基于單片機的智能節能臺燈的設計word格式(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 近年來，我國青少年近視發病率節節上升，發病人數居全球首位，達到歷史空前水平。全國政協委員、沈陽何氏眼科醫院院長何偉呼吁，關注我國青少年視力健康，切實加強中小學生近視眼的防治工作刻不容 緩。何偉委員告訴記者，目前我國共有四億多近視眼患者，以 13 億人口計，約每 3 個人中就有 1 個是近視眼，特別是青少年近視的發病率居世界第二，人數居世界第一，且漸趨低齡化，中小學生近視檢出率為％ (城市 ％、農村 ％ )，高中以上學生更是高達 70％。 近視正嚴重危害青少年的健康成長，同時影響我國高素質人才職業的篩選，縮小特殊職業人員的選取范圍，更是對實現我國二十一世紀健康目標的嚴重挑戰。多年來近視眼病在我國、日、韓和東南亞地區特別嚴重，時時影響著青少年的學習、健康、工作和生活。近年來我國近視眼患病率 已上升到世界第二位，僅次于日本，總數量居世界第一。近視眼病的防治是一種世界性的重大難題，迄今沒有治愈的有效藥物和方法。市售的藥物和器具只能起到一定的調理和緩解作用，而手術和激光治療有嚴格的年齡限制，而且還包含著嚴重的隱患和風險。除了遺傳原因，誘發學生患近視眼病的根源有多種，必須從誘發的所有根源上做起，才能真正防止。 我國的中小學生之所以出現這么嚴重的近視問題，原因是他們在平時在燈下學習或做作業的時候不注意坐姿，由于離光源太近，久而久之使視力下降，出現了近視眼。目前市場上出售的調光臺燈多為手動式，即根據使用者 的需要，用手轉動調光旋鈕，改變臺燈的亮度，雖然有節約用電的作用，但無防近視功能。為使中、小學生在燈下看書或做作業時，不能離燈 太 近，若超過規定 (即調定 )的距離，燈光便自動變暗乃至熄滅，而離開規定距離，燈光則自動變亮，我們設計了一種智能臺燈。它可以在使用者 看書寫字姿勢不正確或者距離臺燈太近 的時候 ， 燈光會慢慢變暗 提醒你糾正，直到你坐姿完全正確為止。從而 使你 養成良好的讀書寫字姿勢，保護好視力 防止近視眼，這個功能都是 臺燈根據人體探測電路的輸出信號來 控制，如果晚上工作學習太累不小心趴在臺燈下睡著了， 臺燈 的傳感器檢測到你 離光源太近，經提醒電路暗燈提醒未離開則在單片機程序控制下 自動熄滅 臺燈，同時起到了省電的作用 。 天津職業技術師范大學 2020 屆本科生畢業設計 4 課題的發展現狀 單片機在本次智能節能臺燈設計中是主要控制單元，主要控制電路燈光控制電路是在單片機的控制下工作。下面就介紹一下智能節能臺燈的大腦，單片機的發展狀況以及在各個領域中的實際應用。在對其熟悉的基礎上對它進行合理的利用。 單片機的發展現狀 微型計算機即單片機， 1976 年 Intel 公司推出了 8 位的 MCS48系列單片機，它以等特點，贏得了廣泛的應用和好評，為單片機的發展奠定了堅實的基礎，成為 單片機發展史上一個重要階段。其后，在 MCS48 成功的刺激下，許多半導體芯片在生產廠商競相研制和發展自己的單片機系列。到 80 年代末，世界各地已相繼研制出大約50個系列 300 多個品種的單片機產品，其中包括 Motorola 公司的 6801， 6802， Zilog公司的 Z8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，相繼推出了各自的單片機品種。 盡管目前單片機的品種很多，但是我國使用最多的是 Intel 公司的 MCS51 單片機系列。 MCS51 系列是在 MCS48 的 基礎上 在 上世紀八十年代初發展起來的，雖然它是 8 位的單片機，但其功能較 MCS48 有很大的增強。此外，它還具有品種全、兼容性強、軟硬件資料豐富等特點，因此應用愈加廣泛，直到現在， MCS51 仍不失為單片機的主流系列。繼 8位單片機之后，又出現了 16 位單片機， 1983 年 Intel 公司推出的 MCS96 系列 處理器。 單片機就是其中的典型代表。與 MCS51 相比， MCS96 不但字長增加一倍，而且在其它性能方面也有很大的提高，特別是芯片內還增加了一個4路或 8 路的 10 位 A/D 轉換器，使其具有 A/D 轉換的功能。 縱觀單片機 近 30 年的發展歷程，單片機今后將向多功能、高性能、高速度、低電壓、低功耗、低價格、外圍電路簡單化以及片內存儲器容量增加的方向發展。但其位數不一定會繼續增加，盡管現在已經有了 32 位單片機，但使用的并不多。可以預言，今后的單片機將是功能更強、集成度和可靠性更高而功耗更低、以及使用更方便等特點。此外，專用化也是單片機的一個發展方向，針對單一用途的專用單片機將會越來越多。 隨著微電子技術和超大規模集成電路技術的發展，單片機真正意義上的嵌入式系統的出現。單片機能最好地滿足嵌入式應用的環境要求，例如，芯片級的物理空間、大規模集成電路的低價位、良好的外圍接口總線和突出控制功能的指令系統。單片機有計算機系統內核，嵌入到電子系統中，為電子系統智能化奠定了基礎。因此，當前單片機在電子系統中的廣泛使用，使經典電子系統迅速過渡到智能化的現代電子系統。又單片微型計算機以其體積小、性價比高、功能強、可靠性高等獨有特點，在各天津職業技術師范大學 2020 屆本科生畢業設計 5 個領域（如工業控制、家電產品、汽車電子、通信、智能儀器儀表）得到廣泛應用。 臺燈的發展現狀 臺燈本來是一個非常簡單的照明工具， 就是一個電源加一個燈泡， 但是隨著科技的進步，人們開始對臺燈的功能要求也開始日漸提高 。所以它的功能也由簡單的照明開始向其他的節能和護眼等方面發展，有些臺燈還添加了鬧鐘和定時等功能。 護眼臺燈 的護眼原理 護眼臺燈 主要由單端熒光燈和燈具兩部分組成。單端熒光燈為節能燈；燈具里的主要電器元件是電子鎮流器和啟動器。 它的工作原理是 把低頻閃提高至高頻閃，這種護眼燈采用變頻電子鎮流器，將電頻率由 50H z 提高至 5500H z以減少頻閃，采用三基色熒光粉，減少了炫光效應，使得光線柔和不刺目，使人眼感受不到頻閃不適，以此來減輕視力疲勞。頻閃效應是所有熒光燈管的一個測試指標：頻閃越少，照明效果越好 。 普通臺燈 在 50赫茲的交流電狀態下正常工作的時候，每秒鐘會發生閃爍 100 次左右，如此高的閃爍頻率，光靠人眼是看不出來的。因此，在臺燈下 用燈 時間一長，再加上不注意用眼衛生，極其容易發生近視。而護眼燈的原理則是將 50 赫茲的電頻率提高到 40000 至 55000赫茲，而相應的臺燈每秒鐘的閃爍頻率就會大幅度下降，有的甚至可以下降為零，從而起到保護視力的功能。但是，目前燈具市場里的不少品牌的護眼燈的質量不過關，護眼燈 的 內部 電頻率根本無法達到質量要求的 40000 赫茲以上的要求。 節能臺燈 一般的節能臺燈都是在燈泡上做研究，盡量使 用節能燈具，可以把白熾燈泡換成LED的節能型燈泡。 近年來 隨著綠色照明概念的提出，研制新型的環保節能臺燈成為當務之急。 目前已有專業人員 研發出半導體環保節能臺燈，將半導體 LED 用于室內照明 。 這是一款 實用新型的臺燈，由于以發光二極管為光源，再配以專門設計的外形結構，可極大限度地利用光的效率，給人以溫馨或者恬靜的感覺，特別適用于家庭、賓館以及辦公室等環境的工作、學習、休息等照明與裝飾的需要，由于基本消除了頻閃，使得燈光對視力保健更有效果，同時，還具有節省電能的效能。本實用新型臺燈提供的光線照度均勻、無閃爍，并且產品 使用壽命長、省電、反應速度快、環保、防爆、冷光源、安全性高，適合一般的工作、學習、居住等局部照明之用。 相信隨著科技的發展，未來的照明光源將以環保節能的半導體發光器件為主，更易控制和實現多功能化和智能化。 天津職業技術師范大學 2020 屆本科生畢業設計 6 研究內容 隨著智能化技術的飛速發展，智能化家用電器的日益普及，作為千家萬戶日常使用的家用小電器 智能節能臺燈也應運而生。智能臺燈是利用單片機的本文設計是選擇了 Atmega16 作為控制芯片。將硬件設計分為傳感器及信號處理部分、以 Atmega16組成的中央處理單元、提醒電路及 LED 驅動電路。對各部分 功能作用予以詳細說明。軟件設計采用模塊化結構，將各模塊設計完成后進行總調。 本文第一章為緒論，闡述了結合了單片機的智能化技術在家用電器領域中的應用，詳細介紹了智能節能臺燈研究的意義及未來臺燈的發展趨勢。 第二章對中央控制單元做了詳細的介紹，選擇了 Atmega16 作為控制器，對其功能、特性做了詳細說明。 第三章對傳感器的概念及其特性進行簡單的介紹，對本文設計用到的熱釋電紅外傳感器和光敏電阻的工作原理及其特性進行詳細的說明。 第四章對智能節能臺燈的硬件進行設計，劃分成為傳感器信號處理，單片機最小系統以及 LED驅 動 電路和 提醒 電路，分別設計出電路結構，并說明其功能作用。 第五章介紹了智能節能臺燈的軟件設計，根據硬件結構，先畫出總的程序框圖，結合臺燈設計需要的效果，用 C語言編出程序。 第六章是本論文的總結和進一步工作展望。 天津職業技術師范大學 2020 屆本科生畢業設計 7 2 AVR單片機的特點及功能簡介 系統構成框圖 圖 21 系統構成框圖 單片機的特點 AVR 單片機硬件結構采取 8 位機與 16 位機的折中策略，即采用局部寄存器 (32個寄存器文件 )和單體高速輸入 /輸出的方案 (即輸入捕獲寄存器、輸 出比較匹配寄存器及相應控制邏輯 )。提高了指令執行速度 (1Mips/MHz)，克服了瓶頸現象，增強了功能；同時又減少了對外設管理的開銷，相對簡化了硬件結構，降低了成本。故 AVR 單片機在軟 /硬件開銷、速度、性能和成本諸多方面取得了優化平衡，是高性價比的單片機。 AVR 單片機的 I/O 線全部帶可設置的上拉電阻、可單獨設定為輸入 /輸出、可設定（初始）高阻輸入、驅動能力強（可省去功率驅動器件）等特性，使 I/O 口的資源靈活、功能強大、可充分利用。 AVR 單片機有自動上電復位電路、獨立的看門狗電路、低電壓檢測電路 BOD，多個復位源 (自動上電或下電復位、外部復位、看門狗復位、 BOD 復位 )，可設置的啟動后延時運行程序，增強了嵌入式系統的可靠性。 AVR 單片機技術體現了單片機集多種器件 (包括 FLASH 程序存儲器、看門狗、EEPROM、同 /異步串行口、 TWI、 SPI、 A/D 模數轉換器、定時器 /計數器等 )和多種熱釋電紅外模塊 紅外避障傳感器 光照傳感器 ATmega16 蜂鳴器電路 時間顯示電路 LED 指示電路 模式開關 天津職業技術師范大學 2020 屆本科生畢業設計 8 功能于一身，充分體現了單片機技術的從 “片自為戰 ”向 “片上系統 SOC”過渡的發展方向。 綜上所述， AVR 單片機博采眾長，又具獨特技術，是 8 位機中的佼佼者。它具備了高可靠性、功能強、高速度、低功耗和低價位的特點。也正因為此， 本系統使用了 AVR 單片機中的一款高端單片機 Atmage16 作為控制核心。 下圖為 ATmega16 管腳圖 。 圖 22 ATmega16 管腳圖 單片機的串口功能 單片機作為控制核心其首要職能是接收上位機送來的數據并作相應處理。而通信的可靠性和有效性直接影響到了系統的功能。由于本設計采用的是有線通信，有較好的可靠性，而 AVR 單片機本身有著強大的串行通信能力，只要對 Atmage16 內部進行設置就可實現簡單通信。 AVR 單片機的通用同步和異步串行接收器和轉發器 (USART) 是一個高 度靈活的串行通訊設備。主要特點為： （ 1）全雙工操作 ( 獨立的串行接收和發送寄存器 )； （ 2）異步或同步操作； （ 3）主機或從機提供時鐘的同步操作； （ 4）高精度的波特率發生器； （ 5）支持 5, 6, 7, 8, 或 9 個數據位和 1 個或 2 個停止位； PB0 (XCK/T0)1PB1 (T1)2PB2 (AIN0/INT2)3PB3 (AIN1/OC0)4PB4 (SS)5PB5 (MOSI)6PB6 (MISO)7PB7 (SCK)8RESET9PD0 (RXD)14PD1 (TXD)15PD2 (INT0)16PD3 (INT1)17PD4 (OC1B)18PD5 (OC1A)19PD6 (ICP)20PD7 (OC2)21XTAL212XTAL113GND11PC0 (SCL)22PC1 (SDA)23PC2 (TCK)24PC3 (TMS)25PC4 (TDO)26PC5 (TDI)27PC6 (TOSC1)28PC7 (TOSC2)29AREF32AVCC30GND31PA7 (ADC7)33PA6 (ADC6)34PA5 (ADC5)35PA4 (ADC4)36PA3 (ADC3)37PA2 (ADC2)38PA1 (ADC1)39PA0 (ADC0)40VCC10U1ATmega16L天津職業技術師范大學 2020 屆本科生畢業設計 9 （ 6）硬件支持的奇偶