传感器的选择要满足本课题要求的测量范围，并将采集的信号转换成电压信号。

将传感器采集到的微弱信号通过放大电路，使该信号进入转换装置，其中可以将采集到的模拟信号转换为相应的数字信号。

最后，把最终得到的数字信号经由单片机处理，与预设检测范围和光照强度进行比较，若测得的距离超过设定的范围则进行报警，光照强度来决定灯管点亮的个数。

台灯已经是千家万户的必须生活品，经常由于忘记关灯一起巨大的浪费。

在这里设计了人体辐射（波长为9.5um）传感控制电路。

当人体在台灯的范围内且环境光强较弱时，点亮台灯，但点亮灯管的个数则与实际的光强成反比。

当人体太靠近桌面或左右倾斜时，台灯自动感应，警告矫正坐姿。

当人离开时，在规定的延时过后则自动熄灭，达到节能的目的。

第2章系统方案分析本章对控制系统的任务进行分析，对设计方案进行总体的概述，以及各部分电路的器件的选择。

2.1 系统方案设计本课题是为实现多功能绿色安全台灯控制系统的要求而设计的，课题的主要研究内容是设计并实现一个基于单片机的多功能台灯的控制系统，该系统具有自动调节亮度，人离开后自动关灯及矫正坐姿等功能。

分模块分析和设计，主要分为光强采集、数模转换、人体检测报警等部分。

分模块不仅在最初的设计中非常方便，也很有利于后期的检查与调试。

系统整体方案设计：根据系统功能要求并考虑产品的性价比，采用热释电红外传感器检测人体信号和光强感应器来采集光照强度，并采用模块化设计方法，以方便系统的调试和后期研究。

首先用热释电红外传感器来检测人是否在学习区，当检测到人体在学习区域时，单片机对采集到的光照强度数据进行处理，从而控制灯点亮的个数，达到理想光照强度，检测到外界光照强度越强，点亮灯的个数越少，检测到外界光照强度越弱时，点来那个灯的个数越多。

若检测到人体离开了设定的范围，则单片机设定5s的延时，5s后人没回来台灯自动熄灭。

当有人在台灯正常点亮时，用另一热释电红外传感器对人体离台灯距离进行检测，若发现用户坐姿不正确超出规定范围，则进行报警提醒。

主要的工作器件有单片机STC89C52控制系统，将光照强度模拟信号转化为数字信号的模数转换芯片ADC0804，模拟光照强度的光敏电阻等等。

系统原理图如图2.1所示。

图2.1 系统原理图2.2 单片机的选择单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。

尽管它的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分器件：CPU 、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。

同时集成诸如通讯接口、定时器、实时时钟等外围设备。

而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。

STC89C52是STC 公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。

STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。

在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash ，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。