智能護眼臺燈設計

摘要：據資料顯示當前我國近視眼的發(fā)病率居世界第二，其中絕大多數是青少年。目前市場(chǎng)上的一些臺燈只能實(shí)現單一的照明功能，姿勢檢測的相關(guān)產(chǎn)品功能也單一無(wú)法實(shí)現多個(gè)功能的集成化和自動(dòng)化?；诖藛?wèn)題，本課題設計一款智能護眼燈，所涉及的智能護眼臺燈具備學(xué)習姿態(tài)檢測和校正提醒功能、學(xué)習時(shí)間檢測提醒功能和光亮調節功能等。本文以C8051F340單片機作為主控制芯片，以光敏二極管模塊經(jīng)A/D轉換后以測得環(huán)境的亮度值，通過(guò)PWM的方式調節LED的亮度，以超聲測距模塊來(lái)進(jìn)行距離的測量，設計出一款具有自動(dòng)調節光亮，坐姿矯正等功能于一體的智能化LED臺燈。

為了改善目前近視眼高發(fā)的現狀，需要青少年養成良好的用眼用腦習慣。目前市場(chǎng)上有關(guān)于坐姿和體型校正等相關(guān)類(lèi)似的產(chǎn)品，但對于光線(xiàn)強度的自動(dòng)調節、用眼時(shí)間過(guò)長(cháng)的提醒等功能尚無(wú)有效手段和產(chǎn)品進(jìn)行補償修正，因此有必要研制一款可控制光照亮度和學(xué)習時(shí)長(cháng)的智能護眼臺燈，以改善用眼用腦環(huán)境。

本課題從實(shí)際出發(fā)，以解決生活實(shí)際問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)，所設計的智能護眼臺燈具自動(dòng)調節光源亮度，根據用戶(hù)距離臺燈距離產(chǎn)生報警。此設計為青少年學(xué)生長(cháng)時(shí)間看書(shū)學(xué)習以及在光線(xiàn)昏暗的環(huán)境下學(xué)習等不當的用眼造成的傷害，而設計出一款具有自動(dòng)調節光亮，定時(shí)報警，坐姿矯正等功能于一體的智能化LED臺燈。該設計可以解決環(huán)境光線(xiàn)的自動(dòng)調節，不當姿勢的報警提示等功能。

1 系統的工作原理

光亮檢測裝置用于檢測外界環(huán)境的光強并傳輸給處理器，MCU處理器根據外界采集來(lái)的亮度值判斷外界環(huán)境的光線(xiàn)明暗從而通過(guò)調節輸出的電壓來(lái)調節LED燈的亮度。而測距模塊用來(lái)測量人距離某個(gè)參考點(diǎn)的距離值，MCU通過(guò)數據處理來(lái)判段是否超出設定的參考距離從而判斷是否報警。而時(shí)間處理函數會(huì )記錄時(shí)間值，當用戶(hù)長(cháng)時(shí)間處于燈下工作或學(xué)習時(shí)系統會(huì )發(fā)出報警甚至關(guān)閉臺燈?？傮w功能方案如圖1所示。

圖1中，光亮檢測部分用于檢測外部光照強度，以此作為自動(dòng)調節燈具亮度的依據;時(shí)鐘模塊主要提供定時(shí)功能，作為系統控制時(shí)間參考;檢測傳感模塊用于檢測學(xué)生或用戶(hù)和參考點(diǎn)的距離變動(dòng)情況，以此判別用戶(hù)的學(xué)習姿態(tài);報警模塊主要實(shí)現聲音的報警信號;驅動(dòng)部分為L(cháng)ED提供恒流驅動(dòng)和不閃爍調光功能;處理器用于實(shí)現整個(gè)測控過(guò)程。

2 超聲波測距模塊

超聲波測距使用了時(shí)間檢測法，即由主控制芯片產(chǎn)生40 kHz的脈沖信號經(jīng)超聲波發(fā)射模塊發(fā)出，超聲波遇到障礙物返回由超聲波接收模塊接收，通過(guò)接收和發(fā)射的時(shí)間差值的一半與超聲波在空氣中的床波速度之積來(lái)計算障礙物和超聲波發(fā)出點(diǎn)的位距離。

超聲測距模塊的電路包括發(fā)射電路、接收電路、放大電路、檢波電路及其他輔助電路構成。在超聲測距模塊中采用接收和發(fā)射分離的方式有兩個(gè)好處：一是收發(fā)信號不會(huì )混

疊，接收探頭所接收到的純?yōu)榉瓷湫盘?二是將接收探頭放置在合適位置，可以避免超聲波在物體表面反射時(shí)造成的各種損失和干擾，提高系統的可靠性。其原理框圖如圖2所示。

3 光亮檢測模塊

光亮檢測的基本原理主要是通過(guò)光敏感材料感知光線(xiàn)強度的變化，輸出不同的模擬量;目前光敏元件發(fā)展迅速、品種繁多、應用廣泛。市場(chǎng)出售的有光敏電阻、光敏二極管、光電三極管、硅光電池等。

由于人的眼睛對光特別敏感，有一個(gè)最適合其工作的光亮度閾值范圍。若光亮度小與此范圍，則眼睛看東西比較吃力，長(cháng)此以往會(huì )導致視力下降并影響健康;若周?chē)h(huán)境光亮度太強，不但浪費了能源，而且由于光亮度刺激太強而影響使用者眼睛的健康同時(shí)也會(huì )影響燈本身的使用壽命。

查閱相關(guān)資料知光敏電阻、光敏二極管、光電三極管的主要參數如表1所示。

由于在本設計中需要對于環(huán)境光強敏感度要求較高的材料作為光亮檢測的材料。由于光敏二極管對環(huán)境光強最敏感，一般用來(lái)檢測周?chē)h(huán)境的亮度和光強，并且光敏二極管方向性較好，可以感知固定方向的光源。

綜上所述：選擇光亮檢測模塊作為光亮檢測的材料。

4 電位器模塊

電位器在電路中起到的作用有3個(gè)方面：分壓器、變阻器、電流控制器。在分壓器中，電位器是可調節的連續電阻器，隨著(zhù)電位器手柄的滑動(dòng)調節，可以產(chǎn)生一定的相應變化的輸出電壓。而用作變阻器時(shí)，可以在一定的行程范圍內獲得比較連續變化的的電阻值。而在此我們考慮到電燈強弱在實(shí)際運用中不符合個(gè)人的視覺(jué)習慣，故選擇了變阻電位器來(lái)進(jìn)行人眼光感的調節。

5 軟件控制部分

軟件設計的原則包括：1)可靠性;2)健壯性;3)可修改性：4)可測試性;5)效率性;6)容易理解等要求?？煽啃允侵杠浖跍y試運行過(guò)程中避免可能發(fā)生故障的能力，且一旦發(fā)生故障后，具有解脫和排除故障的能力;健壯性是指是指軟件對于規范要求以外的輸入能夠判斷出這個(gè)輸入不符合規范要求，并能有合理的處理方式;可修改性是指以科學(xué)的方法設計軟件，使之有良好的結構和完備的文檔，系統性能易于調整;可測性是指軟件設計過(guò)程中要求設計一個(gè)適當的數據集合，用來(lái)測試所建立的系統，并保證系統得到全面的檢驗;效率性一般用程序的執行時(shí)間和所占用的內存容量來(lái)度量，當達到原理要求功能指標的前提下，程序運行所需時(shí)間愈短和占用存儲容量愈小，則效率愈高;容易理解要求軟件本身具有簡(jiǎn)單明了的結構，方便程序的修改和移植。

軟件設計要求高內聚低耦合。所謂高內聚是指一個(gè)軟件模塊是由相天性很強的代碼組成，只負責一項任務(wù)，也就是常說(shuō)的單一責任原則。低耦合是指一個(gè)完整的軟件系統，模塊與模塊之間，盡可能的使其獨立存在。

本課題采用模塊化的設計思想，將各個(gè)硬件模塊分別調試然后各模塊的程序在聯(lián)調的方法。按設計思路軟件調試部分分為光亮檢測模塊，報警模塊，超聲測距模塊，PWM調光

模塊的軟件設計，軟件設計的結構圖如圖3所示。

6 總體功能流程圖

根據實(shí)驗測試及適用性要求，設置了主要3大功能：讀取距離和距離合理值的判斷，讀取光強和光強值的判斷，自感柔和度的人性化調節。其總體功能流程圖如圖4所示。

7 結論

本文通過(guò)C8051F340型主控制芯片，通過(guò)A/D轉換后以測得環(huán)境的亮度值，以PWM的方式調節LED的亮度，以超聲測距傳感器來(lái)進(jìn)行距離的測量，設計出一款具有自動(dòng)調節光亮，坐姿矯正等功能于一體的智能化LED臺燈。該設計可以解決環(huán)境光線(xiàn)的自動(dòng)調節，不當姿勢的報警提示等功能的智能護眼臺燈。相對于市場(chǎng)上臺燈而言，避開(kāi)了其功能單一化特點(diǎn)，而具有多個(gè)功能的集成化和自動(dòng)化等優(yōu)勢，同時(shí)，具有成本低廉、性能優(yōu)越具有良好的實(shí)用性和商業(yè)價(jià)值。