【《基于51单片机的智能台灯控制系统设计》8100字（论文）】

基于51单片机的智能台灯控制系统设计摘要照明工具对于人类而已是极其重要的。随着科学水平的提高，人类的照明工具变得越来越智能化，从原始文明的火把，动植物油灯，蜡烛，到第二次工业革命发展起来的电灯泡，然后到现在家家户户都流行使用的白炽灯，LED灯等，可以说照明灯具的发展一路见证了人类科技文明的进步。由于现在环境问题愈演愈烈，世界环保组织呼吁人们“低碳生活，环保出行”，保护地球这个美丽的家园。所以我利用这次实践设计一种绿色环保的节能台灯。本文简要介绍了一种基于51单片机的智能化台灯设计,运用先进的单片机和PWM调光技术,来实现调节台灯亮度。当使用者在台灯的有效检测范围内,而且周围光线较暗时,台灯就会自动打开,使用者也不必在摸黑找开关,避免发生磕磕碰碰的意外。周围的环境越暗,台灯也就会变得越亮。如果台灯在一分钟之内检测不到使用者，那么台灯自己会灭掉，达到绿色节能的效果，当用户在使用时距离桌面太近，系统就会通过蜂鸣器报警提示。为了能让台灯在一些特殊场合也能使用，我们也设置了手动模式。关键词：台灯；单片机；PWM1绪论1.1课题研究背景现代社会，全球能源短缺和环境污染在高速发展的中国表现得极为突出，这其中影响着中国的国际地位。中国每年有13%-16%的电能是用在照明上的，这个数字相对于其他国家来说比较高。现在，几乎家家户户都会有一盏台灯，但大家在生活中常因为忘记关灯而造成能源浪费，能源消耗加速了全球气候变暖，各种环境问题随之而来。就目前局势来看，解决节约能源问题和环境问题对于中国而言迫在眉睫。传统台灯大多为手动控制，使用起来不是很方便。当夜幕降临时，使用者又得摸黑开灯，摸黑开灯的过程中很容易发生磕磕碰碰的意外，使用起来不够人性化，与政府所提倡的‘节能低碳，绿色发展’理念不一致。作为一个能源消耗大国，我们应当尽快寻找能够代替以往光源的绿色光源。LED是目前世界上最有可能取代传统光源的下一代光源，其具有寿命长、炫光小、灵活、驱动性好等优点。一个LED日光灯的

pf

(电能利用率)可以高达0.9以上,符合当今社会节能低碳减排的技术要求。传统台灯容易出现频闪现象，而LED灯采用三基色荧光粉发光，不容易闪烁现象，得到一个柔和的灯光效果。从而得以保护视力。随着能源短缺，电价上涨，环保要求的提高和LED照明效率的提升，LED即将取代传统照明光源，在世界上应用的更加广泛。近年来，我国越来越多的人患上近视眼，而且青少年群体占有很大的比例，在中学里，起码接近一半的同学是近视的，甚至在小学里戴眼镜的学生也不少，说明我国近视人口呈现低龄化。少年强则中国强，加强中小学生用眼健康工作刻不容缓！近视对生活造成很大的麻烦，很多近视者五米开外雌雄难辨，如同世界打上马赛克一般，而且现在很多工作岗位对视力是有要求的，视力不达标，就会面临淘汰。近视眼的防治是一道世界性难题，靠药物和戴眼镜只能起到一定的缓解作用，做激光手术有年龄限制，而且具有一定的风险性，即使手术成功也有可能带来一些后遗症。例如像眼睛干涩，夜间眩光，角膜扩张等症状。除了遗传因素，诱发青少年近视的原因有很多，我们要从源头消灭才能真正做好防护。诱发我国青少年近视的原因之一就是坐姿不良问题，其二就是台灯的使用问题。好多同学在周围光线较弱的地方学习时没有及时使用台灯，或者在太亮的台灯下长时间学习，长此以往，视力就会出现问题。本次台灯设计可以有效的解决这两个方面的问题。1.2台灯发展现状台灯就是灯泡加上灯罩再通上电源的一个发光装置，它刚开始的初衷就是为了照明，后面随着人们经济的高速健康发展，人们对台灯的要求越来越严格，希望台灯可以更加人性化和多功能化，可以更好地服务于人们，提高人们的生活质量。1、护眼台灯护眼台灯的发光源是荧光灯，照明灯具主要驱动控制的电器有:电子驱动镇流器与电子启动控制器。它的基本设计及其工作基本原理就是把一种低频率闪波动改成一种高频率闪波动。利用变频电子镇流器有效地减少灯光频闪,采用三基色荧光粉，使灯的光线柔和,从而达到护眼的效果。2、节能台灯当下，解决节约能源问题和环境问题对于中国而言迫在眉睫，相关领导高度重视，当务之急就是要研制出环保型台灯，其对策是淘汰耗能较大的发光源，尽量选择比较节能的光源。目前己有人员研发出，它以LED作为光源，可以给人们带来一种温馨的氛围，适用于多种使用环境。因为它的频闪较低，使用起来基本不会对人眼造成伤害，而且具有绿色节能的功能。该台灯产品提供的照射光线均匀、不易产生灯光闪烁,并且该台灯的寿命长、绿色环保、低辐射光源、安全性高,适合于一般的家庭、工作、学习、居住等公共场所的局部灯光照明。3、台灯外观台灯不仅从其使用功能上明显趋向工业智能化,同时外观方面也逐渐朝着产品组装化、装饰化、情趣生活化等设计方向不断前进。随着时代的进步，目前一些方便、实用、新颖、美观的各种组合造型台灯，正逐渐在我国台灯市场上开始出现和兴起,有将风扇与台灯进行组合的,有将笔筒与台灯进行组合的,还有将移动电源与台灯进行组合的等等，这样组合使台灯的功能更加丰富，同时可以为用户节约一部分的经济费用。装饰化台灯的设计初衷主要是美化,它主要起到点缀周围环境的作用，让装饰的环境看起来有艺术风格，更加高大上。其台灯不单单只是一盏灯，它更像是一件精美的工艺品。因为它们的台灯式样灵巧多变,工艺高超,造型独特。质料上还采用了布艺、水晶、铜、玻璃等多种原料加工做成,风格多种。它一般具有乳白、橙黄、金黄、白玫瑰等颜色款式，消费者有多种选择方式。装饰化台灯与家居环境融为一体，让整间房子艺术风格一下子拉满。相信随着电子科技的进步和发展,未来照明光源将绿色环保型的半导体发光元件为主,实现功能的多用途化和智能化。1.3设计方案简述基于51单片机的智能台灯，运用单片机技术和PWM调光技术，来调节台灯的亮度。调节模式有手动模式和智能模式；当使用者在台灯的有效检测范围内，并且周围环境光线比较暗的时候，台灯会自动开启，使用者不必在黑暗的环境中找开关，避免发生磕磕碰碰的意外。周围环境越暗，台灯也就会变得越亮；如果台灯在一分钟之内检测不到使用者，台灯自动熄灭，以免造成资源浪费；当时使用者坐姿不正确时，系统就会通过蜂鸣器报警提示。防止近视和避免造成腰椎颈椎的损伤。2设备选型2.1单片机的选型在选择单片机的品牌和型号时，要从以下几个方面来考虑（1）单片机的性能在选择单片机的型号之前，我们要罗列出产品所需配置和各芯片的功能要求，来选择最容易实现的系统规范型号，并且尽可能地实现高性能化（2）货源是否稳定应提前做过功课，调查市场，尽可能选择主流，稳定的货源。许多国外品牌与中国合作，交货时间比较久，如果突发一些国际事件，货源就不能保证正常交接，国内品牌交货时间与国外相比较短，价格也比较稳定，没有出现像国外波动较大的情况，目前国内单片机可供选择的牌子也很多，像新唐，STC，英锐恩这些牌子都是值得信赖的。（3）成本问题成本对于我们选择哪种单片机而言很关键，在保证单片机功能完善的同时，还要考虑其成本是否在可接受范围内，如果该单片机的价格太贵，那我们只能寻求另一种品牌，在功能和性能接近的条件下，考虑价格问题，节约设计经费（4）工作电压单片机的工作电压越大就会导致其功耗越大。所以，我们在保证设备运行正常的条件下，应当尽可能选择工作电压小的单片机设备，已此来减少产品的功耗。（5）研发时间在研发的时间比较紧，并且任务较多的时候，在选择单片机型号时，应该选择较为熟悉的型号，到手后省去摸索新设备的时间，直接上手操作，便于加快设计进度（6）速度时钟频率越快，单片机的运行速度就越快，但也并不代表着一味地追求时钟频率高的单片机。时钟频率越高，它的功耗也就越大，在选择时应当根据实际需求来选择。现在市面上的单片机有新唐，世界上最大的单片机厂商-富士通单片机、STC、英锐恩、飞思卡尔系列等类型；因为MCS-51系列单片机具有功能丰富、体积小、较为可靠等优点。所以我选择ATMEL公司研发的AT89C52单片机，因为在大学时曾学过这一门课程，对51单片机的各C语言编程和I/O口比较了解，使用起来上手更快，将研发时间大大缩短、不仅如此，AT89C52单片机在市场上也比较常见，而且也符合智能台灯设计必备的性能要求。2.2照明模块的选择LED功率的大小：第一选择能驱动所需功率的芯片，LED

驱动器就是

LED

供电的一种专用电源。按照所需的驱动进行串联,并接或串并联多个LED

来满足一次驱动。通用技术要求：可靠性和高效率；选择LED方式进一步提高电源的效率。电源效率的提高能让损耗功率变小，可以延长灯具的寿命。2.2.1三极管驱动三极管是一种能把微弱的信号放大成幅度较大的电信号的半导体元件。我们选择适宜的放大倍数三极管，通过放大电流来驱动LED,三极管放大具有货源充足，易实现，廉价等优点，满足该智能台灯设计照明的需求。2.2.2采用脉冲调制（PWM）来调光我们将供电源改成脉冲恒流源，通过改变电源脉冲宽度，来改变它的亮度，此调光方法我们称为PWM调光法。PWM调光的优点：1.调光精度高2.没有色偏3.可以与数字控制技术结合控制4.应用领域广泛5.没有频闪。因此，LED的调光我们选择PWM调光技术。3硬件部分3.1系统概述系统的核心器件是STC89C52单片机，配合电容.电阻.晶体管等控制元件，组成单片机的最小系统。用一颗绿色小灯作为切换提示，灯亮为自动模式，灯灭为手动模式；采用USB小灯模拟照明模块；光照强度采集模块由ADC0832和光敏电阻构成；人体感应模块采用红外线热释传感器；防近视检测由红外线距离检测模块构成，蜂鸣器进行报警提示；按键模块由模式切换键，亮度增加键，亮度减少键，这三个按键构成。图3-1-2系统框图3.2主控芯片部分STC系列单片机是一种新式单片机，其单片机内包含Flash程序存储器,SPI,SRAM,AID,PWM,UART等模板，与常用的51单片机兼容。在单芯片中，具有系统可编程Flash和灵活的8位CPU,令STC89C52受众多研发者的青睐。图3-2STC89C52单片机引脚图3.2.1单片机主要功能列举具有系统可编程Flash和灵活的8位CPU内部程序存储器为4KB内部数据存储器为256个字节拥有8个中断源晶片内部有时钟振荡器32个可编程I/O口程序存储器为三级加密拥有异步通信口具备看门狗定时器双数据指针掉电后中断可唤醒单片机的40只引脚按功能来分可分为四部分电源引脚：Vcc和Vss时针电路引脚：XTAL1和XTAL2输入/输出端口：P0.P1.P2.P3控制信号引脚：RST.ALE.EA.PSEN(1)电源引脚Vcc:供电电压端Vss:GND接地端（2）时针电路引脚XTAL1:片内振荡电路的输入端XTAL2:在单片机内部接反相放大器的输出端（3）输入/输出端口51系列单片机的P0P1P2P3口都可以作为输出口使用，区别在于：P0口在作为输出口使用时要加上拉电阻。P1和P2口为普通的输出口P3口除了作为一般的IO口，它引脚的第二功能也很重要。如下图所示图3-2-1P3口引脚的第二功能（4）控制信号引脚RST：RST有两个功能，第一个功能是复位输入；第二个功能是可作为备用电源输入端。ALE：地址锁存信号EA:由于EA内部没有程序存储空间，所以只能接低电平。PSEN:外部程序存储器的读通选信号是该引脚的输出信号，在访问期间，每个机器周期PSEN输出2个脉冲。PSEN信号不参与访问片外部数据存储器3.3STC单片机的最小系统STC89C52最小系统由复位电路、晶振电路和电源电路组成复位电路由10k的电阻R4和10uF的极性电容组成。晶振电路由两个30PF的晶振电容电路c2和电阻c3,以及12M的晶振电容x1组成,电容可以协助更容易进行起振,取值频率范围一般为15-33PF。电源部分一般采用5V的USB供电，我们可以使用干式电池,移动电源,手机充电器等装置来进行直流供电。图3-3单片机最小系统3.4LED照明模块LED是一种常用的发光二极管。在当今社会广泛应用，如照明领域、交通红绿灯显示、电视显示屏、街上的广告屏、车载灯、刷卡机等等。3.4.1LED灯的优势与普通照明相比，LED照明有下述优势

（1）节能型；LED与传统照明相比，最大的优势就是节能。一般灯泡效率从20w到100w不等，而LED灯泡的功率只需要0.8w-12w。在相同的照明亮度下，LED灯泡的功率仅为传统照明材料的1/10，由此可见LED照明有多节能。（2）响应时间小；响应时间是用户发出指令或请求系统做出反应的时间，白炽灯的响应时间为毫秒级，而LED响应时间为纳秒级，可以显示高频信号。

（3）使用寿命长；传统照明灯容易老化，而LED是半导体发光，不易老化，正常情况可以下使用5000个小时。

（4）使用健康性；白炽灯和节能灯在工作中会有红外线和紫外线辐射，危及人们的健康，LED灯没有这两种辐射，所以不用担心健康问题。

(5)环保性；白炽灯和节能灯的内部填充了惰性气体，在使用过程中会产生汞和其它有毒气体，而LED没有填充该气体，无毒无害，较为环保。

（6）安全性；传统照明灯在工作时温度很高（约为80-120摄氏度）若使用时疏忽容易造成烫伤，LED的散热结构很好，不易发烫，工作温度较低（40-60摄氏度），用手去触摸也不会造成烫伤。传统照明灯的材料一般为玻璃，跟坚硬物体发生碰撞后会造成永久性损坏，如果不注意的话会被玻璃划伤。LED灯壳的材料具有高抗冲击强度的特性，不小心弄碎的话也不容易造成割伤。3.4.2照明电路原理图该设计采用USB小灯作为系统的照明装置,小灯有6颗LED灯泡，且串联六个电阻,USB小灯接近于实际台灯,在简化设计的同时也满足了设计要求。采用S8550三极管驱动电路，发射极接电源，基极串联限流电阻后连接单片机的I/O口，集电极在串联USB小灯后完成接地，单片机I/O口输出低电平信号，点亮LED灯。图3-4-2LED照明电路3.5光敏电阻光敏电阻又称光电导探测器，通常用于光的测量。其电阻大小和入射光强度呈正比关系。光敏电阻的阻值会随着周围环境的光强而改变。该智能台灯设计也是利用了这一特性。用它来感应周围光线的强弱并做出反应，实现智能化。从而达到实验的目的。3.5.1光敏电阻的分类光敏电阻器可以根据光谱特性，分为以下三种：红外光敏电阻器：该电阻器广泛应用于天文、军事、通信、人体病变探测等领域的有关控制系统。紫外光敏电阻器：用于紫外线探测仪器。可见光光敏电阻器：应用于电子计数器、光报警器、航标灯、烟雾报警器等方面。3.5.2光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数有：暗电阻，亮电阻，暗电流，亮电流，时间常数，光谱特性。温度特性，频率特性，灵敏度等3.5.3ADC0832芯片简介ADC0832是一种8位分辨率，双通道A/D转换芯片，在芯片市场上广受欢迎。ADC0832具有以下特点：8位分辨率，逐次逼近型输入输出电平和TTL和CMOS兼容双通道A/D转换5V电源供电时，输入模拟电压范围为0-5V在250KHZ时，转换时间为32us低功耗3.5.4光照强度采集电路该设计利用光敏电阻采集周围环境的光照强度，光照强度的模拟量在ADC0832处理下转为数字量,再传至单片机进行处理。图3-5-4光照强度采集电路图3.6人体红外检测模块20世纪80年代，随着科技的发展，热释电红外传感器开始广泛应用于人们的生活中。人们对开始注重家居环境安全，并且政府方面也开展“和谐家园”的建设，给安防产品的发展提供了一个很好的市场。其中人体红外传感器扮演着重要的角色，因为PIR探测器具有成本低，隐蔽性好，功耗小等优点，所以在市场上深受人们喜爱，被广泛应用于企业安全，安防系统和智能家居等领域。3.6.1HC-SR模块HC-SR501是一种人体红外传感器。红外检测探头选择LHI778，具有功耗小，比较可靠，性价比高，等优点，深受人们喜爱。图3-6-2HC-SR501实物图3.6.2人体红外检测模块第一引脚接电源，第三引脚接地,第二引脚接单片机的IO口P22,平时输出低电平，当有人在检测范围内出现，该引脚输出高电平。图3-6-2液晶模块的电路连接图3.7距离检测模块该系统设计主要利用光电E18-D80NK对一定距离信号进行检测，当检测到使用者距离探头过近时，系统就会通过蜂鸣器提醒，避免使用者坐姿不良而造成近视。检测距离的大小可调节，逆时针减小，顺时针加大。该红外检测传感器是一种具有遥控检测、抗干扰,便于使用,低价格，易于安装和组装的技术优点,可以广泛地应用于红外测距,流水线仪表,机器人防护和避障等各种自动化产品。图3-7E18-D80NK实物图该模块有3根导线，两根接在VCC和GND用于供电，最后一根导线作为数据引脚连在单片机的IO口，平时输出高电平，当检测到使用者距离过近时输出低电平。图3-7-2E18-D80NK电路原理图3.8蜂鸣器模块蜂鸣器是一种集成电子讯响器，在生活中应用广泛，如门铃、洗衣机、微波炉、手机、汽车、闹钟、游戏机等。蜂鸣器分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器，有源蜂鸣器内部有震荡源，通电即可发声，而无源蜂鸣器内部没有震荡源，通电不能发声，所以需要借助外部方波来驱动。该设计用的是有源蜂鸣器。图3-8蜂鸣器电路图3.9按键输入模块本次实验共设置有三个显示键,分别为"模式转换键""亮度减少键""亮度增加键",分别为单个独立键盘。图3-9按键电路图4软件部分4.1程序语言及开发环境C语言于1972年诞生于美国，1979年后被人们推广于各种计算机当中。它跟其他编程语言不同，它具有高级语言和汇编语言的特点。它可以迅速构建各种数据结构，所以应用领域比较广，不仅可以用于开发应用软件和系统软件，而且在科研领域C语言也扮演着一个重要的角色。C语言有以下几个特点：语言简洁，使用灵活可以直接计算机硬件进行操作拥有丰富的数据类型拥有丰富的运算符具有很强的表达能力生成的目标代码质量高可移植性好4.2程序流程图设计流程图设计如图4-2所示,先对单片机定时器进行初始化,接着判断按键1是否被用户按下去,是则切换控制模式；再根据当前工作模式,对其进行了不同的修改。若当前为自动模式,先判断过去的1分钟内是否有人,有的话读取ADC083数据,计算当前环境的光照强度,然后根据不同的光照强度大小,调节台灯亮度,光线越暗,台灯越亮。检测不到人的话,直接熄灭台灯。若当前台灯为手动模式,则分别判断按键2和按键3是否被按下,如果按键2被按下,则降低台灯亮度,如果是按键3被按下,则增加台灯亮度。最后无论是哪一种模式,都会对其进行一次红外距离检测,若检测到用户与桌面的距离太近,就会启动蜂鸣器来进行报警提醒。图4-2主函数流程图4.2.1模数转换部分在芯片开始采集数据前，单片机要先向ADC芯片发送一个起始信号，因为芯片有两个转换通道，所以系统要发送一个选择信号，让ADC芯片选择通道口，然后读取结果。芯片会返回两字节数据，第一字节为正向传输，第二字节为反向传输，因为要检测这两节