智能護眼臺燈設計

摘要：據(jù)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(shù)是青少年。目前市場上的一些臺燈只能實現(xiàn)單一的照明功能，姿勢檢測的相關產品功能也單一無法實現(xiàn)多個功能的集成化和自動化?；诖藛栴}，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習姿態(tài)檢測和校正提醒功能、學習時間檢測提醒功能和光亮調節(jié)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A/D轉換后以測得環(huán)境的亮度值，通過PWM的方式調節(jié)LED的亮度，以超聲測距模塊來進行距離的測量，設計出一款具有自動調節(jié)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(xiàn)狀，需要青少年養(yǎng)成良好的用眼用腦習慣。目前市場上有關于坐姿和體型校正等相關類似的產品，但對于光線強度的自動調節(jié)、用眼時間過長的提醒等功能尚無有效手段和產品進行補償修正，因此有必要研制一款可控制光照亮度和學習時長的智能護眼臺燈，以改善用眼用腦環(huán)境。

本課題從實際出發(fā)，以解決生活實際問題為出發(fā)點，所設計的智能護眼臺燈具自動調節(jié)光源亮度，根據(jù)用戶距離臺燈距離產生報警。此設計為青少年學生長時間看書學習以及在光線昏暗的環(huán)境下學習等不當?shù)挠醚墼斐傻膫?，而設計出一款具有自動調節(jié)光亮，定時報警，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)境光線的自動調節(jié)，不當姿勢的報警提示等功能。

1 系統(tǒng)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(jù)外界采集來的亮度值判斷外界環(huán)境的光線明暗從而通過調節(jié)輸出的電壓來調節(jié)LED燈的亮度。而測距模塊用來測量人距離某個參考點的距離值，MCU通過數(shù)據(jù)處理來判段是否超出設定的參考距離從而判斷是否報警。而時間處理函數(shù)會記錄時間值，當用戶長時間處于燈下工作或學習時系統(tǒng)會發(fā)出報警甚至關閉臺燈?？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，以此作為自動調節(jié)燈具亮度的依據(jù);時鐘模塊主要提供定時功能，作為系統(tǒng)控制時間參考;檢測傳感模塊用于檢測學生或用戶和參考點的距離變動情況，以此判別用戶的學習姿態(tài);報警模塊主要實現(xiàn)聲音的報警信號;驅動部分為LED提供恒流驅動和不閃爍調光功能;處理器用于實現(xiàn)整個測控過程。

2 超聲波測距模塊

超聲波測距使用了時間檢測法，即由主控制芯片產生40 kHz的脈沖信號經超聲波發(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，通過接收和發(fā)射的時間差值的一半與超聲波在空氣中的床波速度之積來計算障礙物和超聲波發(fā)出點的位距離。

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好處：一是收發(fā)信號不會混

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造成的各種損失和干擾，提高系統(tǒng)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光敏感材料感知光線強度的變化，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，長此以往會導致視力下降并影響健康;若周圍環(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也會影響燈本身的使用壽命。

查閱相關資料知光敏電阻、光敏二極管、光電三極管的主要參數(shù)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，一般用來檢測周圍環(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(jié)的連續(xù)電阻器，隨著電位器手柄的滑動調節(jié)，可以產生一定的相應變化的輸出電壓。而用作變阻器時，可以在一定的行程范圍內獲得比較連續(xù)變化的的電阻值。而在此我們考慮到電燈強弱在實際運用中不符合個人的視覺習慣，故選擇了變阻電位器來進行人眼光感的調節(jié)。

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(guī)范要求以外的輸入能夠判斷出這個輸入不符合規(guī)范要求，并能有合理的處理方式;可修改性是指以科學的方法設計軟件，使之有良好的結構和完備的文檔，系統(tǒng)性能易于調整;可測性是指軟件設計過程中要求設計一個適當?shù)臄?shù)據(jù)集合，用來測試所建立的系統(tǒng)，并保證系統(tǒng)得到全面的檢驗;效率性一般用程序的執(zhí)行時間和所占用的內存容量來度量，當達到原理要求功能指標的前提下，程序運行所需時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軟件模塊是由相天性很強的代碼組成，只負責一項任務，也就是常說的單一責任原則。低耦合是指一個完整的軟件系統(tǒng)，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(jù)實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(jié)。其總體功能流程圖如圖4所示。

7 結論

本文通過C8051F340型主控制芯片，通過A/D轉換后以測得環(huán)境的亮度值，以PWM的方式調節(jié)LED的亮度，以超聲測距傳感器來進行距離的測量，設計出一款具有自動調節(jié)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)境光線的自動調節(jié)，不當姿勢的報警提示等功能的智能護眼臺燈。相對于市場上臺燈而言，避開了其功能單一化特點，而具有多個功能的集成化和自動化等優(yōu)勢，同時，具有成本低廉、性能優(yōu)越具有良好的實用性和商業(yè)價值。