智能保健台灯设计.docx

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智能保健台灯设计

2016届

　分类号：

　　　　　　　　　　　　　　　　　单位代码：

10452

毕业论文（设计）

基于STC89C51智能保健台灯

姓名　　　　　

　　　　学号　　

　　　　　年级　　　　

　　　　　专业　　

　　　　　系　（院）　　

　　　　　指导教师　

2016年4月日

摘要

本产品以现有市场台灯为模型，通过光敏电阻和红外线探测头进行测量，利用单片机的简单转换和控制，自动调节光亮和进行提醒，利用延时开关达到在无人的情况下自动关闭。

通过测量外加环境光照强度是否是人看书的最适合值如果不是，台灯将自动调节台灯光强至合适程度，同时测量用户眼睛与桌面距离，提醒人与书本保持合适距离（此处的红外探测头可旋转调节），从而达到保护用户视力，并一定程度上纠正用户的不当坐姿，帮助用户养成一个良好的学习习惯，再有可以感应人的去留，用延时的功能来满足人走灯熄的效果，使其能方便而节约电能。

近年来,中小学生中近视眼的发病率呈逐年上升趋势,这与学生课业负担重,长时间看书学习而眼睛又得不到及时有效的休息具有很大关系。

为此本文介绍一种具有视力保健功能的台灯,它对于迅速消除视力疲劳。

预防近视的发生具有帮助作用。

其工作原理是

1.在台灯灯管附近放置若干光敏电阻测量光强，通过STC98C51单片机AD转换，同时与设定的标准值比较，通过回馈信息电灯调节亮度，达到设置的标准值（结合单片机最小系统和光敏电阻电路共同设计一个基于单片机的数字式光照强度检测系统。

通过计算它们的光照强度运用比较来回馈达到标准值。

）。

2.通过在灯杆上放置红外管（放置要适宜，不能影响正常的姿态移动，达到实用的目的），让其感应额头及身体部位，当感应不到时，将自动报警提示，让用户注意自己的姿势。

3.通过红外检测人的去留，设置延长关闭时间（根据被动式红外探头来探测人的体温从而判断，这样更准确实用，探测的信号要经滤波、整形、放大）。

通过测定光照强度，来契合人体适用的光照，在一定程度上保护了学生视力，利用红外感应，提醒人的坐姿，在用延时开关，更好的起到了节能和保护视力的目的。

关键词：

保健台灯；防近视；节能；单片机

Abstract

Thisproducttotheexistingmarketdesklampforthemodel,throughthephotoconductiveresistanceandinfraredmeasuringhead,simpletransformation,andusingsinglechipmicrocomputercontrol,displayedonthescreenlightintensityandautomaticallyadjustthelightintensityandremind（alsocandisplayelectronicclockandthestaytime）,undertheconditionofusingthedelayswitchfortheunmannedautomaticshutdown.Bymeasuringtheenvironmentlightreadingisoneofthemostsuitableforvalue,ifnot,thelampwillautomaticallyadjustthestagelights,ifappropriate,atthesametimemeasuresthedistanceofusereyeswithdesktop,remindpeoplekeepappropriatedistancewithbooks（theinfrareddetectionheadcanrotatetoadjusthere）,soastoprotecttheuservision,andtosomeextent,correctuserimproperposture,tohelpuserstodevelopagoodstudyhabits,whethercanhaveinduction,usingtimedelayfunctiontomeetpeoplegotheeffectoflight,makeitscanbeconvenientandsavepower.

Inrecentyears,thereisanupwardtrendintheincidenceofmyopiainprimaryandmiddleschoolstudents,thestudentschoolworkburdenisheavy,longtimetoreadabooklearningandeyesrestwithouttimelyandeffectiveandhastheverybigrelations.Thispaperintroducesakindofvisionhealthcarefunctionofdesklamp,ittoquicklyeliminateeyefatigue.Thepreventionofmyopiahavehelp.

Itsworkingprincipleis

1.Nearthedesklamptubesplacedanumberofphotosensitiveresistancemeasuringlightintensity,byAT98C51MCUADconversionandthendisplayedonthescreen,atthesametimeandsettingthestandardofcomparison,thelightbrightnessthroughfeedbackinformation,inordertosetupthestandardvalues（combinedwithsinglechipmicrocomputerminimumsystemandphotosensitiveresistancecircuittodesignadigitallightintensitydetectionsystembasedonsinglechipmicrocomputer,displayshowslightintensity.Bycalculatingtheirlightintensitycomparisontofeedbacktoreachstandard.）.

2.Byplacingainfraredtubeinlightpole（appropriatetoplace,cannotaffectthenormalmobile,achievethepurposeofpractical）,makeitsinductionforeheadandpartsofthebody,wheninductionislessthan,willautomaticallyalarmprompt,letuserspayattentiontoyourposture.

3.Whetherthroughinfrareddetection,settoextendtheclosingtime（accordingtothepassiveinfraredsensortodetectthetemperatureofthepeopletojudge,sothatmoreaccurate,practical,andthedetectionsignaltothefilter,plastic,amplification）.

Bymeasuringlightintensity,applylightingtofitthehumanbody,toacertainextent,toprotectthestudents'vision,usinginfraredsensor,toremindpeopleofthesittingposition,withdelayswitch,betterplaythepurposeofsavingenergyandprotectingtheeyesight.

Keywords:

Healthcaredesklamp,myopiaprevention；Energysaving,；Singlechipmicrocomputer

1绪论

1.1智能台灯的概述

1.1.1智能台灯的结构

智能保健台灯结构由底座（重心），歪脖，灯罩等组成其结构如图1-1所示：

图1-1智能保健台灯结构示意图

由于经费问题结构示意图只是框架

在底座上设有

开关：

电源的通断；

超声波距离传感器：

通过声音传播速度340m/s计算出距离；

热释电模块：

通过检测人身上发出的红外实现无人断电的功能；

光敏电阻：

通过感应外界光强度的变化,转化为阻值的变化,经过单片机采集后，调节LED灯泡的亮度；

蜂鸣器：

负责用眼超过40分钟或者坐姿不正确的提起报警功能；

拐脖：

内置灯罩安装的电子器件的供电线路；

灯罩：

40个发光二极管（LED）；两侧各一个光电开关；

1.1.2智能保健台灯的供电电路图

智能保健台灯的电源和普通电源基本相同分为：

降压、整流、滤波稳压等常用环节。

图1-2保健台灯220V交流电转15V直流电

图1-3保健台灯15V直流电转5V直流电

图1-4光敏电阻及传感器供电电路

图1-4光敏电阻及传感器供电电路

1.2智能保健台灯的控制要求

1.2.1智能保健台灯的控制要求

中小学生坐姿的要求

1.告诉孩子不要趴在桌上，或者翘脚架腿。

因为良好坐姿有利于骨骼生长有利于身体健康。

2.头正身直足平：

头放正，不能歪着斜着头，身正，身子也要放在不能侧着或卧着，足放平，脚平放在地上，不要翘腿垫脚的。

3.眼离纸面一尺：

眼睛要离纸面有一尺的距离，不能靠的太近，也不能离的太远，现在有很多人近视，就习惯离纸面很近，这样的习惯不好.

4.手离笔尖一寸:

手离笔尖的距离为一寸，这是抓笔的技巧。

抓笔一般大约在整只笔的前三分之一处。

胸离桌缘一拳。

胸不能依靠着桌子，也不能离桌子过远，以一拳的距离为宜。

根据智能保健台灯的单片机和传感器的特性与性能，对控制有如下要求：

1.LED亮度调节。

看书的比较适合照度约为500Lux,要求根据外界的光照强度来调节LED的亮度

进而达到500Lux,误差-50—+50Lux以内。

2.前后的坐姿矫正。

根据中小学生标准坐姿（一拳一尺一寸）的要求，当人的身体过于前屈和后仰时，

蜂鸣器就是提起报警，以达到矫正坐姿的要求，误差不超过10%。

3.左右的坐姿矫正。

根据中小学生标准坐姿（一拳一尺一寸）的要求，当人的身体过于左倾和右倾时，蜂

鸣器就是提起报警，以达到矫正坐姿的要求，误差不超过10%。

4.预防疲劳用眼

看书的用眼时间不能超过40分钟，当用户的看书时间超过40分钟时，蜂鸣器报警，提示用户休息环节疲劳。

5.低功耗节能。

为了响应国家节能环保的号召，要求人离开后自动切断LED供电，进入待机状态。

1.2.2普通台灯存在的问题

普通台灯采用单一电源供，因而具有以下缺点：

1、不具备LED亮度调节功能，即不会对外界的光照强度调节进行回馈调节。

2、采用单一供电方式不具备自动断电功能，不经济，不环保。

3、不能对用户的坐姿进行校正，不智能。

因此，台灯存在的基本问题不能解决功耗问题，也不具备市场竞争力。

而采用单片机和适当传感器的结合，可以巧妙的解决以上问题。

1.3课题研究的主要内容

自动控制系统采用嵌入式（单片机）和传感器控制技术具有良好实用前景，不仅能够降低功耗，而且还具备智能保健的效果，对节能减排、改善青少年用眼健康具有很好的作用。

智能保健台灯在国内医疗器械盛行的今天发展前景一片大好，同时也响应了国家节能减排的号召，且成本低有很好的市场竞争力。

1、对STC89C51系列为代表的单片机硬件结构和程序设计语言进行深入学习和研究，掌握其主要特点、程序设计方法和应用环境。

2、对热释电模块，超声波模块，光电开关等传感器的结构和控制方法进行深入的学习和研究，掌握其主要的特点和正确的使用方法，以辅助台灯。

3、对智能保健的电路原理和控制、单片机硬件和程序调试过程进行深入学习和研究，在此基础上设计技术设计方案，51单片机（STC89C51内部含有AD模块）控制：

热释电模块（BISS0001为主芯片），超声波模块（HC-SR04），关电开关（漫反射型）等传感器。

1.4控制系统设计的初步方案

1.4.1控制系统结构方案

整个控制系统以STC89C51为控制核心，对各部分电路实现控制。

1、光敏电阻与AD芯片配合，通过单片机对LED供电电路进行控制，调光。

2、超声波测距模块，对前后距离的采集，单片机进行读取与计算，并作出响应。

3、光电开关，对左右距离的采集，单片机进行读取与计算，并作出响应。

4、热释电，检测人身上发出的红外，达到无人断电的节能效果

1.4.2控制程序结构方案

由于控制系统复杂，程序设计工作量大，采用模块化的程序结构设计。

程序设计软件Keiluvision4，在Windows环境下进行程序设计。

之后在STC-ISP进行烧录功能,便可以进行相互间的通信，实现程序的写入和读出。

2单片机的工作原理

2.1STC89C51单片机简介

STC89C51单片机是一款基于8位单片机处理芯片STC89C51RC的系统。

STC89C51RC是采用8051核的ISP（InSystemProgramming）在系统可程序设计芯片，最高工作时钟频率为80MHz，片内含8KBytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序内存，器件兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，具有在系统可程序设计（ISP）特性，配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，省去了购买通用程序设计器，而且速度更快。

STC89C51RC系列单片机是单时钟/机器周期（1T）的相容8051内核单片机，是高速/低功耗的新一代8051单片机，全新的流水线/精简指令集结构,内部集成MAX810专用复位电路。

2.2STC89C51单片机的结构

STC89C51实质上是一种专用的嵌入式控制系统，适应于控制要求的程序设计语言。

所以，可程序设计控制器与其它计算机控制系统一样，也具有中央处理器、I/O接口、定时器，内存，等部分，其典型结构如图2-2-1所示。

主要性能参数：

·与MCS-51产品指令系统完全兼容

·4k字节可重擦写Flash闪速存储器

·1000次擦写周期

·全静态操作：

0Hz－24MHz

·三级加密程序存储器

·128×8字节内部RAM

·32个可编程I／O口线

·2个16位定时／计数器

·6个中断源

·可编程串行UART通道

·低功耗空闲和掉电模式

STC89C51提供以下标准功能：

4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I／O口线，两个16位定时／计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时／计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

图2-2-1STC89C51内部结构图

图2-2-2STC89C51封装图

2.3单片机的工作原理

2.3.1单片机的工作方式

单片机的工作原理与计算机CPU的工作原理是一样的，主要是利用片内的半导体内存存放用户的程序和数据，单片机的核心中央微处理器CPU中有指令寄存器、指令译码器，程序计数器等部件，由程序计数器寻找下一条要执行的指令，找到后，将指令送给指令寄存器，再由指令译码器翻译执行该指令，完成对指令功能的操作。

一句话：

单片机的工作就是不断地取指令、分析指令、执行指令的循环过程。

按预先编写的程序执行，以达到用户期待的结果。

单片机主要用途是做生产设备的控制器，做智能仪表的核心部件，由于单片机体积微小，可以植入任何一个设备和仪表当中，因此它也是嵌入式技术的核心部件。

2.3.2C语言执行过程

考虑到汇编语言的局限性，本文采用C语言。

其执行顺序为：

预处理指令;

函数原型说明;

主函数;

子函数;

函数定义的一般形式如下：

函数值类型函数名（形式参数列表）

{

函数体；

}

函数值类型，就是函数返回值的类型。

在我们后边的程序中，会有很多函数中有returnx这个东西，这个返回值也就是函数本身的类型。

还有一种情况，就是这个函数只执行操作，不需要返回任何值，那么这个时候它的类型就是空类型void，这个void按道理来说是可以省略的，但是一旦省略，Keil软件会报一个警告，所以我们通常也不省。

函数名，可以由任意的字母、数字和下划线组成，但数字不能作为开头。

函数名不能与其他函数或者变量重名，也不能是关键字。

什么是关键字呢，后边我们慢慢接触，比如char这类，都是关键字，是我们程序中具备特殊功能的标志符，这种东西不可以命名函数。

形式参数列表，也叫做形参列表，这个是函数调用的时候，相互传递数据用的。

有的函数，我们不需要传递参数给它，那么可以用void来替代，void同样可以省略，但是那个括号是不能省略的。

函数体，包含了声明语句部分和执行语句部分。

声明语句部分主要用于声明函数内部所使用的变量，执行语句部分主要是一些函数需要执行的语句。

特别注意，所有的声明语句部分必须放在执行语句之前，否则编译的时候会报错。

一个工程文件必须有且仅有一个main函数，程序执行的时候，都是从main函数开

例如先从主程序执行，即voidmain,然后顺序执行，除非遇到中断

#include

............................//宏定义

..........................;//全局变量

voidmain（）

{

....................;//初始化

while

（1）

{

...................;//主程序

}

}

3传感器的基本原理

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

3.1热释电模块基本原理

 热释电效应同压电效应类似，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晶体管组件组成，在组件两个表面做成电极，在传感器监测范围内温度有ΔT的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷ΔQ，即在两电极之间产生一微弱的电压ΔV。

由于它的输出阻抗极高，在传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。

热释电效应所产生的电荷ΔQ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，ΔT=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ΔT，则有ΔT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（也称菲涅尔透镜），其检测距离小于2m，而加上光学透镜后，其检测距离可大于7m。

热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。

它目前正在被广泛的应用到各种自动化控制装置中。

除了在我们熟知的楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域应用前景看好。

比如：

在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机；电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的机构；开启监视器或自动门铃上的应用；结合摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动等等……。

您可以根据自己的奇思妙想，结合其它电路开发出更加优秀的新产品。

或自动化控制装置。

这是一款采用红外专用芯片BISS0001芯片设计的人体传感模块，它最大的优点是性能稳定可靠。

普通型透镜直径24毫米，模块厚度约25毫米，模块的其他性能和引线方式两款一样。

图3-1-1热释电模块

模块采用低功耗稳压器件7133A-1，可以保证在很宽的输入电压下稳定提供3.3V的工作电压，确保模块能正常工作。

模块有三个输出脚，由红、黄、黑三色线插座引出，红线和黑线分别接DC4.5～24V电源的“+”、“－”，标有“OUT”的黄线是输出脚，有人输出3V高电平，无人输出0V低电平。

图中左上角有一个检测方式切换跳线，戴到中间和H连接为可重复触发方式，即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平（感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点）；戴到中间和L连接为不可重复触发模式，这种模式下感应输出高电平后，延时时间段一结束，输出将自动从高电平变为低电平。

图3-1-2热释电模块电源线

技术参数

1、工作电压：

DC4.5～24V 

2、电平输出：

有人3V高电平，无人0V低电平

3、感应角度：

110度   

4、静态电流：

小于50μA   

5、感应距离：

0.5～7米  

6、触发时间：

0.5～200秒  

7、触发方式：

重复/不重复

8、外形尺寸：

38mm×28mm×25mm

3.2超声波C-SR04超声波测距模块原理

1、特点：

HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。

基本工作原理：

（1）采用IO口TRIG触发测距，给最少10us的高电平信呈。

（2）模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；

（3）有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。

测试距离=（高电平时间*声速（340M/S））/2;

2、实物图

如图接线,VCC供5V电源；GND为地线；TRIG触发控制信号输入；ECHO回响信号输出。

图3-2-1实物图

3、电气参数：

电气