多功能智能臺燈設計

郝繪坤 周哲 張彥波

摘要：本設計涉及一款多功能智能臺燈， 屬于智能家居領域， 本作品主體結構除了一般臺燈的底座、燈柱、燈座、燈罩和LED燈泡外， 本設計的主要特點體現在其電路板上， 電路板包括電源模塊、MCU模塊、按鍵模塊、藍牙模塊、熱釋電模塊、LED驅動模塊。電源模塊為系統的其他模塊提供電源， MCU模塊連接按鍵模塊、藍牙模塊、熱釋電模塊、LED驅動模塊成為系統中樞。該款臺燈具備普通臺燈最基本的照明功能和按鍵調光功能， 除此之外， 臺燈提供了藍牙控制功能和臺燈的定時控制功能， 方便用戶對臺燈的控制， 同時， 臺燈還設有自動感應小夜燈功能， 在夜里用戶活動時臺燈會自動啟動小夜燈， 為用戶夜間活動提供方便。

關鍵詞：多功能; 智能; 藍牙; 臺燈;

引言

隨著電子技術的快速發展， 智能手機已經是人手一部， 而在智能手機得到推廣的同時， 家用電器也越來越趨向于智能化， 智能洗衣機， 智能電飯鍋， 智能電磁爐等已經走進千家萬戶， 智能家電已經成為了一個發展趨勢。智能家電在給我們帶來方便的同時， 也成為了我們的日常生活中不可缺少的一部分。有時我們在床上看書總會忘記關臺燈就睡著了， 或者晚上起床時總是找不到臺燈開關， 此時我們多希望有一臺能夠善解人意的智能臺燈。為了克服現有臺燈功能簡單、控制方法單一的不足， 本設計提供一種多功能智能臺燈， 該臺燈除了具備普通臺燈的基本功能之外， 還增設了定時關燈功能、智能小夜燈功能、手機藍牙控制功能。

1. 系統設計

1.1 系統總體結構設計

多功能智能臺燈要實現的主要功能是：通過控制面板上的按鍵獲取用戶的手動控制信號， 通過藍牙模塊獲取收取APP對臺燈的控制信號， 以及熱釋電模塊獲取附近有無活動人體的信號， 然后由單片機統一對以上模塊所獲取到的信號進行處理， 并針對不同的控制信號， 控制臺燈的開關、亮度調節和實現臺燈定時關閉等功能。在設計臺燈的整體控制系統時需要分析系統的輸入輸出信號， 選擇合適的中央處理器， 逐步設計各個電子電路模塊， 最后將各個模塊整合成一套完整的控制系統。

系統基本框圖如1所示。

1.2 硬件電路設計

1.2.1 系統電源設計

系統工作需要3種直流電壓， 第一種是LED驅動需要的12V直流電壓， 由AC-DC模塊直接供給;第二種是直流5V的系統工作電壓， 由LM7805構成的DC-DC電路降壓后供給;第三種是藍牙模塊需要的直流3.3V， 有REG1117-3.3V構成的DC-DC電路降壓后供給。

1.2.2 單片機控制系統設計

本設計所選擇的控制器是ATMEL公司的ATmega8單片機。ATmega8是高性能、低功耗的8位AVR處理器。具有先進的精簡指令結構， 8K的系統可編程Flash， 支持JTAG接口， 豐富的片上資源， 時鐘頻率可以達到16M，且工作電壓范圍寬等優點。綜合考慮ATmega8單片機可以滿足本次設計的需要。

1.2.3 按鍵電路設計

系統按鍵模塊采用傳統的獨立按鍵， 總共包含4個按鍵， 功能分別是臺燈開關、亮度加、亮度減、小夜燈開關。工作原理是常態下與單片機連接的端口通過上拉電阻與VCC連接， 此時單片機得到一個高電平信號， 當按鍵被按下時， 單片機IO口會通過按鍵直接與GND連接， 此時得到一個低電平信號。也就是當單片機與按鍵連接的IO口讀入信息為0時， 代表該功能鍵被按下。

1.2.4 藍牙通信設計

本系統采用SPP-C模塊作為系統和上位機的通信模塊， 通過SPP-C模塊用戶可通過手機藍牙連接小車， 并使用APP控制小車的前后左右的移動。SPP-C藍牙模塊是一款專為智能無線數據傳輸而打造， 遵循V2.1+EDR藍牙規范。該模塊支持UART接口， 并支持SPP藍牙串口協議， 具有成本低， 體積小、功耗低、收發靈敏性高等優點， 只需配備少許外圍元件就能實現其強大功能。

1.2.5 熱釋電模塊設計

本設計采用的人體感應傳感器是HC-SR501， 該傳感器是基于紅外線技術的自動控制模塊， 采用德國進口的LH1778探頭設計， 靈敏度高， 可靠性強， 具有超低電壓工作模式。

1.2.6 LED驅動模塊設計

系統LED驅動電路由一個程控直流斬波電路組成， 其原理是：LM358組成比較電路， 比較電路反向輸入端連接一個調壓電路， 調壓范圍0～4.95V， 正常使用時可將電壓調到3V， 正向輸入端連接單片機的PWM輸出端， 比較器的輸出端的輸出與PWM波形同步且峰值為12V。為了獲得足夠的輸出功率， 在運放的輸出端加一個功率三極管， 且因UB=UC， 所以三極管處于開關狀態， 輸出波形仍然和單片機輸出的PWM保持同步。

1.3 軟件設計

1.3.1 小車臺燈控制器軟件設計

下位機軟件的主程序的各控制寄存器的初始化、藍牙控制子程序、按鍵控制子程序、小夜燈控制子程序、PWM輸出子程序5部分組成。其中除了程序初始化部分， 其他部分子程序在工作過程中使用掃描執行的方式。

1.3.2 手機控制軟件設計

手機控制軟件使用的是一款自主設計的藍牙控制軟件， 其主要特點是使用方便， 界面簡潔、生動。當按下相應按鈕后， 手機就會按照事先定義好的協議向臺燈發出控制指令。具體功能如下：按住中間的“藍牙連接”可從菜單中找到智能臺燈， 并與其連接;按下右邊的加號可以增加臺燈的亮度;按下左邊的減號可以降低臺燈的亮度;按下中間靠左的電源按鈕可以打開臺燈， 并使臺燈達到中等亮度;按下中間靠右的月牙形按鈕， 可以打開小夜燈功能;調節左上角的撥碼開關可以設定定時時間， 設定好定時時間后， 按下右邊的鬧鐘形狀按鈕則可開啟臺燈的定時功能。

參考文獻

[1]張迎新， 胡欣杰， 趙立軍， 等.單片機與微機原理及應用[M].北京：電子工業出版社， 2011：5-8.

[2]高小平.中國智能家居的現狀及發展趨勢[J].低壓電器， 2005 （4） ：18-21.

[3]藍厚榮.單片機驅動LED數碼管的方法[J].電氣時代， 2008 （4） ：94-95.

[4] 王達品.基于熱釋電紅外傳感器的無線監控報警系統設計[J].今日電子2009， 11 （6） ：23-32.

[5]金發慶.傳感器技術與應用[M].北京：機械工業出版社， 2004：281-290.