智能节能台灯的设计.docx

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智能节能台灯的设计

天津职业技术师范大学

TianjinUniversityofTechnologyandEducation

毕业设计

专业：

电气技术教育

班级学号：

电气0611-39

学生姓名：

周长稳

指导教师：

路海龙讲师

二〇一一年六月

天津职业技术师范大学本科生毕业设计

基于单片机的智能节能台灯设计

ThedesignofIntelligentEnergySavingTableLampBasedonMicrocomputer

专业班级：

电气0611

学生姓名：

周长稳

指导教师：

路海龙讲师

学院：

自动化与电气工程学院

2011年6月

摘要

单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹，台灯已是千家万户的必需生活用品，当夜晚来临时，人们摸黑去开灯，非常不方便，而当离开时，人们又经常忘记关灯而造成巨大的能源浪费。

本文设计制作了一种智能台灯，主要是以红外热释电处理芯片BISS0001和单片机组成的红外传感控制电路。

其原理是：

以人体红外辐射（波长为9.5um）为传感信号，当人体在台灯的范围内且环境光强较弱时，自动感应开灯，省去黑夜摸灯的麻烦；当人离开台灯传感器检测范围，自动感应关灯。

另外当人身体太靠近桌面时，台灯自动感应，蜂鸣器发出警报，警告纠正坐姿，同时灯光控制电路控制灯光变暗，若在一定时间内未离开桌面则自动熄灭，当纠正好坐姿则消除警报，灯光变亮。

其特点是自动开关灯，节约能源；且能纠正坐姿，防止近视。

本文首先介绍结合了单片机的智能化电器的普遍推广推动了家用小电器台灯的智能化。

然后介绍设计中用到的单片机的功能以及传感器的选择。

最后进行台灯的硬件设计和软件设计。

关键词：

Atmega16单片机；热释电红外传感器；智能台灯；节能

ABSTRACT

Single-chipmicrocomputerpenetratedintoallareasofourlives,itisverydifficulttofindtheareaofalmostnotracesofsingle-chip.Lampisnecessaryforthousandsofhouseholdslivingsupplies.Wheninthedark,thepeopleisveryinconvenienttoturnonthelights,andtheyoftenforgertoturnedoffthelightswhentheyleft,itisresultinginahugewasteofenergy.

Inthispaper,anintelligentdesigntablelamp,MainlypyroelectricinfraredBISS0001chipandsingle-chipprocessorconsistingofinfraredsensorcontrolcircuit.Theprincipleisthatinfraredradiationinthehumanbodyforthesensorcircuit,automaticsensorsturnonthelightswhenthebodyofthescopeofthelampandtheenvironmentwhenaweaklight.Inanotherway,turnoffthelightsbyautomaticsensorwhenpeopleleavethelampsensordetectionrange.Inaddition,whenthebodyistooclosetothedesktop.Thebuzzeralarmtowarningtocorrectposturebythelampautomaticsensor.Inthesametime,lightingcontrolcircuittocontrollightsdimmed.ifwithinacertainperiodoftimenottoleavethedesktopthelightsautomaticallyextinguished,Thelightsbrightenandremovethealarmwhenthecorrectgoodposture.Itisfeaturesisautomaticlightswitch,energyconservation;cancorrectpostureandpreventmyopia.

ThispaperfirstintroducestheintelligentcombinationofSCMappliancestopromotethegeneralpromotionofthesmallhouseholdelectricalappliancesintelligentlamp.Andthenusedtointroducesingle-chipdesignfeaturesaswellasthesensorofchoice.Thefinaltableofthehardwaredesignandsoftwaredesign.

KeyWords：

Atmega16Microcomputer;PIR;IntelligentTablelamp;EnergySaving

1引言

1.1研究背景

社会在不断进步，人类在不断追求，市场在不断变化，高科技应用含量决定着产品发展的新趋势和前景，智能化技术在电子产品领域的应用意义深远。

随着电子产品的快速发展，家用电器也越来越偏向智能化，已经应用于实际中的有智能洗衣机，智能电饭锅，智能电磁炉等，而所用的智能化家用电器都用一个共同的特点，都是利用单片机作为中央控制单元。

结合了单片机的智能家用电器和普通家用电器相比，功能上更强，使用更方便，安全可靠性也更高，最重要的是更节省电能，提高了家用电器的品质。

随着智能控制理论和人工智能研究的深入，各种更加逼真地模拟人类智能的家用电器会更多地出现，而单片机和智能理论的结合，将来不但更多地改进现行家用电器，而且将会产生全新的家用电器。

家用电器因为单片机的加入而走向智能化，并且随着人们生活水平的提高日益走向平民化，我们的生活也随着家用用电器的发展越来越方便、舒适。

随着家用电器的发展，作为家用电器当中的小台灯也要顺应科技的发展步伐走向智能化。

虽然按键式的台灯还是台灯市场的主体。

但是，随着现代电子技术的发展和人们的需求变化，传统的台灯已经感受到产品更新换代的威胁。

与其他的智能化家用电器一样，智能化台灯有许多普通按键台灯所无法比及的优势，智能化台灯一方面可以更节省电能，有利于环保，另一方面可以纠正使用者的坐姿，预防脊椎变形和眼睛近视。

同时，智能台灯在黑暗的时候自动开关灯的功能也让使用者使用起来更方便，省去黑暗摸灯的麻烦。

智能型电器产品由于它们的巨大优势将渐渐进入人们的生活中。

台灯不仅在功能上日趋向智能化，同时在外观上已逐步向组合化、装饰化、情趣化方向发展。

组合化是随着人们生活节奏的加快，一些方便实用、新颖、美观的组合台灯正在市场上兴起，有闹钟与台灯组合的，有小型取暖器与台灯组合的，有微型电讯与台灯组合的，还有把笔架、文具盒、像片框与台灯组合的等等，使台灯更具有实用性。

装饰化，装饰化台灯注重装饰效果，体现鲜明的艺术特色，使台灯成为一件具有实用性的艺术品。

由于这些台灯不但具有现代工艺性，而且式样多变，工艺精湛，造型也别具匠心。

质料上不再是单一塑料制品，还采用不锈钢、铜、玻璃等材料制成，风格各异。

有乳白、橘黄、草绿、玫瑰红、湖绿等颜色，消费者可按房间装饰风格及家具风格来选购不同款式、质料的台灯，使台灯与室内布置形成一个完善的艺术整体。

情趣化，情趣化台灯往往以小巧玲珑、想象丰富等特点而颇受青少年青睐。

基于以上背景，我们提出了基于单片机的智能岩体声发射监测仪的设计。

1.2研究的意义

1.2.1在节约电能方面的意义

我国政府非常重视节能和节约。

1997年11月1日我国颁布了《中华人民共和国节约能源法》，节能已经是法律上的规定，是我国重要国策之一。

北京2008年奥运场馆建设，在“科技奥运，人文奥运，绿色奥运”三大理念的基础上，又提出“勤俭办奥运”的方针，充分体现政府节能，节约的决心！

国家发改委提出了“电机系统节能工程”、“建筑节能工程”、“绿色照明工程”等十大重点节能工程，通过这十大工程，“十一五”期间将实现节约2.4亿吨标准煤的目标。

2006年1月将实行国家建设部颁布的“民用建筑节能管理规定”，2005年7月1日开始实施的“公共建筑节能设计标准”GB50189—2005要求全年的总能耗（采暖，通风，空气调节和照明）减少50%。

广大电气技术工作者只有认认真真研究节约电能的理论和技术，开发出优良的节电产品并应用于实际，才能从根本上贯彻国家规定的各项节能法规，造福于社会。

照明节能意义重大，我国照明耗电大体占全国总发电量10%～12%，2003年我国总发电量为18500亿度，按12%计，照明耗电达2220亿度。

据资料报道，目前城市照明（指景观照明和功能照明的统称），年用电量约占全国总发电量的4%～5%。

照明节能主要从三个方面入手：

选用高效节能的电光源和灯具；选用高品质电子镇流器或节能型电感镇流器；配置适宜，先进照明控制装置。

目前我国城市公共照明每年开支达数百亿元。

应积极推广采用国际上流行的全数字智能路灯节能控制技术：

即智能光源降压——稳压——调光技术。

它的技术思想为：

在繁忙时段，控制路灯保持较强的照度，午夜时分，自动调光；后半夜车稀人少时，控制路灯保持较低的照度的照明。

在美国、德国此类技术得到了政府大力扶持和推广，节电率高于30%。

我国已有独立自主知识产权的这方面技术产品如哈工大楼宇自动化研究所研制的“金卤灯调压调光系统”，在城市道路照明应用中运行效果优良。

今后尚需政府的行政支持。

智能节能台灯最大的优点就是省电和方便。

方便不用多说了，来之则亮去之则暗，不用动手。

省电是比较重要的，现在全世界都缺少电能。

2003年，美国和加拿大大面积停电。

我国也是，每到夏天就有很多省市拉闸限电。

如果用上我们的智能台灯，那么假设一天我们可以节省10min的开灯时间，灯上装的是10W的节能灯泡（一个10W的节能灯泡相当于40W的白炽灯泡）。

节省的电能为10Wｘ600s=6000J，一个月（30天）就能节省180000J，一年就能节省2190000J的电能，相当于0.6千瓦时。

不要小看这个0.6千瓦时的电能。

如果全国人都能每年节省0.6千瓦时的电能，那么每年全国会省下7.8亿千瓦时的电能，这7.8亿千瓦时的电能相当节省接近4亿人民币，4亿人民币可以建造多少所希望小学，可以救助多少无家可归的孤儿，可以圆多少贫穷的孩子无法圆的上学梦啊！

更重要作用的是环境保护。

大家都知道我国有70%的电能来自火力发电厂，而火力发电厂少发一度电（就是1千瓦时）会减少1千克的CO2排放。

那么节省3.9亿度的电能就等于少向大气排放39万吨的CO2，而CO2是温室效应的罪魁祸首。

就是因为全球向大气排入过多的CO2，导致了温室效应的加剧，海平面上升，大片的土地被淹没，气候变暖，降水和土壤湿度进一步减少，气候逐渐干旱，土地沙漠化和草原退化将变的更加严重。

智能节能台灯在节约电能的同时也保护了自然环境，一举两得。

1.2.2对使用者的眼睛保护及坐姿的调整

近年来，我国青少年近视发病率节节上升，发病人数居全球首位，达到历史空前水平。

全国政协委员、沈阳何氏眼科医院院长何伟呼吁，关注我国青少年视力健康，切实加强中小学生近视眼的防治工作刻不容缓。

何伟委员告诉记者，目前我国共有四亿多近视眼患者，以13亿人口计，约每3个人中就有1个是近视眼，特别是青少年近视的发病率居世界第二，人数居世界第一，且渐趋低龄化，中小学生近视检出率为53.8％（城市60.7％、农村30.7％），高中以上学生更是高达70％。

近视正严重危害青少年的健康成长，同时影响我国高素质人才职业的筛选，缩小特殊职业人员的选取范围，更是对实现我国二十一世纪健康目标的严重挑战。

多年来近视眼病在我国、日、韩和东南亚地区特别严重，时时影响着青少年的学习、健康、工作和生活。

近年来我国近视眼患病率已上升到世界第二位，仅次于日本，总数量居世界第一。

近视眼病的防治是一种世界性的重大难题，迄今没有治愈的有效药物和方法。

市售的药物和器具只能起到一定的调理和缓解作用，而手术和激光治疗有严格的年龄限制，而且还包含着严重的隐患和风险。

除了遗传原因，诱发学生患近视眼病的根源有多种，必须从诱发的所有根源上做起，才能真正防止。

我国的中小学生之所以出现这么严重的近视问题，原因是他们在平时在灯下学习或做作业的时候不注意坐姿，由于离光源太近，久而久之使视力下降，出现了近视眼。

目前市场上出售的调光台灯多为手动式，即根据使用者的需要，用手转动调光旋钮，改变台灯的亮度，虽然有节约用电的作用，但无防近视功能。

为使中、小学生在灯下看书或做作业时，不能离灯太近，若超过规定（即调定）的距离，灯光便自动变暗乃至熄灭，而离开规定距离，灯光则自动变亮，我们设计了一种智能台灯。

它可以在使用者看书写字姿势不正确或者距离台灯太近的时候，灯光会慢慢变暗提醒你纠正，直到你坐姿完全正确为止。

从而使你养成良好的读书写字姿势，保护好视力防止近视眼，这个功能都是台灯根据人体探测电路的输出信号来控制，如果晚上工作学习太累不小心趴在台灯下睡着了，台灯的传感器检测到你离光源太近，经提醒电路暗灯提醒未离开则在单片机程序控制下自动熄灭台灯，同时起到了省电的作用。

1.3课题的发展现状

单片机在本次智能节能台灯设计中是主要控制单元，主要控制电路灯光控制电路是在单片机的控制下工作。

下面就介绍一下智能节能台灯的大脑，单片机的发展状况以及在各个领域中的实际应用。

在对其熟悉的基础上对它进行合理的利用。

1.3.1单片机的发展现状

微型计算机即单片机，1976年Intel公司推出了8位的MCS-48系列单片机，它以等特点，赢得了广泛的应用和好评，为单片机的发展奠定了坚实的基础，成为单片机发展史上一个重要阶段。

其后，在MCS-48成功的刺激下，许多半导体芯片在生产厂商竞相研制和发展自己的单片机系列。

到80年代末，世界各地已相继研制出大约50个系列300多个品种的单片机产品，其中包括Motorola公司的6801，6802，Zilog公司的Z-8系列，Rockwell公司的6501，6502等，此外，日本的NEC公司，日立公司等也不甘落后，相继推出了各自的单片机品种。

尽管目前单片机的品种很多，但是我国使用最多的是Intel公司的MCS-51单片机系列。

MCS-51系列是在MCS-48的基础上在上世纪八十年代初发展起来的，虽然它是8位的单片机，但其功能较MCS-48有很大的增强。

此外，它还具有品种全、兼容性强、软硬件资料丰富等特点，因此应用愈加广泛，直到现在，MCS-51仍不失为单片机的主流系列。

继8位单片机之后，又出现了16位单片机，1983年Intel公司推出的MCS-96系列处理器。

单片机就是其中的典型代表。

与MCS-51相比，MCS-96不但字长增加一倍，而且在其它性能方面也有很大的提高，特别是芯片内还增加了一个4路或8路的10位A/D转换器，使其具有A/D转换的功能。

纵观单片机近30年的发展历程，单片机今后将向多功能、高性能、高速度、低电压、低功耗、低价格、外围电路简单化以及片内存储器容量增加的方向发展。

但其位数不一定会继续增加，尽管现在已经有了32位单片机，但使用的并不多。

可以预言，今后的单片机将是功能更强、集成度和可靠性更高而功耗更低、以及使用更方便等特点。

此外，专用化也是单片机的一个发展方向，针对单一用途的专用单片机将会越来越多。

随着微电子技术和超大规模集成电路技术的发展，单片机真正意义上的嵌入式系统的出现。

单片机能最好地满足嵌入式应用的环境要求，例如，芯片级的物理空间、大规模集成电路的低价位、良好的外围接口总线和突出控制功能的指令系统。

单片机有计算机系统内核，嵌入到电子系统中，为电子系统智能化奠定了基础。

因此，当前单片机在电子系统中的广泛使用，使经典电子系统迅速过渡到智能化的现代电子系统。

又单片微型计算机以其体积小、性价比高、功能强、可靠性高等独有特点，在各个领域（如工业控制、家电产品、汽车电子、通信、智能仪器仪表）得到广泛应用。

1.3.2台灯的发展现状

台灯本来是一个非常简单的照明工具，就是一个电源加一个灯泡，但是随着科技的进步，人们开始对台灯的功能要求也开始日渐提高。

所以它的功能也由简单的照明开始向其他的节能和护眼等方面发展，有些台灯还添加了闹钟和定时等功能。

1、护眼台灯的护眼原理

护眼台灯主要由单端荧光灯和灯具两部分组成。

单端荧光灯为节能灯；灯具里的主要电器元件是电子镇流器和启动器。

它的工作原理是把低频闪提高至高频闪，这种护眼灯采用变频电子镇流器，将电频率由50Hz提高至5500Hz以减少频闪，采用三基色荧光粉，减少了炫光效应，使得光线柔和不刺目，使人眼感受不到频闪不适，以此来减轻视力疲劳。

频闪效应是所有荧光灯管的一个测试指标：

频闪越少，照明效果越好。

普通台灯在50赫兹的交流电状态下正常工作的时候，每秒钟会发生闪烁100次左右，如此高的闪烁频率，光靠人眼是看不出来的。

因此，在台灯下用灯时间一长，再加上不注意用眼卫生，极其容易发生近视。

而护眼灯的原理则是将50赫兹的电频率提高到40000至55000赫兹，而相应的台灯每秒钟的闪烁频率就会大幅度下降，有的甚至可以下降为零，从而起到保护视力的功能。

但是，目前灯具市场里的不少品牌的护眼灯的质量不过关，护眼灯的内部电频率根本无法达到质量要求的40000赫兹以上的要求。

2、节能台灯

一般的节能台灯都是在灯泡上做研究，尽量使用节能灯具，可以把白炽灯泡换成LED的节能型灯泡。

近年来随着绿色照明概念的提出，研制新型的环保节能台灯成为当务之急。

目前已有专业人员研发出半导体环保节能台灯，将半导体LED用于室内照明。

这是一款实用新型的台灯，由于以发光二极管为光源，再配以专门设计的外形结构，可极大限度地利用光的效率，给人以温馨或者恬静的感觉，特别适用于家庭、宾馆以及办公室等环境的工作、学习、休息等照明与装饰的需要，由于基本消除了频闪，使得灯光对视力保健更有效果，同时，还具有节省电能的效能。

本实用新型台灯提供的光线照度均匀、无闪烁，并且产品使用寿命长、省电、反应速度快、环保、防爆、冷光源、安全性高，适合一般的工作、学习、居住等局部照明之用。

相信随着科技的发展，未来的照明光源将以环保节能的半导体发光器件为主，更易控制和实现多功能化和智能化。

1.4研究内容

随着智能化技术的飞速发展，智能化家用电器的日益普及，作为千家万户日常使用的家用小电器--智能节能台灯也应运而生。

智能台灯是利用单片机的本文设计是选择了Atmega16作为控制芯片。

将硬件设计分为传感器及信号处理部分、以Atmega16组成的中央处理单元、提醒电路及LED驱动电路。

对各部分功能作用予以详细说明。

软件设计采用模块化结构，将各模块设计完成后进行总调。

本文第一章为绪论，阐述了结合了单片机的智能化技术在家用电器领域中的应用，详细介绍了智能节能台灯研究的意义及未来台灯的发展趋势。

第二章对中央控制单元做了详细的介绍，选择了Atmega16作为控制器，对其功能、特性做了详细说明。

第三章对传感器的概念及其特性进行简单的介绍，对本文设计用到的热释电红外传感器和光敏电阻的工作原理及其特性进行详细的说明。

第四章对智能节能台灯的硬件进行设计，划分成为传感器信号处理，单片机最小系统以及LED驱动电路和提醒电路，分别设计出电路结构，并说明其功能作用。

第五章介绍了智能节能台灯的软件设计，根据硬件结构，先画出总的程序框图，结合台灯设计需要的效果，用C语言编出程序。

第六章是本论文的总结和进一步工作展望。

2AVR单片机的特点及功能简介

2.1系统构成框图

图2-1系统构成框图

2.2AVR单片机的特点

AVR单片机硬件结构采取8位机与16位机的折中策略，即采用局部寄存器（32个寄存器文件）和单体高速输入/输出的方案（即输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器及相应控制逻辑）。

提高了指令执行速度（1Mips/MHz），克服了瓶颈现象，增强了功能；同时又减少了对外设管理的开销，相对简化了硬件结构，降低了成本。

故AVR单片机在软/硬件开销、速度、性能和成本诸多方面取得了优化平衡，是高性价比的单片机。

AVR单片机的I/O线全部带可设置的上拉电阻、可单独设定为输入/输出、可设定（初始）高阻输入、驱动能力强（可省去功率驱动器件）等特性，使I/O口的资源灵活、功能强大、可充分利用。

AVR单片机有自动上电复位电路、独立的看门狗电路、低电压检测电路BOD，多个复位源（自动上电或下电复位、外部复位、看门狗复位、BOD复位），可设置的启动后延时运行程序，增强了嵌入式系统的可靠性。

AVR单片机技术体现了单片机集多种器件（包括FLASH程序存储器、看门狗、EEPROM、同/异步串行口、TWI、SPI、A/D模数转换器、定时器/计数器等）和多种功能于一身，充分体现了单片机技术的从“片自为战”向“片上系统SOC”过渡的发展方向。

综上所述，AVR单片机博采众长，又具独特技术，是8位机中的佼佼者。

它具备了高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位的特点。

也正因为此，本系统使用了AVR单片机中的一款高端单片机Atmage16作为控制核心。

下图为ATmega16管脚图。

图2-2ATmega16管脚图

2.3单片机的串口功能

单片机作为控制核心其首要职能是接收上位机送来的数据并作相应处理。

而通信的可靠性和有效性直接影响到了系统的功能。

由于本设计采用的是有线通信，有较好的可靠性，而AVR单片机本身有着强大的串行通信能力，只要对Atmage16内部进行设置就可实现简单通信。

AVR单片机的通用同步和异步串行接收器和转发器（USART）是一个高度灵活的串行通讯设备。

主要特点为：

（1）全双工操作（独立的串行接收和发送寄存器）；

（2）异步或同步操作；

（3）主机或从机提供时钟的同步操作；

（4）高精度的波特率发生器；

（5）支持5,6,7,8,或9个数据位和1个或2个停止位；

（6）硬件支持的奇偶校验操作；

（7）数据过速检测；

（8）帧错误检测；

（9）噪声滤波，包括错误的起始位检测，以及数字低通滤波器；

（10）三个独立的中断：

发送结束中断,发送数据寄存器空中断，以及接收结束中断；

（11）多处理器通讯模式；

（12）倍速异步通讯模式；

（13）增强性的高速同/异步串口，具有硬件产生校验码、硬件检测和校验帧错、两级接收缓冲、波特率自动调整定位（接收时）、屏蔽数据帧等功能，提高了通信的可靠性，方便程序编写，更便于组成分布式网络和实现多机通信系统的复杂应用，串口功能大大超过MCS-51/96单片机的串口，加之AVR单片机高速，中断服务时间短，故可实现高波特率通讯[8]。

ATMega16单片机控制串口寄存器有UDR,UCSRA,UCSRB,UCSRC,UBRRH。

主要功能如下：

UDR：

USA