具有視力保護(hù)功能的智能臺(tái)燈設(shè)計(jì)

趙蘭浩

摘 要：為了改善目前我國(guó)日益嚴(yán)重的近視情況，本文對(duì)影響視力的各個(gè)因素分別進(jìn)行分析，并利用51單片機(jī)和多種傳感器設(shè)計(jì)了熱釋電模塊、光照強(qiáng)度檢測(cè)與臺(tái)燈亮度調(diào)整模塊、距離檢測(cè)與語(yǔ)音提示模塊、學(xué)習(xí)時(shí)間定時(shí)與語(yǔ)音提示模塊。根據(jù)生活實(shí)際需要，又加入了環(huán)境溫濕度檢測(cè)與顯示模塊的設(shè)計(jì)。借助專(zhuān)業(yè)工具軟件完成了各模塊的硬件電路設(shè)計(jì)，并完成了軟件程序編寫(xiě)和調(diào)試。

關(guān)鍵詞：智能家居；智能臺(tái)燈；單片機(jī)；PWM

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.21.107

1 背景

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，近視這一問(wèn)題在我國(guó)變得越來(lái)越突出。而相關(guān)調(diào)查表明，我國(guó)幾乎一半的學(xué)生保護(hù)視力意識(shí)淡薄，缺乏基本知識(shí)，對(duì)近視的危害不了解。進(jìn)而導(dǎo)致部分學(xué)生沒(méi)有接受過(guò)專(zhuān)門(mén)機(jī)構(gòu)的指導(dǎo)與治療。

不僅是學(xué)生群體，2015年發(fā)布的相關(guān)研究報(bào)告中估計(jì)，2012年全國(guó)近視人數(shù)幾乎占到總?cè)丝诘娜种?，由此?dǎo)致的社會(huì)成本高達(dá)5000億元。其中約有7%的近視患者為高度近視，目前該數(shù)字仍然在增加。如果不采取措施來(lái)抑制這種情況任其發(fā)展，那么不出五年，到2020年時(shí)近視總?cè)藬?shù)就會(huì)增長(zhǎng)到全國(guó)總?cè)丝谝话胱笥摇?/p>

基于目前的研究現(xiàn)狀和實(shí)際要求，需要對(duì)智能臺(tái)燈進(jìn)行完善，以更好的滿(mǎn)足實(shí)際需要。本課題在以往單純實(shí)現(xiàn)照明功能的臺(tái)燈設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，通過(guò)程序使電子器件和傳感器相互結(jié)合，實(shí)現(xiàn)距離、光強(qiáng)、學(xué)習(xí)時(shí)間的檢測(cè)、調(diào)節(jié)和報(bào)警，從而達(dá)到預(yù)防由錯(cuò)誤讀書(shū)寫(xiě)字姿勢(shì)、長(zhǎng)時(shí)間學(xué)習(xí)，低光強(qiáng)環(huán)境用眼等多種情況導(dǎo)致的近視情況的目的。

2 具體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要包括人體感應(yīng)模塊、光強(qiáng)檢測(cè)與光線強(qiáng)度調(diào)整部分、距離檢測(cè)與語(yǔ)音提示部分、學(xué)習(xí)時(shí)間定時(shí)與語(yǔ)音提示部分、環(huán)境溫濕度檢測(cè)與顯示部分。程序主要包括主程序、手動(dòng)自動(dòng)切換子程序、人體感應(yīng)子程序、距離檢測(cè)子程序、溫濕度檢測(cè)子程序、學(xué)習(xí)定時(shí)子程序、光強(qiáng)檢測(cè)與控制子程序、語(yǔ)音提示子程序、顯示子程序。

（1）人體感應(yīng)模塊。本部分的工作原理是首先通過(guò)人體感應(yīng)模塊（熱釋電模塊）感應(yīng)使用者是否到來(lái)以決定是否開(kāi)啟臺(tái)燈。

本設(shè)計(jì)采用基于BISS0001為驅(qū)動(dòng)芯片的HC-SR501人體感應(yīng)模塊，它相比于其他產(chǎn)品具有應(yīng)用廣泛，成本低廉，輸出穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

（2）距離檢測(cè)模塊。本部分的工作原理是采用距離傳感器人與臺(tái)燈的距離，并將其轉(zhuǎn)換為容易傳遞的電信號(hào)，單片機(jī)接收信號(hào)后通過(guò)程序比較檢測(cè)到的距離與程序預(yù)先設(shè)置的值。

如果檢測(cè)距離小于設(shè)定值，則通過(guò)語(yǔ)音提示距離過(guò)小，提示使用者調(diào)整距離，從而確保使用者與臺(tái)燈始終保持一個(gè)合適的距離。

本設(shè)計(jì)采用超聲波接近傳感器，它與其他傳感器相比，具有測(cè)量誤差小，測(cè)量范圍合適等優(yōu)點(diǎn)。

（3）學(xué)習(xí)時(shí)間定時(shí)模塊。本部分的工作原理是臺(tái)燈打開(kāi)后立即進(jìn)入倒計(jì)時(shí)，設(shè)定時(shí)間為30分鐘，倒計(jì)時(shí)結(jié)束后單片機(jī)輸出信號(hào)，提示使用者休息。

（4）環(huán)境溫濕度檢測(cè)與顯示模塊。本設(shè)計(jì)采用DHT11作為溫濕度檢測(cè)模塊，它與其他同類(lèi)產(chǎn)品相比，具有測(cè)量精確，應(yīng)用廣泛，成本較低等優(yōu)點(diǎn)。

1）溫度檢測(cè)。本部分的工作原理是采用溫度傳感器檢測(cè)外界溫度，并將其轉(zhuǎn)換為容易傳遞的電信號(hào)。單片機(jī)接收信號(hào)后顯示溫度值。

2）濕度檢測(cè)。本部分的工作原理是采用濕度傳感器檢測(cè)外界濕度，并將其轉(zhuǎn)換為容易傳遞的電信號(hào)。單片機(jī)接收信號(hào)后顯示濕度值。

與溫度檢測(cè)相似，在設(shè)計(jì)中使用DHT11同時(shí)檢測(cè)溫度和濕度，并顯示在一塊LCD1602屏上。

（5）光強(qiáng)檢測(cè)與調(diào)整模塊。采用單獨(dú)傳感器檢測(cè)環(huán)境光照強(qiáng)度，并將其通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器件ADC0809轉(zhuǎn)換為容易傳遞的電信號(hào)。單片機(jī)接收信號(hào)后通過(guò)程序比較檢測(cè)到的光強(qiáng)與程序預(yù)先設(shè)置的值，從而調(diào)整燈光強(qiáng)度。實(shí)現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定的、合適的光強(qiáng)環(huán)境。

本設(shè)計(jì)采用光敏電阻檢測(cè)外界光強(qiáng)信號(hào)，通過(guò)ADC0809處理檢測(cè)數(shù)據(jù)后傳送給單片機(jī)，然后利用PWM調(diào)制技術(shù)控制LED燈開(kāi)通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)的控制。

（6）語(yǔ)音提示模塊。本設(shè)計(jì)采用ISD1720芯片作為語(yǔ)音提示芯片，它與其他同類(lèi)產(chǎn)品相比，具有存儲(chǔ)量大，應(yīng)用廣泛，成本較低等優(yōu)點(diǎn)。

（7）顯示模塊。本設(shè)計(jì)采用LCD16O2液晶顯示芯片作為顯示屏，它與其他同類(lèi)產(chǎn)品相比，具有顯示清楚，操作簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛，成本較低等優(yōu)點(diǎn)。

（8）電源模塊。單片機(jī)與其他傳感器需要用到5V電源。電源電路單片機(jī)工作需要使用5V電壓，因此需要單獨(dú)設(shè)計(jì)電源電路。

3 仿真調(diào)試

Proteus軟件是英國(guó)LCE公司發(fā)行的EDA工具軟件，在其他仿真軟件的基礎(chǔ)上加入單片機(jī)及外圍器件仿真，因此它是目前做的較為成熟的單片機(jī)仿真軟件。

仿真結(jié)果顯示，雖然有一些可以改進(jìn)的地方，但是依據(jù)現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案，智能臺(tái)燈的基本功能基本得到了實(shí)現(xiàn)。

4 總結(jié)展望

本文基于智能家居理念設(shè)計(jì)了一款家用學(xué)習(xí)型智能臺(tái)燈，使用傳感器與控制芯片相結(jié)合，對(duì)影響視力的光照強(qiáng)度、距離、用眼時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)、提醒與控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)視力的綜合保護(hù)。

本文主要完成了以下工作：（1）系統(tǒng)功能的確定，通過(guò)綜合分析和生活應(yīng)用最終確定了以下五個(gè)功能：熱釋電、光線強(qiáng)度調(diào)整、距離檢測(cè)與語(yǔ)音提示、學(xué)習(xí)時(shí)間倒計(jì)時(shí)控制與語(yǔ)音提示、環(huán)境溫濕度檢測(cè)與顯示。（2）依據(jù)系統(tǒng)功能，確定了每項(xiàng)功能的具體實(shí)現(xiàn)方案，包括熱釋電傳感器及BISS0001驅(qū)動(dòng)芯片、DHT11溫濕度傳感器、ISD1720語(yǔ)音芯片，紅外傳感器。（3）根據(jù)每項(xiàng)功能的具體內(nèi)容，完成了相關(guān)硬件的選型和基本電路設(shè)計(jì)。（4）根據(jù)硬件設(shè)計(jì)圖，完成了主程序及子程序的編寫(xiě)。（5）對(duì)硬件和程序完成仿真調(diào)試。

由于條件的限制，本設(shè)計(jì)所實(shí)現(xiàn)的功能較為簡(jiǎn)單，大體存在以下幾個(gè)改進(jìn)方向：（1）依據(jù)近視情況的相關(guān)數(shù)據(jù)，建立具體的識(shí)別框架，運(yùn)用數(shù)據(jù)融合技術(shù)及常用的D-S證據(jù)推理算法，實(shí)現(xiàn)多傳感器融合系統(tǒng)，獲得單一傳感器不能獲得的信息，提高控制精度。（2）采用圖像識(shí)別算法，代替距離傳感器測(cè)量距離，代替熱釋電檢測(cè)使用者是否到來(lái)，使臺(tái)燈更加智能化。

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