基于超声波传感器的智能照明梳妆台设计

王晓丛，范旭东

(北京林业大学 工学院，北京 100083)

0 引言

随着科学技术和社会信息化的发展，物联网加快了其建设的步伐，智能家具作为物联网的重要组成部分也得到了越来越多的重视，很多国际知名品牌如西门子、联想等都加紧了智能家具的研发与推广.

便捷是智能家具的主要目的，随着可持续发展的提出，节能增效也成为了智能家具的重要功能之一，本文就以便捷实用和节能增效为出发点对梳妆台进行了智能化设计，旨在探索一种针对传统家居的智能化设计或改进方法.

1 设计理念与设计方案

梳妆台是家庭生活中不可缺少的家具之一，梳妆时往往需要较明亮的镜面，以使梳妆更加得体，但是梳妆台往往置于卧室，在晚上或秋冬季的早晨使用梳妆台时需要打开房间的灯光照明，不仅会影响家人的休息，而且一般家用照明节能灯的功率约20～40W，只为了梳妆时的局部照明而打开屋内灯光不够低碳节能.而且梳妆一般在洗漱之后，往往手是湿的，这时候触碰开关可能会产生触电等不安全因素.为解决这两个问题，本研究对梳妆台进行了智能化设计.

本设计的理念是在镜片四周加装可调节的LED 光源，通过超声波传感器感应使用者与梳妆台的距离，进而控制照明LED 的亮度.当梳妆台无人使用时，超声波传感器会检测到这个状态并关闭LED;当使用者走向梳妆台欲进行梳妆时，超声波传感器可根据距离逐步提高LED 的亮度，使灯光可以在黑暗中指示梳妆台的位置，并在使用时提供照明.基于该方案设计的产品结构新颖、节能低碳，能给日常生活带来更便捷和安全的用户使用体验.

本梳妆台的具体设计方案如图1 所示，梳妆台由桌体和放置在桌体上的用于安置镜片的镜框组成.镜框使用透光和不透光两种材料制作，镜框正面安置镜片的四周用不透光材料镂空图案用于装饰与透光，其表面再覆盖一层透光材料以保证产品的完整性和保护内部电路.在镜框内放置用于照明的高亮LED，在桌体表面放置用于检测距离的超声波传感器及其相关电路.

图1 设计方案

2 智能化照明的设计

在本梳妆台的设计中，智能照明功能是由照明系统、测距传感器、控制系统这三部分实现的，其工作流程如图2 所示:当系统上电后，测距传感器便以一定的周期检测使用者与梳妆台的距离，并将距离参数传递给控制系统，控制系统再根据该距离参数将亮度控制参数传递给照明系统.

图2 工作流程图

测距传感器的功能是测量距离，在现有的低成本测距传感器中，红外传感器和超声波传感器是最为常用的，而超声波传感器在使用范围、能耗、抗干扰等方面又更有优势，因此经过比较，最终选择HC－SR04 超声波传感器作为本方案的传感器(如图3)，其探测范围是2cm～450cm、精度可达0.3cm、测距角度范围120 度，非常符合本设计的要求.

图3 HC－SR04 超声波传感器

控制系统是实现智能化的核心，通过控制系统才能将传感器、照明等部分有机的连接成一个完整的系统.控制系统包括核心处理单元、电源、接口等部分，由于智能梳妆台所要实现的功能较为单一，不需要很强的计算能力和相关资源，因此选择成本低、性能稳定的AT89S51 单片机作为核心处理单元;电源、接口等外围电路部分则根据实际需求与单片机一起设计到PCB 板上(如图4)，保证了整体电路的稳定与美观.

图4 控制系统PCB 板

照明系统是直接影响系统能耗和用户体验的重要部分，其包括照明器件和驱动电路两部分.由于LED 的功耗在相同照明亮度的条件下仅是普通光源的1/10 到1/3，因此本方案中选择LED 作为照明器件，并设计了与之配套的驱动电路使控制系统可以通过PWM 直接调节LED 的亮度(如图5).本方案中选用的LED 是3W 白光LED，由于体积小，局部温度高，还需要加装散热器以保证其安全和稳定(如图6).

图5 LED 驱动电路

图6 3W 白光LED 及散热器

3 造型的针对性设计

为配合照明功能的实现，在梳妆台造型设计时需要综合考虑到透光纹饰和散热孔的位置、镜框造型、梳妆台整体造型等.在本次设计方案中，首先结合美观与可塑性，选择亚克力作为主要材质;再确定以中国风为整体的设计风格，圆形的镜面配以扇形的镜体外框、明式家具风格的镶嵌式纹饰桌体;最后再根据照明功能的需要，在镜片四周设计梅、兰、竹、菊的极简装饰纹样为四块镂空图案，LED 灯光的亮暗使纹饰若隐若现，典雅又体现中国文化元素.最终的造型如图7 所示(为方便展示传感器与控制电路单独放在梳妆台前方)，由图可见，在保证梳妆台使用、照明等功能性需求的前提下，造型整体和谐统一，基于用户体验的实用和安全原则，实现了艺术性和智能化的结合.

4 结论

随着生活水平的日益提高，人们对朝夕相伴的家具不再局限于传统功能性的需求，以用户体验为中心并与智能化结合将是未来家具的发展方向.本次智能化梳妆台以单片机为控制核心，通过超声波传感器的感应动态调节LED 的亮度，使梳妆台在使用过程中更加便捷、节能、安全，满足用户需求.本方案是一种将艺术造型设计与自动控制技术结合的成功探索与尝试，能为读者提供一种切实可行的用户体验设计到智能化产品设计的参考方案.

图7 梳妆台实物图

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