智能护眼台灯设计方案

本文以C8051F340单片机作为主控制芯片，以光敏二极管模块经A/D转换后以测得环境的亮度值，通过PWM的方式调节LED的亮度，以超声测距模块来进行距离的测量，设计出一款具有自动调节光亮，坐姿矫正等功能于一体的智能化LED台灯。

为了改善目前近视眼高发的现状，需要青少年养成良好的用眼用脑习惯。目前市场上有关于坐姿和体型校正等相关类似的产品，但对于光线强度的自动调节、用眼时间过长的提醒等功能尚无有效手段和产品进行补偿修正，因此有必要研制一款可控制光照亮度和学习时长的智能护眼台灯，以改善用眼用脑环境。

本课题从实际出发，以解决生活实际问题为出发点，所设计的智能护眼台灯具自动调节光源亮度，根据用户距离台灯距离产生报警。此设计为青少年学生长时间看书学习以及在光线昏暗的环境下学习等不当的用眼造成的伤害，而设计出一款具有自动调节光亮，定时报警，坐姿矫正等功能于一体的智能化LED台灯。该设计可以解决环境光线的自动调节，不当姿势的报警提示等功能。

1 系统的工作原理

光亮检测装置用于检测外界环境的光强并传输给处理器，MCU处理器根据外界采集来的亮度值判断外界环境的光线明暗从而通过调节输出的电压来调节LED灯的亮度。而测距模块用来测量人距离某个参考点的距离值，MCU通过数据处理来判段是否超出设定的参考距离从而判断是否报警。而时间处理函数会记录时间值，当用户长时间处于灯下工作或学习时系统会发出报警甚至关闭台灯。总体功能方案如图1所示。

图1：总体功能方案图

 
图1中，光亮检测部分用于检测外部光照强度，以此作为自动调节灯具亮度的依据；时钟模块主要提供定时功能，作为系统控制时间参考；检测传感模块用于检测学生或用户和参考点的距离变动情况，以此判别用户的学习姿态；报警模块主要实现声音的报警信号；驱动部分为LED提供恒流驱动和不闪烁调光功能；处理器用于实现整个测控过程。

2 超声波测距模块

超声波测距使用了时间检测法，即由主控制芯片产生40 kHz的脉冲信号经超声波发射模块发出，超声波遇到障碍物返回由超声波接收模块接收，通过接收和发射的时间差值的一半与超声波在空气中的床波速度之积来计算障碍物和超声波发出点的位距离。

超声测距模块的电路包括发射电路、接收电路、放大电路、检波电路及其他辅助电路构成。在超声测距模块中采用接收和发射分离的方式有两个好处：一是收发信号不会混叠，接收探头所接收到的纯为反射信号；二是将接收探头放置在合适位置，可以避免超声波在物体表面反射时造成的各种损失和干扰，提高系统的可靠性。其原理框图如图2所示。

图2：超声波测距原理框图

 
3 光亮检测模块

光亮检测的基本原理主要是通过光敏感材料感知光线强度的变化，输出不同的模拟量；目前光敏元件发展迅速、品种繁多、应用广泛。市场出售的有光敏电阻、光敏二极管、光电三极管、硅光电池等。

由于人的眼睛对光特别敏感，有一个最适合其工作的光亮度阈值范围。若光亮度小与此范围，则眼睛看东西比较吃力，长此以往会导致视力下降并影响健康；若周围环境光亮度太强，不但浪费了能源，而且由于光亮度刺激太强而影响使用者眼睛的健康同时也会影响灯本身的使用寿命。
查阅相关资料知光敏电阻、光敏二极管、光电三极管的主要参数如表1所示。
 

表1：几种常见光亮检测元件主要参数

 
由于在本设计中需要对于环境光强敏感度要求较高的材料作为光亮检测的材料。由于光敏二极管对环境光强最敏感，一般用来检测周围环境的亮度和光强，并且光敏二极管方向性较好，可以感知固定方向的光源。

综上所述：选择光亮检测模块作为光亮检测的材料。

4 电位器模块

电位器在电路中起到的作用有3个方面：分压器、变阻器、电流控制器。在分压器中，电位器是可调节的连续电阻器，随着电位器手柄的滑动调节，可以产生一定的相应变化的输出电压。而用作变阻器时，可以在一定的行程范围内获得比较连续变化的的电阻值。而在此我们考虑到电灯强弱在实际运用中不符合个人的视觉习惯，故选择了变阻电位器来进行人眼光感的调节。

5 软件控制部分

软件设计的原则包括：1)可靠性；2)健壮性；3)可修改性：4)可测试性；5)效率性；6)容易理解等要求。可靠性是指软件在测试运行过程中避免可能发生故障的能力，且一旦发生故障后，具有解脱和排除故障的能力；健壮性是指是指软件对于规范要求以外的输入能够判断出这个输入不符合规范要求，并能有合理的处理方式；可修改性是指以科学的方法设计软件，使之有良好的结构和完备的文档，系统性能易于调整；可测性是指软件设计过程中要求设计一个适当的数据集合，用来测试所建立的系统，并保证系统得到全面的检验；效率性一般用程序的执行时间和所占用的内存容量来度量，当达到原理要求功能指标的前提下，程序运行所需时间愈短和占用存储容量愈小，则效率愈高；容易理解要求软件本身具有简单明了的结构，方便程序的修改和移植。

软件设计要求高内聚低耦合。所谓高内聚是指一个软件模块是由相天性很强的代码组成，只负责一项任务，也就是常说的单一责任原则。低耦合是指一个完整的软件系统，模块与模块之间，尽可能的使其独立存在。

本课题采用模块化的设计思想，将各个硬件模块分别调试然后各模块的程序在联调的方法。按设计思路软件调试部分分为光亮检测模块，报警模块，超声测距模块，PWM调光模块的软件设计，软件设计的结构图如图3所示。
 

图3：软件设计的结构图

 
6 总体功能流程图

根据实验测试及适用性要求，设置了主要3大功能：读取距离和距离合理值的判断，读取光强和光强值的判断，自感柔和度的人性化调节。其总体功能流程图如图4所示。
 

图4：总体功能流程图

 
7 结论

本文通过C8051F340型主控制芯片，通过A/D转换后以测得环境的亮度值，以PWM的方式调节LED的亮度，以超声测距传感器来进行距离的测量，设计出一款具有自动调节光亮，坐姿矫正等功能于一体的智能化LED台灯。该设计可以解决环境光线的自动调节，不当姿势的报警提示等功能的智能护眼台灯。相对于市场上台灯而言，避开了其功能单一化特点，而具有多个功能的集成化和自动化等优势，同时，具有成本低廉、性能优越具有良好的实用性和商业价值。
 
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