智能台灯的设计与实现

智能台灯的设计与实现

作者：佟星刘炽辉

来源：《电脑知识与技术》2018年第07期

摘要：该文主要从“人来灯亮，人走灯灭”的自动控制及节能等方面加以阐述智能台灯的设计与实现过程。并集合了室内温度检测、时间显示及多级调光等功能，真正实现了一灯多用的综合型与智能型台灯。

关键词：智能台灯；设计；实现

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）07-0169-02

智能台灯的设计与实现是电子技术和计算机技术结合的产物，本智能台灯在研发过程中，作者经过了多次的修改与论证，最终实现了集多功能于一体的智能化产物，并利于市场的推广，有一定的实用价值。下面就智能台灯的实现过程加以阐述，并给想亲手制作台灯的学习者提供一个可以借鉴的平台。

1 系统整体设计

经过多次论证与实践，本系统最终采用了以AVR单片机ATmega16作为智能控制核心，发送并时时处理系统信息；利用DS18B20温度传感器检测室内温度，DS13022时钟模块进行时间的实时采集；结合人体红外感应及实现可视化的人机接口界面与智能控制。其系统图如图1所示。

2 系统设计与实现

系统在实现过程中采用模块化设计，把每一个功能点作为一个功能模块来实现，最后进行整合。本系统通过核心控制器单片机整合时钟系统模块、温度采集系统模块、人体红外识别模块及显示模块最终实现了作者所需要的功能。制作过程中主要从以下几方面进行。

1）单片机与时钟芯片的通讯系统模块

在单片机与时钟芯片通信系统模块中，经过论证后采用经济实惠价格合理的通用时钟芯片DS1302 与单片机相结合实现时钟系统模块，时钟系统模块主要是实时显示当前时间，本系统中以年、月、日、时、分、秒的格式进行时间显示，且采用24小时制；利用单片机与时钟芯片的通信动态采集当前时间并处理，传送给液晶模块进行显示。在硬件焊接中用DS1302的数据端口I/O与ATmega16单片机的P2.1端口相连接，实现物理数据传输及时间的采集，进而完成本系统的功能。如图2 所示。

2）DS18B20温度传感模块的实现

该系统的温度采样元件经过论证后，使用数字温度传感器DS18B20芯片，本芯片所具有的各项功能已充分满足本系统需要。DS18B20采用仅有3只引脚的小体积封装形式，包括共用地线、外供电源线和单线数据传输总线端口。数据处理转化方面，采用二进制数字最低位变化1，代表温度变化 0.0625 度的映射关系。当 0 度的时候，那就是0x0000，当温度125度的时候，对应十六进制是 0x07D0，当温度是零下 55 度的时候，对应的数字是 0xFC90，通过十六进制代码的转换使其与温度对应起来。并通过单片机对温度传感模块DS18B20的初始化、位写与位读的设置，实现数据传输，保证当前温度的实时采集与显示，以达到系统所需功能。

3）热释电红外传感模块功能实现

本系统中热释电红外传感模块，经过论证与实践后采用HC-SR501人体红外感应模块来实现。HC-SR501人体红外感应模块是采用一种高热电系数的材料制成的人体红外探测元件，利用其前端安装的菲涅尔透镜，大大提高了探测灵敏度和探测距离。人体红外感应模块主要由光学滤波镜、场效应管、红外感应源、偏置电阻、EMI电容等元件组成（器件内部电路框图如图3所示），其优点在于在红外采集过程中，允许人体发出的10um红外波长通过并被采集使用，阻止其他红外波的通过，实现了干扰技术的处理，不需要在增加其他抑制干扰设施，大大降低了使用成本。红外感应模块的感应源部分由两个热释电元件进行串联或者并联组成，因为感应源内热释电元件极性相反，两个热释电元件与环境背景辐射具有几乎相同的作用，使其产生的热释电效应相互抵消，使输出信号接线为零。因此红外模块把经过探测区内人体辐射出的10um的红外波长进行接收并转化为微弱的电压信号，微弱的电信号经人体红外模块内部具有的功能进行放大处理后输出单片机可识别与处理的信号，单片机接收与处理后的电信号会根据系统要求输出控制外围硬件电路，并最终实现“人在灯亮、人走灯灭”的功能。

本设计中采用的人体红外感应模块检测是否有人，其1脚接电源，2脚数据端口I/O接NPN三极管后，三极管的发射极与单片机ATmega16的P2.6脚连接，如图4所示。

4）液晶模块设计与实现

本系统在数据显示上经过了几次改版，首先用的是数码管显示，但为了增加其直观性，改成了液晶显示；在液晶显示的选择上考虑了其显示内容、格式，造价及成品后的美观性，最终确定了16*2的显示两行、每行16个字符的1602LCD液晶模块。此液晶模块既可以显示数字又可以显示字符，刚好满足温度及时间显示的需要。同时本模块自身还具备了国际标准

ASCⅡ码中160个字符字模的字符库，整个字符库已固化在液晶模块中，只需要在进行数据处理时，把需要显示的字符ASCⅡ码数据送入显示数据库，液晶控制器就会自动生成需显示的字符字模并在显示屏上显示出来。

5）电源模块与LED驱动模块的设计

为了稳定的系统电源，本系统中电源模块中采用12V电压输入，用LM7805电压芯片进行稳压，再经过滤波处理后得到适用于系统的电压。LED驱动模块中主要问题点在于灯亮度的调节，这里面在实际操作过程中我们使用了PWM脉冲调制技术，通过PWM脉冲的输出宽度来控制LED光源亮度的调节。硬件连接中我们把LED驱动模块中的I/O口3脚与单片机的

P1.0连接，2脚和3脚与LED灯连接，很好地实现了物理连接与数据通信。电源与驱动模块的接线如图5所示。

3 软件系统设计与实现

在本系统软件设计过程中，在了解本系统硬件组成的基础上，清晰地掌握数据的传输过程与信号的控制流程。为了使思路更加清晰，根据本系统所实现的功能，画出了系统流程图，如图6所示。

在分析完硬件和系统实现功能的基础上，利用程序流程图的指引，使用移植性较好的C语言进行编程，编程过程中主要是先实现各个子程序，然后进行联调，并最终实现系统功能。

4 结束语

在本系统的设计与实现过程中，遇到了各种各样的问题，也许是软件问题，也许是硬件问题，不管怎样遇到困难时，一定要静下心来慢慢的查找，并坚信自己一定能实现所需功能，查找出一个错误，解决一个问题，就是一种巨大的收获。

台灯是一种生活必需品，但是由于忘记关灯而造成巨大的能源浪费，在国家大力提倡低碳生活，节约能源的基础上，设计了集节能与多功能化的智能台灯。经过一系列的调试，最终实现时间显示、温度显示、灯光调节及自动开关灯等功能。总之本系统在设计与实现过程中集合了各种实用功能于一体，作者设想新颖，构思巧妙是一款可以大力推广实用型的智能化台灯。

参考文献：

[1] 金建设，于晓海.单片机原理及其应用技术[M].清华大学出版社，2014.

[2] 文武松.单片机实战宝典：从入门到精通[M].机械工业出版社，2014.

[3] 郭天祥.新概念51单片机C语言教程[M].电子工业出版社，2009.

[4] 林雪梅.热释电红外传感器及其应用[M].甘肃科技纵横，2005.

[5] 黄贤武.传感器原理及其应用[M].电子科技大学出版社，1999.