基于STC89C51单片机的乡村家用智能台灯系统设计*

李 玲，郭泓序，田真子

（郑州航空工业管理学院，河南 郑州 450046）

自从19世纪末，电作为一种新能源进入到千家万户的生活以来，到如今人们的生活与电息息相关。一个又一个的电器用品也是从那时被发明出来，并且在以后的社会生活和科技发展中，不断地被充实和完善。21世纪进入了一个科技高速发展的时代，信息技术及网络的飞速发展，带来了一次次的科技革命以及技术的革新。随着新农村建设的逐步深入，人们对生活品质的要求也随之不断地提高，开始追求快捷、高效的生活方式，为了适应物质生活的需求，智能家电应运而生，而这些智能家电普遍有一个共同的标志，就是远程控制。

当下家电的智能化正逐渐应用在人们的生活中，针对家电远程控制技术及智能家电的使用现状，安全性及普及性都有待提高，此外价格过高也是亟待解决的问题。目前由于经济发展等各方面的原因，智能家电在农村的应用和普及还很困难。但是由于学习所需，台灯又是一件必需品。本次设计的智能台灯使用STC89C51单片机，借助ADC0809模数转换、传感器等装置，是一台智能台灯，它不仅可以根据环境光线自动调节亮度，而且还可以实现坐姿报警、学习时间定时等功能，对于在农村的学生以及工作族来说，具有预防近视的良好效果，而且它的制作成本较低，因此具有良好的实用性和普及性。

1 系统方案设计

本系统主要由STC89C51单片机、ADC0809模数转换器、数码管、传感器、蜂鸣器、LED灯等元件组成。该系统是基于感应人体红外信号的热释电红外传感器的设计。它采用ADC0809作为模数转换和信号处理电路，由STC89C51单片机进行处理，并发出控制指令来实现相关的控制目的。

图1 智能台灯系统总体框图

系统的组成框图如图1所示，其中箭头的指向代表了动作的方向，由框图可见，系统的主要组成包括如下部分：

（1）传感器包括：热释电红外传感器、红外测距传感器、光敏电阻；这是系统信号检测与处理系统的主要组成部分。

（2）以STC89C51单片机和ADC0809模数转换器组成的系统微处理器模块，用于处理信号并发出相应的程序控制命令。

（3）LED灯光亮度控制电路部分：根据STC89C51单片机给出的指令来相应地控制灯光亮灭和调整亮度。

（4）蜂鸣器报警部分：用于到达学习设定时间时的报警，以及坐姿矫正的报警。

由于需要感知周围是否有人在，因此在设计中采用了热释电红外传感器。因为该传感器对人体波长约10μm的红外辐射极其敏感，而其他物体的热辐射不会引起探头移动。所述台灯顶部的光敏电阻能够感知LED台灯周围环境的光强，从而自动调节台灯的亮度;该系统微控制单元采用STC89C5l单片机，其主要功能是接收来自传感器的返回信号，并控制经过处理的数码管显示、蜂鸣器报警、LED灯等电路;蜂鸣器单元主要是根据单片机单元发出的命令给出报警信号;光的控制由晶体管驱动，通过单片机的I/O口输出相应的PWM脉冲。达到控制灯具亮度的效果。显示部分使用4位1体共阳极数码管，由9012三极管驱动。坐姿校正传感器使用红外测距传感器来测量人体与传感器系统之间的距离。当距离小于报警距离时，蜂鸣器报警。

2 系统硬件模块简介

2.1 STC89C51单片机简介

STC89C51单片机系统的引脚与接线图如图2所示：

图2 STC89C51单片机引脚与接线图

STC89C51单片机是本次使用单片机作为系统的主要中心控制单元，对系统起到了极其重要的作用。单片机的主要任务是接收光敏传感器和人体感应传感器传输进来的数字信息，并对数字信息的大小以及相应的模式进行处理，进而发送控制指令。控制的对象主要有光敏LED的开启和亮度、蜂鸣器报警以及数码管显示等多种功能。所以，对于单片机I/O口的应用较为丰富。在单片机的左下方是晶振电路，为单片机提供工作脉冲。这个脉冲也就是单片机的工作速度。在设计中使用的晶振是12MHz，即工作速度为每秒12M。左上部为复位电路，供单片机复位使用。

2.2 ADC0809模数转换装置

由于系统需要感应人体的靠近与否，它是一个模拟信号。但是，由于单片机只能处理数字信号，因此，ADC0809模数转换器就起到了极其重要的作用，通过它与单片机和外设两端的连接，即可进行模数转换，该模块在系统中也起到了桥梁的作用。

图3 ADC0809模块接线图

如图3所示，即为ADC0809模块的接线图，在需要进行A/D转换时，只需在IN-0至IN-7这8个模拟输入信号口中选择一个端口即可，所以在设计阶段，作者选用了IN-0接口，接入模拟信号，而将其他口关闭。经模块的模数转换后，右侧端口输出AD数字信号，与单片机相连，进行相关的指令动作。

2.3 传感器和信号检测与处理部分

传感器在本次设计中发挥了重要作用。由传感器组成的信号检测与处理部分的电路原理如图4所示。

图4 传感器和信号检测与处理部分组成图

信号检测与处理部分主要由人体感应模块、红外接近传感器以及蜂鸣器等元件组成。其核心部件是一个热释电红外传感器，因其对人体辐射的10μm左右红外波长极其敏感，所以它可以灵敏地检测到周围环境是否有人，进而做出相应的动作。它的探针是两个电极化完全相反的热释电元件，当周围没有人时，二者放电效应可相互抵消，因此就不会引发单片机指令带动蜂鸣器报警；但是当它感受到周围有人体的热辐射时，相应电极的热释电单元就会吸收人体热辐射，进而导致两单元的热释电性产生不同，即电势差改变，它不能偏移，所以会输出检测信号，此时单片机会发出命令动作，使蜂鸣器产生报警。

此外，除了需要检测人体信号外，由于台灯报警时，是达到一定的距离后才会报警的，因此需要一个测距传感器。本设计选用的测距传感器本质上就是一种光电传感器，即将光强的变化转变为电信号的变化，进而实现对系统信号的反馈与控制（见图5）。

图5 红外测距模块电路图

这个装置的电子感应器件主要是发射装置、接收器和检测电路。发射器发出的光源通常是一种半导体光源，如发光二极管（LED）等。这些光源会不停地发出，也可能改变其脉冲宽度。接收器由光电二极管、光电晶体管和光电池组成。同时接收器前还带有像透镜和光圈等光学器件。在接收装置后面有检测电路能把有效信号滤出锁定起来并有效利用。

这个设计使用的多个传感器，通常会在通电后输出高电平。但当人体被确认在附近时，就将变成低电平信号传送出去，然后将低电平信号传送到单片机中处理。最终实现该灯具的设计目的即进行测距和报警。

2.4 光敏电阻LED灯光控制电路

系统的LED灯光控制电路如图6所示。

图6 LED灯光控制电路

图6是由LED以及光敏电阻等组成的灯光控制电路。系统的所有LDE灯采用并联连接，之后将并联后的LED灯组的正极接在三极管Q8的集电极上，灯组的负极是接地的。当单片机的IO端口LED输出高电平时，晶体管Q7被打开，Q8的基极被拉低。此时Q8打开，并联LED灯的阳极连接到电源上，灯亮；当单片机的IO口LED输出低电平时，晶体管Q7被切断，Q8的基极被上拉电阻R12拉起。此时Q8被切断，并联LED的正极未接电源，灯灭。当IO口的频率变化非常快时，可以通过调节PWM占空比来控制灯的亮度。

本次设计的台灯最终可实现以下功能：在自动模式下，台灯能根据周围环境光线的明暗与是否检测到周围有人来判断是否开启台灯。并且能够根据周围环境的明暗自动调节亮度。当人体太靠近台灯时，台灯会感应到并对此发出警告，提醒人们要调整到正确的坐姿。并且我们可以自己设定时间，当工作学习的时间到了设定的时长后，台灯发出提醒，提醒设定时间到了，适当休息一下。另外在手动模式下，手动调节亮度。可以设置学习时间，按下设置键后可通过加减键调节分和秒。

3 系统软件部分简介

在Kile5软件中,编写相关的控制程序，本系统的主程序如下：

最终，将调试好的程序烧录到制作好的硬件电路板中，即可实现本设计的相关功能，智能台灯的设计就成功了。制作出的智能台灯系统实物如图7所示。

图7 基于STC89C51单片机的智能台灯实物图

4 结束语

以上就是本设计的全部内容，本系统主要依靠单片机原理以及通信、物联网控制等技术，结合了多种控制技术的优点选择了家电远程控制系统的硬件部分，最终完成了硬件电路的设计制作以及软件的编程与写入。

系统利用单片机领域的相关技术，实现了对智能台灯控制系统的设计，与传统的台灯相比，不仅节约了能源，也为人们的日常生活提供了极大的便利。它不仅能够根据环境光线自动调节亮度，而且人体感应装置还可以根据坐姿，进行检测和报警。其中的数码管和按键设置能够对学习时间进行定时，起到提醒功能。总的来说，这一设计不仅方便实用，而且对于在农村学习的人们来说，也是一个良好的预防近视的设计。相信，在新农村的建设，以及乡村振兴的道路上，诸如此类经济实用的智能家电，能够越来越多地走进千家万户，方便人们的生活，为新农村建设添砖加瓦。