【基于SCT89C52單片機(jī)的智能臺燈設(shè)計5200字（論文）】

基于SCT89C52單片機(jī)的智能臺燈設(shè)計目錄TOC\o"1-2"\h\u26298引言 1172121.概述 2252071.1課題設(shè)計意義 28231.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 239852.系統(tǒng)的總體方案設(shè)計 384202.1系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)成 38272.2系統(tǒng)設(shè)計思路 3115053.系統(tǒng)硬件設(shè)計 3170353.1最小系統(tǒng)模塊 4314213.2LED照明模塊 450143.3光照強(qiáng)度采集模塊 5162373.4人體檢測模塊 5267993.5按鍵模塊 6304084.PID閉環(huán)控制算法 6159564.1PID算法簡介 791734.2算法控制流程分析 7188975.系統(tǒng)主程序設(shè)計 8295866.總結(jié) 9摘要：臺燈方便了人們在夜晚的工作和學(xué)習(xí)。隨著電子技術(shù)的日益成熟，人們對臺燈也提出了智能化的要求。由于傳統(tǒng)臺燈亮度單一、功能簡單，為了改進(jìn)傳統(tǒng)臺燈的功能，本文設(shè)計了一款以SCT89C52單片機(jī)為控制核心，利用光敏電阻獲得環(huán)境亮度信息，借助ADC0832進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，利用pulsewidthmodulation(PWM)調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)臺燈亮度的自動調(diào)節(jié)，使臺燈能夠根據(jù)環(huán)境亮度調(diào)節(jié)燈光強(qiáng)度。為了使臺燈亮度切換更加穩(wěn)定加入proportionintegrationdifferentiation(PID)算法使臺燈亮度逐漸變化。紅外模塊檢測燈前是否有人，做到有人開燈，無人關(guān)燈，達(dá)到節(jié)能護(hù)眼的要求。關(guān)鍵詞：智能臺燈；PWM調(diào)光；人體感應(yīng)；PID算法引言現(xiàn)代人們的生活離不開燈光照明。人們生活中接觸最早的照明工具是煤油燈，但是煤油燈不僅光亮微弱，燃燒時還會產(chǎn)生刺鼻的氣味影響人們的身體健康。隨著人們對科技的不斷探索發(fā)明了白熾燈，用電代替煤油為燈提供能源，照明穩(wěn)定而且比煤油燈更安全。但普通白熾燈存在耗電量大，夜晚使用燈光太強(qiáng)損害視力。隨著電子工藝的發(fā)展，人們發(fā)明了LED燈，它是一種功耗低、高效能的燈，與傳統(tǒng)的燈源相比，它具有節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境、使用壽命長、安全等特點。傳統(tǒng)臺燈功能少，亮度無法調(diào)節(jié)，如果是在夜晚使用經(jīng)常會出現(xiàn)找不到開關(guān)的情況，忘記關(guān)燈時也會造成很大的能源浪費。智能臺燈的設(shè)計目的就是改善臺燈亮度單一，在保留傳統(tǒng)臺燈按鍵控制的基礎(chǔ)上，臺燈根據(jù)環(huán)境亮度的不同調(diào)節(jié)燈光亮度，實現(xiàn)臺燈的智能亮度調(diào)節(jié)。紅外模塊檢測臺燈前有沒有人，做到有人燈亮、無人熄燈。減少資源浪費，契合當(dāng)代節(jié)能、環(huán)保的主題。1.概述1.1課題設(shè)計意義節(jié)約用電是生活中經(jīng)常能見到的標(biāo)語，臺燈是很多家庭用來學(xué)習(xí)和照明的家用電器，臺燈數(shù)量的增加使得電量消耗特別大。而且隨著全球化時代的到來，我國照明需求增高，耗電量增加，尋求更加節(jié)能環(huán)保、使用壽命更長的照明燈源成為節(jié)約能源的關(guān)鍵REF_Ref17303\r\h[1]。作為學(xué)習(xí)的照明工具，傳統(tǒng)臺燈在使用過程中，一直保持單一亮度，長時間在燈光亮度太亮的環(huán)境下用眼會造成用眼疲勞。有可能形成近視。人們在夜晚工作時經(jīng)常會感覺疲憊，時常發(fā)生忘記關(guān)燈的情況，臺燈一直處于開燈狀態(tài)會費電。為了彌補傳統(tǒng)臺燈亮度調(diào)節(jié)的空白，本設(shè)計所制作的智能臺燈保留傳統(tǒng)的按鍵控制臺燈亮度，以適應(yīng)各種使用情況，增加自動調(diào)節(jié)臺燈亮度，用戶在臺燈使用過程中更加便利，用眼環(huán)境更加舒適REF_Ref4733\r\h[2]。為了減少臺燈不必要的使用，加入人體檢測功能，當(dāng)燈前沒有人時熄滅臺燈，節(jié)約用電，保護(hù)用戶視力REF_Ref892\r\h[3]。1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀臺燈的出現(xiàn)使人們在夜晚或陰天光線不好的情況下也可以正常的工作和學(xué)習(xí)，可充電臺燈在停電時也可以使用?，F(xiàn)代人們經(jīng)常熬夜加班，使用臺燈次數(shù)增加。簡單的照明功能已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代家庭的要求。人們希望臺燈的工作更加貼心，臺燈亮度更加舒適，使用時更加智能。人們的經(jīng)濟(jì)水平越來越好，對于家用電器的功能提出了更多的要求REF_Ref1228\r\h[4]。當(dāng)前臺燈主要向護(hù)眼、節(jié)能、美觀方面發(fā)展，護(hù)眼臺燈通過降低燈光頻閃穩(wěn)定燈光亮度，普通臺燈在正常工作時，燈光亮度為固定值，在陰天或者周圍環(huán)境較暗時并不能適應(yīng)人體眼睛的需求，近視的形成很大一部分是因為用戶在不合適的燈光環(huán)境下用眼過度。而且大多數(shù)護(hù)眼燈質(zhì)量不過關(guān)，無法達(dá)到護(hù)眼要求。本設(shè)計利用PWM調(diào)制技術(shù)在固定周期內(nèi)改變高低電平的時間比例REF_Ref1640\r\h[5,6]。通過調(diào)節(jié)臺燈亮滅時間的占空比改變臺燈亮度，提供用戶適應(yīng)當(dāng)前環(huán)境的燈光亮度。保護(hù)用戶眼睛健康。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，未來臺燈會更加智能。系統(tǒng)的總體方案設(shè)計本設(shè)計以SCT89C52單片機(jī)為控制核心REF_Ref1875\r\h[7]。為了使臺燈適用范圍更大，保留手動控制的基礎(chǔ)上設(shè)計了自動模式，手動模式下通過按鍵改變臺燈亮度，自動模式下通過光敏電阻獲取環(huán)境亮度信息，然后由ADC0832模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)之后利用PWM調(diào)制技術(shù)改變臺燈當(dāng)前的亮度值REF_Ref18255\r\h[8]REF_Ref4733\r\h。在調(diào)節(jié)臺燈亮度時適合人眼使用亮度與設(shè)定值存在誤差，用PID算法控制系統(tǒng)不斷減小誤差，是臺燈亮度切換之間平滑過渡，適應(yīng)人體眼睛感受。控制臺燈亮度達(dá)到適合當(dāng)前環(huán)境值，直到亮度調(diào)節(jié)合適，保護(hù)用戶眼睛健康。系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)成本智能臺燈設(shè)計系統(tǒng)選擇價格實惠的SCT89C52單片機(jī)來控制整個系統(tǒng)，在單片機(jī)周圍加上合適數(shù)值的電阻電容、晶振等電子器件組成單片機(jī)的最小系統(tǒng)REF_Ref18572\r\h[9]。在此系統(tǒng)周圍添加其他模塊完成整個智能臺燈的預(yù)設(shè)功能。其中臺燈照明部分用簡單實用的USB小燈進(jìn)行模擬，簡化臺燈的外形視覺上更加簡約。光照強(qiáng)度采集模塊由光敏電阻獲取光照信息，ADC0832將電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字交由單片機(jī)處理數(shù)據(jù)。紅外熱釋傳感器進(jìn)行人體檢測，相比其他傳感器靈敏度較高，使用方便操作簡單。臺燈旁邊會有一個紅色小燈用于提示用戶當(dāng)前的控制方式，手動控制燈不亮，自動控制燈亮。本設(shè)計共需三個按鍵，分別是確定臺燈燈光控制方式的模式選擇按鍵，手動模式下的臺燈亮度增強(qiáng)按鍵和臺燈亮度降低按鍵；電源部分為USB5V為整個系統(tǒng)進(jìn)行供電。系統(tǒng)設(shè)計思路圖1系統(tǒng)框圖系統(tǒng)硬件設(shè)計為了實現(xiàn)智能臺燈設(shè)計的功能，本設(shè)計主要有單片機(jī)最小系統(tǒng)、LED照明模塊、光照強(qiáng)度采集模塊、人體檢測模塊REF_Ref19509\r\h[10]。下面對這些模塊進(jìn)行簡要介紹。3.1最小系統(tǒng)模塊單片機(jī)最小系統(tǒng)控制整個臺燈能夠正常工作，包含單片機(jī)、電源、晶振和復(fù)位電路四個部分。本設(shè)計采用5V電壓為整個系統(tǒng)供電，復(fù)位電路中當(dāng)系統(tǒng)接通電源之后電容開始充電，在此期間RESET腳為高電平將會出現(xiàn)高電平，實現(xiàn)電路的自動復(fù)位。避免因為外界影響干擾程序的運行。晶振的取值大小會影響單片機(jī)的運行速度，本設(shè)計使用12M晶振即可滿足設(shè)計需求。EA引腳接高電平保證單片機(jī)從內(nèi)部開始讀取程序。圖2單片機(jī)最小系統(tǒng)3.2LED照明模塊本設(shè)計臺燈電路由LED燈串聯(lián)電阻組成，滿足臺燈照明需求的同時簡化設(shè)計，外形上更加美觀。在實際工作中，單片機(jī)通過控制三極管基極所接串口的電平狀態(tài)，從而控制臺燈的亮滅。輸出高電平時電流無法流過臺燈，臺燈處于關(guān)閉的狀態(tài)，輸出低電平時電流順利流通，臺燈點亮。實現(xiàn)控制臺燈的亮滅。該模塊設(shè)計電路圖3所示。圖3LED燈照明電路3.3光照強(qiáng)度采集模塊完成臺燈自動調(diào)光的關(guān)鍵在于獲得環(huán)境亮度信息。因此要有光照強(qiáng)度采集模塊，它由光敏電阻和ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片組成。光敏電阻的特點是光照強(qiáng)度越強(qiáng)阻值越小，分壓減小。此時定值電阻分壓變大，將光照強(qiáng)度的大小轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱拇笮?。再由模?shù)轉(zhuǎn)換芯片將模擬的電壓值變換為數(shù)字值，ADC0832將數(shù)字值傳給單片機(jī)，不同的光照環(huán)境電壓大小不同，單片機(jī)就根據(jù)環(huán)境亮度信息運行程序調(diào)節(jié)臺燈亮度。兩電阻阻值比就是它們電壓比，電路圖如圖4所示。圖4光照強(qiáng)度采集電路3.4人體檢測模塊本設(shè)計所用的人體檢測采用HC-SR501雙探測元的結(jié)構(gòu)。更好的感知人體移動情況。自動模式時首先檢測臺燈前有人使用點亮臺燈，根據(jù)光敏電阻采集到的環(huán)境亮度信息自動調(diào)節(jié)臺燈亮度，使臺燈亮度符合人眼適宜亮度，避免燈光太亮或太暗造成用戶用眼疲勞，產(chǎn)生眼睛酸澀、近視等情況。當(dāng)用戶離開后一定時間臺燈自動熄滅，避免臺燈長時間不用卻一直開著浪費電力。人體感應(yīng)模塊的電路的連接圖如圖5所示。1腳接電源3腳接地，2腳與單片機(jī)連接在有人時呈現(xiàn)高電平一般是輸出低電平。單片機(jī)檢測到引腳2為高電平判斷出臺燈前有人REF_Ref21723\r\h[11]。圖5人體檢測電路HC-SR501實物圖如圖6所示：圖6HC-SR501實物圖3.5按鍵模塊本設(shè)計的按鍵部分根據(jù)需求分析要有模式選擇按鍵、亮度增強(qiáng)按鍵、亮度降低按鍵。按鍵一端接地一端接單片機(jī)，按鍵未被按下時連接單片機(jī)端引腳默認(rèn)高電平，當(dāng)按鍵被按下時，按鍵兩端的電壓被接地端拉低電平。單片機(jī)通過讀取按鍵引腳的電壓狀態(tài)獲得按鍵信息REF_Ref22810\r\h[12]。本設(shè)計中采用獨立鍵盤，電路設(shè)計簡單好用按鍵的連接圖7所示。圖7按鍵電路PID閉環(huán)控制算法本設(shè)計臺燈利用PWM脈沖調(diào)制技術(shù)，通過調(diào)節(jié)同一周期內(nèi)臺燈亮滅占空比來調(diào)節(jié)亮度。PWM對高低電平的控制使臺燈在固定周期內(nèi)不斷地熄滅點亮，使臺燈呈現(xiàn)不同的亮度。通過改變臺燈亮滅的占空比使臺燈亮度產(chǎn)生變化，達(dá)到適宜人眼的亮度。為了使臺燈亮度在變化時有一個循序漸進(jìn)的亮度改變，避免人體眼睛對亮度的變化產(chǎn)生不適，加入PID閉環(huán)控制，以環(huán)境亮度為反饋量，通過減小預(yù)先設(shè)置的人眼適宜環(huán)境亮度與當(dāng)前環(huán)境亮度之間的誤差，使誤差緩慢減小，直到達(dá)到人眼最佳的亮度條件。4.1PID算法簡介PID控制是將一個物理量通過計算保持穩(wěn)定的一種算法，目標(biāo)值和實際輸出量之間的差值就是系統(tǒng)中要控制的誤差。是系統(tǒng)設(shè)定的目標(biāo)量，是實際值，它們的差值就是系統(tǒng)誤差，用公式表示為：。將誤差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量REF_Ref27687\r\h[16,17]。PID控制規(guī)律為式（1）（1）運用公式減小目標(biāo)量與實際物理量的誤差，使要控制的物理量穩(wěn)定的達(dá)到目標(biāo)值。4.2算法控制流程分析在臺燈亮度調(diào)節(jié)中，以環(huán)境亮度為反饋量，通過不斷比較環(huán)境亮度和預(yù)先設(shè)定的環(huán)境理想亮度比較，使臺燈亮度逐漸變化達(dá)到適宜人眼的亮度。臺燈當(dāng)前亮度與理想亮度在調(diào)節(jié)過程中存在誤差，P比例控制的作用是將想要控制的物理量快速帶到目標(biāo)值附近是一種最簡單的控制方式。臺燈過暗時讓臺燈緩慢增加亮度。臺燈過亮?xí)r讓臺燈稍微減少亮度；有了P的調(diào)節(jié)之后，臺燈亮度會在設(shè)定的目標(biāo)值上下來回變動，忽明忽暗。無法穩(wěn)定在當(dāng)前設(shè)置的理想亮度值上。這時需要一個控制作用在臺燈有變暗的趨勢時讓臺燈增加亮度，在臺燈有變亮的趨勢時再讓它稍微減少亮度。在前面比例控制時臺燈亮度由當(dāng)前值快速變化到理想值附近。微分控制D的作用是臺燈亮度在理想亮度值附近來回變動。這時臺燈亮度控制還算穩(wěn)定，但是仍然與理想的亮度之間存在較小的誤差，在誤差調(diào)節(jié)過程中PD控制在誤差發(fā)生偏離前提前抑制誤差控制使其為零或者為負(fù)值，避免臺燈亮度在調(diào)節(jié)過程中調(diào)節(jié)過度。因為在接近目標(biāo)值的調(diào)節(jié)過程P的控制作用就不太明顯了。越接近目標(biāo)，P的作用越不明顯。臺燈亮度在變化過程中會受到很多因素的影響，這時控制量發(fā)生小范圍的擺動。D的作用就是讓物理量的速度趨于零，當(dāng)被控制的物理量發(fā)生變化時，D就控制這個物理量向相反的方向變化，控制物理量的變化使得它向理想值靠近；比例控制和微分控制使臺燈亮度在理想值變化，但在臺燈亮度剛開始靠近理想值時，在P的作用下緩緩靠近，但是環(huán)境亮度也在變化，微分控制察覺不到這個變化，使得臺燈亮度一直在理想值上下波動，無法達(dá)到設(shè)定的理想值。這時就需要用到積分控制I，臺燈亮度在接近目標(biāo)值時誤差很小系統(tǒng)不易察覺，此時積分的作用是對偏差進(jìn)行一次又一次的積分，將偏差進(jìn)行累加作用，直到系統(tǒng)察覺到誤差再次對偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)反應(yīng)在調(diào)節(jié)力度上，這樣，隨著一次次積分，積分量不斷增加，系統(tǒng)意識到臺燈亮度還沒有達(dá)到目標(biāo)值，就會繼續(xù)工作，積分控制的作用是減小靜態(tài)情況下的誤差，使被控量盡可能接近目標(biāo)值。5.系統(tǒng)主程序設(shè)計本設(shè)計的軟件流程圖如圖8所示，S1為模式選擇、S2為亮度降低按鍵、S3為亮度增強(qiáng)按鍵。臺燈通電之后，首先單片機(jī)判斷S1有沒有被按下。是的話切換臺燈亮度的控制方式，同時根據(jù)不同控制方式選擇模式指示燈的亮滅。指示燈亮提示用戶當(dāng)前是自動模式，指示燈滅提示用戶當(dāng)前是手動模式。由于本設(shè)計中采用的機(jī)械鍵盤在按的過程中會發(fā)生抖動，電平狀態(tài)不穩(wěn)定，在按鍵按下時會延遲一段時間等待按鍵的下一次狀態(tài)。單片機(jī)讀取模式選擇按鍵的電平狀態(tài)判斷當(dāng)前處于何種控制方式，進(jìn)行相應(yīng)的操作。自動控制時，臺燈前如果有人，傳感器會給單片機(jī)一個高電平。然后單片機(jī)讀取經(jīng)AD芯片轉(zhuǎn)換后的當(dāng)前環(huán)境亮度信息，該值為環(huán)境亮度的實際值，單片機(jī)通過PWM