智能護(hù)眼臺燈設(shè)計

摘要：據(jù)資料顯示當(dāng)前我國近視眼的發(fā)病率居世界第二，其中絕大多數(shù)是青少年。目前市場上的一些臺燈只能實(shí)現(xiàn)單一的照明功能，姿勢檢測的相關(guān)產(chǎn)品功能也單一無法實(shí)現(xiàn)多個功能的集成化和自動化?；诖藛栴}，本課題設(shè)計一款智能護(hù)眼燈，所涉及的智能護(hù)眼臺燈具備學(xué)習(xí)姿態(tài)檢測和校正提醒功能、學(xué)習(xí)時間檢測提醒功能和光亮調(diào)節(jié)功能等。本文以C8051F340單片機(jī)作為主控制芯片，以光敏二極管模塊經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后以測得環(huán)境的亮度值，通過PWM的方式調(diào)節(jié)LED的亮度，以超聲測距模塊來進(jìn)行距離的測量，設(shè)計出一款具有自動調(diào)節(jié)光亮，坐姿矯正等功能于一體的智能化LED臺燈。

為了改善目前近視眼高發(fā)的現(xiàn)狀，需要青少年養(yǎng)成良好的用眼用腦習(xí)慣。目前市場上有關(guān)于坐姿和體型校正等相關(guān)類似的產(chǎn)品，但對于光線強(qiáng)度的自動調(diào)節(jié)、用眼時間過長的提醒等功能尚無有效手段和產(chǎn)品進(jìn)行補(bǔ)償修正，因此有必要研制一款可控制光照亮度和學(xué)習(xí)時長的智能護(hù)眼臺燈，以改善用眼用腦環(huán)境。

本課題從實(shí)際出發(fā)，以解決生活實(shí)際問題為出發(fā)點(diǎn)，所設(shè)計的智能護(hù)眼臺燈具自動調(diào)節(jié)光源亮度，根據(jù)用戶距離臺燈距離產(chǎn)生報警。此設(shè)計為青少年學(xué)生長時間看書學(xué)習(xí)以及在光線昏暗的環(huán)境下學(xué)習(xí)等不當(dāng)?shù)挠醚墼斐傻膫?，而設(shè)計出一款具有自動調(diào)節(jié)光亮，定時報警，坐姿矯正等功能于一體的智能化LED臺燈。該設(shè)計可以解決環(huán)境光線的自動調(diào)節(jié)，不當(dāng)姿勢的報警提示等功能。

1 系統(tǒng)的工作原理

光亮檢測裝置用于檢測外界環(huán)境的光強(qiáng)并傳輸給處理器，MCU處理器根據(jù)外界采集來的亮度值判斷外界環(huán)境的光線明暗從而通過調(diào)節(jié)輸出的電壓來調(diào)節(jié)LED燈的亮度。而測距模塊用來測量人距離某個參考點(diǎn)的距離值，MCU通過數(shù)據(jù)處理來判段是否超出設(shè)定的參考距離從而判斷是否報警。而時間處理函數(shù)會記錄時間值，當(dāng)用戶長時間處于燈下工作或?qū)W習(xí)時系統(tǒng)會發(fā)出報警甚至關(guān)閉臺燈。總體功能方案如圖1所示。

圖1中，光亮檢測部分用于檢測外部光照強(qiáng)度，以此作為自動調(diào)節(jié)燈具亮度的依據(jù);時鐘模塊主要提供定時功能，作為系統(tǒng)控制時間參考;檢測傳感模塊用于檢測學(xué)生或用戶和參考點(diǎn)的距離變動情況，以此判別用戶的學(xué)習(xí)姿態(tài);報警模塊主要實(shí)現(xiàn)聲音的報警信號;驅(qū)動部分為LED提供恒流驅(qū)動和不閃爍調(diào)光功能;處理器用于實(shí)現(xiàn)整個測控過程。

2 超聲波測距模塊

超聲波測距使用了時間檢測法，即由主控制芯片產(chǎn)生40 kHz的脈沖信號經(jīng)超聲波發(fā)射模塊發(fā)出，超聲波遇到障礙物返回由超聲波接收模塊接收，通過接收和發(fā)射的時間差值的一半與超聲波在空氣中的床波速度之積來計算障礙物和超聲波發(fā)出點(diǎn)的位距離。

超聲測距模塊的電路包括發(fā)射電路、接收電路、放大電路、檢波電路及其他輔助電路構(gòu)成。在超聲測距模塊中采用接收和發(fā)射分離的方式有兩個好處：一是收發(fā)信號不會混

疊，接收探頭所接收到的純?yōu)榉瓷湫盘?二是將接收探頭放置在合適位置，可以避免超聲波在物體表面反射時造成的各種損失和干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。其原理框圖如圖2所示。

3 光亮檢測模塊

光亮檢測的基本原理主要是通過光敏感材料感知光線強(qiáng)度的變化，輸出不同的模擬量;目前光敏元件發(fā)展迅速、品種繁多、應(yīng)用廣泛。市場出售的有光敏電阻、光敏二極管、光電三極管、硅光電池等。

由于人的眼睛對光特別敏感，有一個最適合其工作的光亮度閾值范圍。若光亮度小與此范圍，則眼睛看東西比較吃力，長此以往會導(dǎo)致視力下降并影響健康;若周圍環(huán)境光亮度太強(qiáng)，不但浪費(fèi)了能源，而且由于光亮度刺激太強(qiáng)而影響使用者眼睛的健康同時也會影響燈本身的使用壽命。

查閱相關(guān)資料知光敏電阻、光敏二極管、光電三極管的主要參數(shù)如表1所示。

由于在本設(shè)計中需要對于環(huán)境光強(qiáng)敏感度要求較高的材料作為光亮檢測的材料。由于光敏二極管對環(huán)境光強(qiáng)最敏感，一般用來檢測周圍環(huán)境的亮度和光強(qiáng)，并且光敏二極管方向性較好，可以感知固定方向的光源。

綜上所述：選擇光亮檢測模塊作為光亮檢測的材料。

4 電位器模塊

電位器在電路中起到的作用有3個方面：分壓器、變阻器、電流控制器。在分壓器中，電位器是可調(diào)節(jié)的連續(xù)電阻器，隨著電位器手柄的滑動調(diào)節(jié)，可以產(chǎn)生一定的相應(yīng)變化的輸出電壓。而用作變阻器時，可以在一定的行程范圍內(nèi)獲得比較連續(xù)變化的的電阻值。而在此我們考慮到電燈強(qiáng)弱在實(shí)際運(yùn)用中不符合個人的視覺習(xí)慣，故選擇了變阻電位器來進(jìn)行人眼光感的調(diào)節(jié)。

5 軟件控制部分

軟件設(shè)計的原則包括：1)可靠性;2)健壯性;3)可修改性：4)可測試性;5)效率性;6)容易理解等要求?？煽啃允侵杠浖跍y試運(yùn)行過程中避免可能發(fā)生故障的能力，且一旦發(fā)生故障后，具有解脫和排除故障的能力;健壯性是指是指軟件對于規(guī)范要求以外的輸入能夠判斷出這個輸入不符合規(guī)范要求，并能有合理的處理方式;可修改性是指以科學(xué)的方法設(shè)計軟件，使之有良好的結(jié)構(gòu)和完備的文檔，系統(tǒng)性能易于調(diào)整;可測性是指軟件設(shè)計過程中要求設(shè)計一個適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)集合，用來測試所建立的系統(tǒng)，并保證系統(tǒng)得到全面的檢驗;效率性一般用程序的執(zhí)行時間和所占用的內(nèi)存容量來度量，當(dāng)達(dá)到原理要求功能指標(biāo)的前提下，程序運(yùn)行所需時間愈短和占用存儲容量愈小，則效率愈高;容易理解要求軟件本身具有簡單明了的結(jié)構(gòu)，方便程序的修改和移植。

軟件設(shè)計要求高內(nèi)聚低耦合。所謂高內(nèi)聚是指一個軟件模塊是由相天性很強(qiáng)的代碼組成，只負(fù)責(zé)一項任務(wù)，也就是常說的單一責(zé)任原則。低耦合是指一個完整的軟件系統(tǒng)，模塊與模塊之間，盡可能的使其獨(dú)立存在。

本課題采用模塊化的設(shè)計思想，將各個硬件模塊分別調(diào)試然后各模塊的程序在聯(lián)調(diào)的方法。按設(shè)計思路軟件調(diào)試部分分為光亮檢測模塊，報警模塊，超聲測距模塊，PWM調(diào)光

模塊的軟件設(shè)計，軟件設(shè)計的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

6 總體功能流程圖

根據(jù)實(shí)驗測試及適用性要求，設(shè)置了主要3大功能：讀取距離和距離合理值的判斷，讀取光強(qiáng)和光強(qiáng)值的判斷，自感柔和度的人性化調(diào)節(jié)。其總體功能流程圖如圖4所示。

7 結(jié)論

本文通過C8051F340型主控制芯片，通過A/D轉(zhuǎn)換后以測得環(huán)境的亮度值，以PWM的方式調(diào)節(jié)LED的亮度，以超聲測距傳感器來進(jìn)行距離的測量，設(shè)計出一款具有自動調(diào)節(jié)光亮，坐姿矯正等功能于一體的智能化LED臺燈。該設(shè)計可以解決環(huán)境光線的自動調(diào)節(jié)，不當(dāng)姿勢的報警提示等功能的智能護(hù)眼臺燈。相對于市場上臺燈而言，避開了其功能單一化特點(diǎn)，而具有多個功能的集成化和自動化等優(yōu)勢，同時，具有成本低廉、性能優(yōu)越具有良好的實(shí)用性和商業(yè)價值。