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智能台灯论文.docx
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智能台灯论文
摘要
台灯已是千家万户的必需生活用品,经常由于忘记关灯而造成巨大的能源浪费。
当夜晚来临时,人们又摸黑去开灯,非常不方便。
在这里设计了以人体红外辐射传感控制电路。
当人体在台灯的范围内且环境光强较弱时,自动感应开灯;当人体太靠近桌面时,台灯自动感应,警告纠正坐姿,若在一定时间内未离开桌面则自动熄灭。
当人离开时则自动关灯,达到节约能源的目的。
单片机控制部分采用MSP430F2274单片机为核心,主要由热释电红外传感器,光敏电阻信号处理电路,提醒电路,灯光控制电路,故障报警电路等组成,软件选用C语言编程。
单片机可将热释电红外传感器检测到的人体辐射红外信号及光强信号的模拟量转换成数字量。
该系统灵活性强,易于操作,可靠性高,将会有更广阔的开发前景。
通过研究这样一款台灯电路,可以对设想中的智能台灯进行一次功能性验证,比如跟随环境光线调节亮度,自动关灭,提醒坐姿等。
对将来的智能台灯发展也是一次很有意义的探索。
关键词:
智能台灯坐姿提醒自动调光感应开关
Abstract
Desklampisalreadyhomenecessaryarticlesfordailyuse,oftenduetoforgettoturnoffthelightsandcausehugeenergywaste.Whenthenightcomes,theytooktoturnonthelight,verynoteasy.Herethedesignwithhumanbodyinfraredradiationsensingcontrolcircuit.Whenthehumanbodyinthedesklampwithinthescopeoftheenvironmentandstronglightisweak,automaticinductionlights;Whenthehumanbodyistooclosetothedesktop,desklampautomaticinduction,warningcorrectposture,ifinacertaintimeawayfromtheirdesktopisnotautomaticputout.Whenthemanleftwillautomaticallyturnoffthelight,toachievethepurposeofsavingenergy.
Single-chipmicrocomputercontroloftheMSP430F2274microcontrollerasthecore,andthemainpyroelectricinfraredsensors,photosensitiveresistancesignalprocessingcircuit,remindcircuit,lightingcontrolcircuit,thealarmingcircuitandothercomponents,thesoftwareusetheCprogramminglanguage.SCMcanwillpyroelectricinfraredsensordetectionoftheinfraredradiationtothehumanbodyandthesignalsoflightintensityofthesignalanalogconversionintothedigitalquantity.Thesystemflexibilityisstrong,easyoperation,highreliability,therewillbemorebroaddevelopmentprospects.Throughthestudyofsuchadesklampcircuit,oftheintelligencedesklampcanimagineafunctionalverification,suchaswithenvironmentallightadjustbrightness,automaticshutout,remindsittingposition,etc.Inthefuturedevelopmentoftheintelligentdesklampisameaningfulexploration.
Keywords:
Intelligencedesklamp,Sittingpositionremind,automaticaperturecontrol,automaticswitch
1绪论
1.1智能台灯发展意义
随着科技的高速发展,各种各样的科技产品、家用电器走入人们的生活,这一切都大大地提高了人们的工作效率、改善了人们的生活,现在电器的发展趋势是智能化,这样会使人们使用起来更方便。
智能化产品在各个领域都有出色的应用,所以我们打算研究是智能化台灯。
虽然按键式的台灯还是台灯市场的主体。
但是,现代电子技术的发展和人们的需求变化,已使传统的台灯感受到产品更新换代的威胁。
智能型的电器产品渐渐进入人们的生活中。
台灯已是千家万户的必需生活电器,经常由于忘记关灯而造成巨大的能源浪费。
在我国,照明耗电占年发电总量的12%(超过100亿kW•h),现在的台灯绝大部分是采用普通的白炽灯、荧光灯、节能灯和螺旋节能灯,并且控制方式多采用手动开关,不能连续调节,更不能自动调节。
当夜晚来临时,人们又摸黑去开灯,非常不方便,与现在家电的智能化,人性化,低碳设计理念相违背。
加之我国的发电方式主要还是火力发电,因此,每多浪费一度电,就意味着发电厂需要多损失一些煤炭资源,而煤炭资源的浪费又意味着对大气的污染加重了一分,大气的污染,又会从方方面面影响人类的生活,人类需要花费更多的资源来研究大气污染的改善,这是一个恶性循环,所以,节约电能是一个对人类意义十分重大的事情。
LED被认为是21世纪的照明光源。
LED发光器件是冷光源,光效高,工作电压低,而且能耗低,可控制好、无辐射,同样亮度下,LED能耗为白炽灯的10%,荧光灯的50%。
LED寿命可达10万小时,是荧光灯的10倍,白炽灯的100倍。
随着能源紧缺、电价越来越高、环保要求及LED的光效的提高,用LED替代现在台灯普遍使用的白炽灯或荧光灯,环保无污染。
另外,LED的光谱几乎全部集中于可见光频段,其发光效率可达80~90%,并且传统的台灯中的光源体使用的是交流电,所以每秒钟会产生100-120次的频闪。
LED灯是把交流电直接转换为直流电,不会产生闪烁现象,保护眼睛,可以获得“柔和”的灯光环境。
另外一个情况是现在中国约30%的人有不同程度的视力问题,其中近视是主要问题,近年来,我国的近视率已上升为全球第二,仅次于日本,但近视的总人数确是全球第一。
引起近视的主要原因是用眼不健康,如用连续用眼时间过长,看书,学习时的坐姿不正确等。
因此,我们提出智能LED台灯方案。
1.2台灯发展历史
中国灯饰灯具工业最早起源于上海。
上海是我国最早建立的现代城市,使用现代灯饰灯具也最早,约在20世纪20年代就已经开始规模使用电灯。
1921年,民族工商业者胡西园等试制成功第一只国产白炽灯,并于1923年买下甘肃路德商奥本公司电器厂,聘任奥本为工程师,开设中国亚浦耳电器厂,成为上海第一家由民族资本开设的电光源企业。
1929年,甘镜秋等民族工商业者又创立华德电光股份有限公司,生产真空长丝灯泡。
随着白炽灯生产的发展,其他光源产品也相继问世。
1927年,许石炯试制小电珠成功,并在闸北东洋花园开设公明电珠厂,生产日月牌、光荣牌2.5伏、3.8伏小电珠、圣诞泡。
产品畅销长江流域及华北一带。
但是在半殖民地半封建社会时期,中国民族灯具工业遭受到国外洋品牌及国内落后势力的双重压榨和排挤,再加上灯饰灯具工业缺乏赖以生存的长期稳定的发展环境,因此在解放前中国只有上海等少数几个城市拥有灯泡厂,而且这些灯泡厂大多经营困难,处于奄奄一息的状态。
新中国成立后,我国现代灯饰灯具工业迎来了发展的春天。
20世纪50年代至60年代初期,是中国现代灯饰灯具发展的初潮。
在这一段时间里,一大批新型现代化建筑的建设和装修向当时的灯饰灯具行业提出了挑战,并刺激着灯饰灯具工业的发展。
这时候中国灯饰工业再不仅仅只能生产普通白炽灯泡、马路弯灯、机床灯、船灯、工地投光灯、照相灯、舞台打光灯、日光台灯、轧床灯等,而是不断研制出更先进更现代化的灯具。
这其中既有环境安定,国家对于灯饰灯具行业的支持有关,又与当时照明行业的实际需求有关。
1954年,上海建造“中苏友好大厦”,配套灯饰灯具由上海3家灯具厂承制。
经过将近1年的努力,灯饰灯具企业制造出大型吊灯、壁灯、台灯、落地灯、吸顶灯等各类灯饰灯具。
这些灯饰灯具的出现,标志着中国现代灯饰灯具工业已经迈出了历史性的一步。
之后,在人民大会堂、钓鱼台国宾馆等大型建筑的灯饰灯具承制过程中,国产灯饰灯具继续得到发展,部分产品达到国际先进水平。
到了50年代后期,上海灯饰灯具行业还为一艘现代化大型外轮伊里奇号生产过船用配套灯具。
这批灯饰灯具在工艺上不仅要求具有国际水平,而且还得经受十分严格的产品检验。
上海灯饰灯具行业的职工怀着为国争光的精神,终于胜利地完成了任务。
至60年代初、中期,上海在全国首先形成一个独立、完整、协作配套的灯具行业。
这一时期上海灯饰灯具工业的发展是全中国现代灯具工业发展的代表和缩影,除了上海外,北京、天津、武汉、广州等各大城市也相继建立灯饰灯具厂,中国现代灯饰灯具工业出现了前所未有的繁荣。
这一时期,除了大量灯饰灯具厂拔地而起外,灯饰灯具产量大幅增加外,中国在光源方面的研究也取得了可喜的进展。
1963复旦大学电光源研究室和亚明灯泡厂年我国第二代光源荧光高压汞灯。
此后,第一盏氢灯、第一盏氪灯、金属卤化物灯相继问世并量产,中国电光源产业因此也向前跨越了一大步。
上海对中国电光源产业发展功不可没。
蔡祖泉——“中国电光源之父”,是我国电光源产业发展的奠基人。
从20世纪60年代开始,中国电光源产业的每一项科研成果几乎都和蔡祖泉有关。
1961年,蔡祖泉与同伴们初探我国科学家的“空白领域”———电光源,着手研制国内的第一盏光源——高压汞灯。
同年,复旦大学电光源小组成立。
我国电光源史上第一个氢灯、第一个高压汞灯、第一个氪灯、第一个长弧氙灯等一系列成果陆续从他手上诞生。
从1949年到1965年,中国灯饰灯具工业获得了突飞猛进的发展,灯饰灯具产量急剧增加,灯饰灯具种类大大丰富,部分产品达到了国际先进水平。
这一时期也是中国电灯快速普及的时期,城市开始普及电灯照明。
1.3本课题主要内容和任务
本文主要研究单片机控制的智能台灯系统,系统应该能够判断周围是否有人,并根据判断结果自动实现台灯的开关,能够检测环境光强度,根据光强度自动调节台灯的发光亮度,保证台灯发出适度的光强度,又能保证亮度不至于过高,浪费电能。
系统可以检测使用者的坐姿是否合理,如果使用者出现错误坐姿,系统能够发出提示警报。
系统具体实现的功能如下所示。
1.当系统检测到有人在台灯周围时,自动打开台灯,当使用者离开台灯一段时间后,自动切断台灯电源,节省电能。
2.系统根据外界环境光的强度,合理调节台灯的光强,使台灯的灯光既可以保证使用者正常使用,又能保证光强不至于过高,这样可以保护使用者的视力健康,也能节省电能。
3.当台灯打开一段时间之后,系统能够发出警报,提醒使用者离开台灯休息,劳逸结合,进一步保护使用者的身体健康。
4.如果使用者出现不正确的坐姿,如驼背或者离台灯过近,系统能够发出提醒,如果使用者仍然保持错误坐姿,系统切断台灯电源,待使用者恢复正确坐姿后,台灯再次被打开。
2智能台灯整体结构分析
由上一章的分析可知,智能台灯系统的开关或者调光会受到很多外界条件的共同制约,因此在设计本系统之前,需要先将整个系统的结构整理清楚,然后按照各个功能模块进行分析和设计。
2.1整体功能模块分析
智能台灯系统的整体结构框图如图2-1所示。
图2-1
从上面的结构框图可以看出,整个系统的核心为控制系统,外界检测的各种模块的检测信号都要输送给控制系统,由控制系统协调控制台灯的发光情况。
2.2硬件选型分析
电源系统、控制系统等很多功能模块在电路上实现都有很多种方法,因此本节主要对常用的方法进行分析论证,并选取相对合适本系统的方案。
2.2.1单片机选型
控制系统是智能台灯系统的核心部分,而单片机又是控制系统的核心,因此,单片机的选型非常重要,一款合理的单片机不仅能够保证系统的稳定可靠运行,也能为调试增加很多方便,所以要选择一款从各方面均非常合理的单片机。
经过对常用的51,AVR,430单片机等的对比后,本系统最终选择了以超低功耗著称的MSP430F2274单片机,此款单片机由德州仪器公司研发生产,是业界功耗最低的单片机,待机功耗可以达到微安级别,节能性非常出色,另外,此款单片机是16位的RISC单片机,相比其他的8位单片机,它在运算速度等方面也具有非常大的优势。
MSP430F2274单片机的主要特性如下所示:
1.从1.8V到3.6V的宽范围低压供电支持。
在1Mhz,2.2V电源电压的工作模式下,功耗电流仅为270微安。
待机模式下,功耗电流为0.7微安。
16位的RISC结构,可以实现62.5纳秒的指令周期。
拥有2个16位的定时器,可实现输入捕获和输出比较功能。
支持自动波特率的UART通信,LIN通信,I2C通信以及SPI通信。
具有10位分辨率200khz采样率的模数转换器。
支持多种启动模式,可实现片上在线硬件调试。
具有32KB的片内FLASH和1KB的片内RAM。
具有38脚的TSSOP封装,体积小,IO口多。
从上面的特性可以看出,MSP430F2274单片机的功能正好可以方便的完成本次设计。
超低功耗可以改善整个系统的功耗状况,能够更加节能。
16位机的设计,单片机运行速度更快,使整个系统的实时性更好。
16位高分辨率的定时器可以实现高精度的PWM功能,方便精确的台灯调光。
支持UART通信功能,虽然在系统设计中并不需要,但是对于调试意义重大。
具有10位的AD转换器,可以用在环境光检测中,不需要再外加外部AD转换芯片,节省了系统成本,也减少了系统电路的结构,支持片上调试,对于调试来说也非常重要,大的内部FLASH和RAM对程序设计大大降低了优化要求,提高设计效率,较多的IO口也能完全满足本次设计的要求。
对比其他两款常用的单片机,有的没有内部AD转换器,有的没有高分辨率的定时器,或者没有大的片内存储器空间,因此,本设计选择了MSP430F2274这款单片机作为控制核心。
MSP430F2274单片机的引脚分布如图2-2所示。
图2-2
2.2.2电源系统选型
任何系统在设计时都需要慎重考虑电源设计,如果电源设计不好,整个系统很可能运行不稳定,如果功率稍大,甚至可能威胁人生安全。
由于本次系统设计主要针对台灯的智能化设计,所以电源设计采用的是常规的220V交流市电供电,而没有采用从技术上更创新的光伏发电等方式。
本系统需要两路电源,一路是供给控制系统和检测系统的电源,此电源采用恒压电源即可,可以通过变压器输出的低压交流电整流滤波,再通过线性稳压器后直接供给。
另外一路电源是供给LED灯珠使用的,由于LED灯的伏安特性比较特殊,对其电源的设计需要特别考虑。
LED灯的特性如图2-3所示
图2-3
从图2-3(a)可以看出,LED灯在导通后,电流会随两端电压的上升而急剧上升,在电压由3.1V上升至3.4V时,电流从100ma上升至350ma。
从图2-3(b)可以看出,在给一个定值电压时,LED灯的温度越高,其电流会越大。
通过两图的分析,可以发现,如果采用恒压源驱动LED灯,在LED工作一段时间后,温度会上升,温度上升会导致其电流加大,电流加大后,LED灯的压降又会变低,进而导致流过电流继续变大,且电流会急剧变大,形成一个正反馈。
LED灯在设计时都有一个额定电流,超过额定电流工作,很容易烧毁,所以不能直接用一个恒压电源驱动LED灯,而需要考虑控制其电流不能急剧变大。
在一些低成本的应用中,常在LED灯的回路中串联一个电阻,用来限定回路中的电流,保护二极管,其应用电路如图2-4所示。
图2-4
这种方式可以有效的限定回路电流,保护LED,但是这个电阻在电路中会消耗一定的能量,既不利于节能,又增加了系统的散热要求,但是由于成本比较低,仍有一定的应用空间,但是本次设计的是智能台灯,完全可以设计出更加安全的恒流输出电源。
2.3人体检测选型
本系统需要通过检测周围有没有人的存在,控制台灯的开关,所以系统需要外加检测人体的传感器。
常用检测人体的方案有超声波测距,红外线测量,热释传感器等。
超声波和红外线测量的方式比较类似,都是通过一端发射超声波或者红外线,另外一端检测信号,如果信号在一定的距离被反射回来,说明这个位置有物体存在,这样就可以识别周围是有人存在。
超声波测量的示意图如图2-5所示。
图2-5
如图所示,超声波发射头发送一个38Khz的波形,被障碍物反射回来被接收头接收到,通过波形发射的时间和接收的时间差,乘上声音在空气中的传播速度,就可以计算出障碍物与测量模块之间的距离,因此,通过设定合理的触发距离,就可以实现有人靠近台灯的时候打开台灯,远离台灯的时候关闭台灯。
超声波测距可以实现本系统所需要的功能,但是有一定的局限性,因为它对其他的物体也具有敏感性,即当有物体存在于超声波可以覆盖的范围内时,系统无法分辨物体是人还是其他物体,因此会导致台灯误开关,而且,超声波的覆盖范围有限,人只能从一个方向出发超声波模块,因此本系统并未采用此方案,而是采用了更加合适的红外热释传感器来实现此功能。
人体红外热释传感器是利用了检测传感器周围的红外线,来分辨是有周围有人存在的,相比超声波或者红外测距模块,热释传感器具有覆盖角度大,能够准确识别人还是其他物体的有点,因为一般物体并不会像人一样辐射红外线。
红外热释传感器的工作原理同压电效应类似,是指由于温度的变化而引起晶体表面荷电的现象。
热释电传感器是对温度敏感的传感器。
它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成,在元件两个表面做成电极,在传感器检测范围内温度有
的变化时,热释电效应会在两个电极上产生电荷
,即在两电极之间产生一微弱的电压
。
由于它的输出阻抗极高,在传感器中有一个场效应管进行变换。
热释电效应所产生的电荷
会被空气中的离子所结合而消失,即当环境温度稳定不变时,
=0,则传感器无输出,当人体进入检测区,因人体温度与环境温度有差别,产生
,则有
输出,若人体进入检测区后不动,则温度没有变化,传感器也没有输出了,所以这种传感器检测人体或者动物的活动传感,由实验证明,传感器不加光学透镜,其检测距离小于2m,而加上光学透镜后,其检测距离可以大于7m。
2.4调光方式
2.4.1调光方式选择
本系统需要根据环境光的变化适当调节LED灯的亮度,当环境较暗的时候,台灯变亮,环境较亮的时候,台灯变暗,这样可以有效节省电能,也能保护使用者的视力。
现行常用的LED灯调光方式主要有线性调光和PWM调光,两种调光方式实现方法不同,也各有优缺点。
模拟调光通常可以很简单的来实现。
可以通过一个控制电压来成比例地改变LED驱动的输出。
模拟调光不会引入潜在的电磁兼容/电磁干扰(EMC/EMI)频率。
然而,在大多数设计中要使用PWM调光,这是由于LED的一个基本性质:
发射光的特性要随着平均驱动电流而偏移。
对于单色LED来说,其主波长会改变。
对白光LED来说,其相关颜色温度(CCT)会改变。
对于人眼来说,很难察觉到红、绿或蓝LED中几纳米波长的变化,特别是在光强也在变化的时候。
但是白光的颜色温度变化是很容易检测的。
脉冲宽度调制是一种模拟控制方式,其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置,来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变,这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定,是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。
采用PWM的LED调光控制法以大于100HZ的开关工作频率,以脉宽调制的方法改变LED驱动电流的脉冲占空比来实理LED的调光控制,选用大于100HZ开关调光控制频率主要是为了避免人眼感觉到调光闪烁现象,在LED的PWM调光控制下,LED的发光亮度正比于PWM的脉冲占空比,在这种调光控制方法下,可以在高度调光比范围内保持LED的发光颜色不变,采用PWM的LED调光控制的调光比范围可达3000:
1。
在PWM调光中,LED正向电流以受控的占空比(DDim)进行开/关,以达到想要的亮度。
DDim的动态范围定义了PWM调光配置所能实现的最大亮度级别。
因此,在使用PWM调光配置时所得到的最高和最低LED电流平均值分别由式1和式2表示:
ILED_Max=DDim_Max×ILED
(1)
ILED_Min=DDim_Min×ILED
(2)
其中,ILED为LED电流,ILED_Max为LED电流的平均最高值,ILED_Min为LED电流的平均最低值,DDim_Max为最大调光占空比,DDim_Min为最小调光占空比。
因此,最高和最低LED明亮的比率,又被看做PWM调光范围,用式3表示。
调光范围=DDim_Max/DDim_Min(3)
式3表示PWM调光范围与最大、最小调光占空比之间的关系。
对于给定的调光频率FDim,DDim_Max表示最大占空比,即LED电流在下一个调光周期开始前,从所需的正向电流降低至零的时间;DDim_Min表示最小占空比,即LED电流由零升至所需的正向电流(IF)的时间。
DDim_Max和DDim_Min表示如下:
DDim_Max=(T-tSD)/T(4)
DDim_Min=(tD+tSU)/T(5)
其中,T为调光周期(T=1/FDim),tD为从DIM脉冲上升沿到电源FET第一个脉冲之间的延迟,tSU为LED电流从零升至所需电流的上升时间,tSD为从DIM脉冲的下降沿到LED电流等于零之间的下降时间。
式4和式5表达了DDim_Max、DDim_Min与LED驱动器的传动(power-train)特性和PWM调光方案之间的关系。
当然,PWM调光也有其缺点,主要表现在PWM调光很容易使得白光LED驱动电路产生人耳听得见的噪声,这是因为在PWM调光是,如果PWM信号的频率处于20hz到20khz之间,白光LED驱动器周围的电感和输出电容就会产生人耳听得见的噪声,所以设计PWM调光时,应该注意,PWM信号的频率应该高于20khz,避免产生人耳能够听见的噪声。
另外从节能角度来讲,由于线性调光调节了LED灯的电流,所以很多情况下LED灯并没有工作在其额定功率状态下,而PWM调光则避免了这种情况,而工作在非额定功率下的LED灯发光效率肯定是比额定功率下的LED灯低的,所以,本系统选择了效率更高且没有光色畸变的PWM控制方式。
2.4.2PWM生成原理
脉冲宽度调制(PWM),是英文"PulseWidthModulation"的缩写,简称脉宽调制,是利用微处理器的数字
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