具有视力保护功能的智能台灯设计

赵兰浩

摘 要：为了改善目前我国日益严重的近视情况，本文对影响视力的各个因素分别进行分析，并利用51单片机和多种传感器设计了热释电模块、光照强度检测与台灯亮度调整模块、距离检测与语音提示模块、学习时间定时与语音提示模块。根据生活实际需要，又加入了环境温湿度检测与显示模块的设计。借助专业工具软件完成了各模块的硬件电路设计，并完成了软件程序编写和调试。

关键词：智能家居；智能台灯；单片机；PWM

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

1 背景

随着经济的发展，近视这一问题在我国变得越来越突出。而相关调查表明，我国几乎一半的学生保护视力意识淡薄，缺乏基本知识，对近视的危害不了解。进而导致部分学生没有接受过专门机构的指导与治疗。

不仅是学生群体，2015年发布的相关研究报告中估计，2012年全国近视人数几乎占到总人口的三分之一，由此导致的社会成本高达5000亿元。其中约有7%的近视患者为高度近视，目前该数字仍然在增加。如果不采取措施来抑制这种情况任其发展，那么不出五年，到2020年时近视总人数就会增长到全国总人口一半左右。

基于目前的研究现状和实际要求，需要对智能台灯进行完善，以更好的满足实际需要。本课题在以往单纯实现照明功能的台灯设计基础上，通过程序使电子器件和传感器相互结合，实现距离、光强、学习时间的检测、调节和报警，从而达到预防由错误读书写字姿势、长时间学习，低光强环境用眼等多种情况导致的近视情况的目的。

2 具体设计

本系统主要包括人体感应模块、光强检测与光线强度调整部分、距离检测与语音提示部分、学习时间定时与语音提示部分、环境温湿度检测与显示部分。程序主要包括主程序、手动自动切换子程序、人体感应子程序、距离检测子程序、温湿度检测子程序、学习定时子程序、光强检测与控制子程序、语音提示子程序、显示子程序。

（1）人体感应模块。本部分的工作原理是首先通过人体感应模块（热释电模块）感应使用者是否到来以决定是否开启台灯。

本设计采用基于BISS0001为驱动芯片的HC-SR501人体感应模块，它相比于其他产品具有应用广泛，成本低廉，输出稳定等优点。

（2）距离检测模块。本部分的工作原理是采用距离传感器人与台灯的距离，并将其转换为容易传递的电信号，单片机接收信号后通过程序比较检测到的距离与程序预先设置的值。

如果检测距离小于设定值，则通过语音提示距离过小，提示使用者调整距离，从而确保使用者与台灯始终保持一个合适的距离。

本设计采用超声波接近传感器，它与其他传感器相比，具有测量误差小，测量范围合适等优点。

（3）学习时间定时模块。本部分的工作原理是台灯打开后立即进入倒计时，设定时间为30分钟，倒计时结束后单片机输出信号，提示使用者休息。

（4）环境温湿度检测与显示模块。本设计采用DHT11作为温湿度检测模块，它与其他同类产品相比，具有测量精确，应用广泛，成本较低等优点。

1）温度检测。本部分的工作原理是采用温度传感器检测外界温度，并将其转换为容易传递的电信号。单片机接收信号后显示温度值。

2）湿度检测。本部分的工作原理是采用湿度传感器检测外界湿度，并将其转换为容易传递的电信号。单片机接收信号后显示湿度值。

与温度检测相似，在设计中使用DHT11同时检测温度和湿度，并显示在一块LCD1602屏上。

（5）光强检测与调整模块。采用单独传感器检测环境光照强度，并将其通过模数转换器件ADC0809转换为容易传递的电信号。单片机接收信号后通过程序比较检测到的光强與程序预先设置的值，从而调整灯光强度。实现一个稳定的、合适的光强环境。

本设计采用光敏电阻检测外界光强信号，通过ADC0809处理检测数据后传送给单片机，然后利用PWM调制技术控制LED灯开通时间，实现光强的控制。

（6）语音提示模块。本设计采用ISD1720芯片作为语音提示芯片，它与其他同类产品相比，具有存储量大，应用广泛，成本较低等优点。

（7）显示模块。本设计采用LCD16O2液晶显示芯片作为显示屏，它与其他同类产品相比，具有显示清楚，操作简单，应用广泛，成本较低等优点。

（8）电源模块。单片机与其他传感器需要用到5V电源。电源电路单片机工作需要使用5V电压，因此需要单独设计电源电路。

3 仿真调试

Proteus软件是英国LCE公司发行的EDA工具软件，在其他仿真软件的基础上加入单片机及外围器件仿真，因此它是目前做的较为成熟的单片机仿真软件。

仿真结果显示，虽然有一些可以改进的地方，但是依据现有设计方案，智能台灯的基本功能基本得到了实现。

4 总结展望

本文基于智能家居理念设计了一款家用学习型智能台灯，使用传感器与控制芯片相结合，对影响视力的光照强度、距离、用眼时间进行检测、提醒与控制，实现对视力的综合保护。

本文主要完成了以下工作：（1）系统功能的确定，通过综合分析和生活应用最终确定了以下五个功能：热释电、光线强度调整、距离检测与语音提示、学习时间倒计时控制与语音提示、环境温湿度检测与显示。（2）依据系统功能，确定了每项功能的具体实现方案，包括热释电传感器及BISS0001驱动芯片、DHT11温湿度传感器、ISD1720语音芯片，红外传感器。（3）根据每项功能的具体内容，完成了相关硬件的选型和基本电路设计。（4）根据硬件设计图，完成了主程序及子程序的编写。（5）对硬件和程序完成仿真调试。

由于条件的限制，本设计所实现的功能较为简单，大体存在以下几个改进方向：（1）依据近视情况的相关数据，建立具体的识别框架，运用数据融合技术及常用的D-S证据推理算法，实现多传感器融合系统，获得单一传感器不能获得的信息，提高控制精度。（2）采用图像识别算法，代替距离传感器测量距离，代替热释电检测使用者是否到来，使台灯更加智能化。

参考文献：

[1]金衡，邓松坤，宛铮，周正宝.LED智能多功能台灯[J].科技视界，2012（11）：36-37+24.

[2]黄孝康，汤莉莉，郑金亮，姚杰，黄孝升.红外智能LED台灯的研究与设计[J].科技创新导报，2014，11（33）：5-6.

[3]郭鹏程，王新元，叶其忠.基于51单片机的智能台灯设计[J]. 科技展望，2016，26（11）：171.