一种随动式自适应台灯设计
目 录
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究意义 1
2 本课题方案综述 2
2.1 自适应装置 2
2.2 自适应装置的应用 2
2.3 本课题方案设计 3
3 具体方案 3
3.1 系统组成3
3.2 单片机控制模块5
3.3 人体红外信号检测模块7
3.4 数模转换模块10
3.5 红外避障模块12
3.6 触摸控制模块13
3.7 提醒模块14
3.8 其他模块15
4 软件设计17
4.1 开发语言介绍17
4.2 单片机主程序17
5 展望设计21
5.1 设计目标21
5.2 设计方案22
6 外观设计24
7 实物制作26
结论 27
致谢 28
参考文献29
1 绪论
1.1 研究背景
众所周知，台灯是家家户户必备的照明工具。然而，过去的台灯只有简单单一的照明功能，即用户需要在台灯下工作时，手动打开台灯开关，台灯即工作；当用户工作完毕后，需要用户手动关闭台灯。
但是这种单一功能的台灯同时也存在着一些问题：有的时候，有的用户在灯下工作完成后，会忘记关灯而直接离开，台灯就一直亮着；当室内光线充足明亮的时候，此时没有开灯的必要，但有的人仍习惯性的打开台灯工作，这样就造成了很大的能源资源浪费。在夜幕降临时，人们从室外走进室内，虽然最近都流行在房间门口安装开关，但是在一些 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
老的住宅楼中，人们往往还需要摸黑开灯，这样就给人们的生活造成了诸多的不便。此外，当人在读书写字时有时过于靠近书本，不仅人的身体部位挡住了部分灯光，使得工作区域的灯光亮度变得很暗，此时台灯就没有起到应有的作用；而且对用户的视力存在一定的伤害。
1.2 研究意义
本课题通过设计一种智能的台灯，当环境光强较弱，且台灯检测到有人在台灯附近时，台灯能自动开启；当用户与桌面的距离太近时，台灯自动感应，就会发出一个信号（本文采用蜂鸣器的形式），提醒用户注意坐姿；台灯在工作时会随着环境光强的变化改变照明亮度。当用户工作累了需要休息时，可以通过触摸按键直接关闭台灯，避免了用户伏案休息时，由于蜂鸣器检测到人离桌面太近而鸣叫提醒，对用户休息产生影响。当台灯在开启状态，检测到没有人在台灯的工作检测范围内时，台灯会自动关闭，以节约资源。
这种台灯通过智能控制，可以有效的节约电力资源，并在一定的程度上保护了用户的视力。我国是一个人口大国，所以尽管我国自然资源种类丰富并且数量较多，但是实际上人均资源占有量很少。我国资源利用的现状是资源利用率低且资源浪费严重，所以我们必须要作出实际行动来节约资源。要想节约资源，公众的节能意识固然是十分重要的，但是在科技飞速发展的现代，我们可以通过科技手段为节约资源做出贡献。此外，该台灯可以实时判断用户在工作时与桌面的距离，当用户过于靠近桌面的时候，台灯能够发出警告提示，对用户视力的保护起到了一定的作用。当用户伏案休息时，可以直接关闭台灯。避免了蜂鸣器由于检测到人体离桌面太近而持续发声提醒，影响用户休息。这样既可以节约电力资源，又有较好的用户体验。
2 本课题方案概述
本课题为“一种随动式自适应台灯设计”。采用单片机作为系统的控制部分。本课题中采用的单片机型号为AT89C52型，选用该型号单片机的原因将在下文进行介绍。整个台灯的系统主要通过热释电红外传感器、光强控制电路、提醒警告电路、触摸按键模块等部分组成。在软件部分，采用C语言进行编程。人体红外辐射信号被热释电红外传感器感应检测后，信号将被传给单片机。单片机将接收到的信号由模拟量转换成数字量；同理，光强信号等其他信号也是进行如此处理。这种台灯系统有较强的灵活性，方便操作且可靠性高。所以将会有比较好的用户体验和更加广阔的开发前景。
2.1 自适应装置
目前，国内外都没有关于自适应控制系统的官方统一定义。一般对自适应的理解是：自适应是指物体（多指生物）通过改变自己的习性（生物指生存方式），用来适应新的环境的一种特征。因此，自适应装置应当是指设备能通过改变自己的特性（工作方式），以适应对象的动态特性变化的一种装置。
自适应系统有以下特征：
(1)过程信息的在线积累。被控对象的模型参数具有不确定性，可以采用在线积累过程信息的方法将这种不确定性降低。这是系统在线辨识被控对象模型参数的一种基本的方法。
(2)性能指标的控制决策。我们可以通过实际的测算得到既有的系统性能与期望性能之间的偏差，这个偏差有助于随时调整控制策略。这样就可以使得系统实际性能的各项参数更加接近于预期性能，并且可以通过实时监控进行调整和保持。
(3)可调控制器的修正。当控制策略已经确定后，通过在调整相关可调的参数，或增加辅助控制信号来实现自适应控制[1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
]。
2.2 自适应装置的应用
自适应控制系统最早的应用是在航空领域。因为飞机的动力学特性由许多的环境因素和结构参数决定。比如，飞机的动力学参数可能在一个较大的范围内随着飞机飞行的高度和速度的不同而随时变化着。人们很难依靠经典的控制理论使得飞机在整个飞行高度与速度范围内保证飞行的绝对安全。为了解决上述所面临的的问题（即自动控制方面），科技工作者提出并设计了自适应控制的方案。自适应控制技术一直在不停的发展，并且应用于各个工业部门。除了在航空航天领域的应用，还应用于航海、钢铁、化工、冶金、电力拖动等各个方面；近年来还在非工业部门进行推广和应用，例如生物医学部门。我们可以相信，自适应控制的应用会随着理论的不断完善和计算机技术的迅速提高，将会越来越广泛的应用于生产和生活的各个领域，为人类造福。
2.3 本课题方案设计
本文设计了一种随动式自适应台灯，能够做到：当外界的环境光比较暗的时候，并且有人在台灯的检测范围内，台灯便会自动开启，避免了用户摸黑开灯的麻烦；当用户在灯下工作且身体过于靠近桌面的时候，台灯会检测到，并且对用户发出警告信号（本课题采用蜂鸣器），以纠正用户的坐姿，保护用户的视力；当用户伏案休息时，可以直接关闭台灯。避免了蜂鸣器由于检测到人体离桌面太近而持续发声提醒，影响用户休息；当台灯在开启状态，检测到没有人在台灯的工作检测范围内时，台灯会自动关闭，以节约资源。
依据本文的设计方案，本设计选用AT89C52型单片机。
单片机是一种集成电路芯片，也可以看作是一种芯片级的计算机。单片机的最大的特点是“小而精悍”，它虽然体积小，但是集成了很多外部设备的功能到芯片内部。单片机内的中央处理器（CPU）、只读存储器（ROM）、随机存储器（RAM）这三部分通过内部总线集成于一起。
AT89C51型单片机是最常用的51系列单片机，因为其操作简单方便的特点，所以被广泛的使用，已经是51系列单片机中的经典型号。
使用上拉电阻的原因是其可以对某些不稳定的信号起稳定的作用，将波动的信号稳定在高电平。同时也起到一部分限流的作用。
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究意义 1
2 本课题方案综述 2
2.1 自适应装置 2
2.2 自适应装置的应用 2
2.3 本课题方案设计 3
3 具体方案 3
3.1 系统组成3
3.2 单片机控制模块5
3.3 人体红外信号检测模块7
3.4 数模转换模块10
3.5 红外避障模块12
3.6 触摸控制模块13
3.7 提醒模块14
3.8 其他模块15
4 软件设计17
4.1 开发语言介绍17
4.2 单片机主程序17
5 展望设计21
5.1 设计目标21
5.2 设计方案22
6 外观设计24
7 实物制作26
结论 27
致谢 28
参考文献29
1 绪论
1.1 研究背景
众所周知，台灯是家家户户必备的照明工具。然而，过去的台灯只有简单单一的照明功能，即用户需要在台灯下工作时，手动打开台灯开关，台灯即工作；当用户工作完毕后，需要用户手动关闭台灯。
但是这种单一功能的台灯同时也存在着一些问题：有的时候，有的用户在灯下工作完成后，会忘记关灯而直接离开，台灯就一直亮着；当室内光线充足明亮的时候，此时没有开灯的必要，但有的人仍习惯性的打开台灯工作，这样就造成了很大的能源资源浪费。在夜幕降临时，人们从室外走进室内，虽然最近都流行在房间门口安装开关，但是在一些 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
老的住宅楼中，人们往往还需要摸黑开灯，这样就给人们的生活造成了诸多的不便。此外，当人在读书写字时有时过于靠近书本，不仅人的身体部位挡住了部分灯光，使得工作区域的灯光亮度变得很暗，此时台灯就没有起到应有的作用；而且对用户的视力存在一定的伤害。
1.2 研究意义
本课题通过设计一种智能的台灯，当环境光强较弱，且台灯检测到有人在台灯附近时，台灯能自动开启；当用户与桌面的距离太近时，台灯自动感应，就会发出一个信号（本文采用蜂鸣器的形式），提醒用户注意坐姿；台灯在工作时会随着环境光强的变化改变照明亮度。当用户工作累了需要休息时，可以通过触摸按键直接关闭台灯，避免了用户伏案休息时，由于蜂鸣器检测到人离桌面太近而鸣叫提醒，对用户休息产生影响。当台灯在开启状态，检测到没有人在台灯的工作检测范围内时，台灯会自动关闭，以节约资源。
这种台灯通过智能控制，可以有效的节约电力资源，并在一定的程度上保护了用户的视力。我国是一个人口大国，所以尽管我国自然资源种类丰富并且数量较多，但是实际上人均资源占有量很少。我国资源利用的现状是资源利用率低且资源浪费严重，所以我们必须要作出实际行动来节约资源。要想节约资源，公众的节能意识固然是十分重要的，但是在科技飞速发展的现代，我们可以通过科技手段为节约资源做出贡献。此外，该台灯可以实时判断用户在工作时与桌面的距离，当用户过于靠近桌面的时候，台灯能够发出警告提示，对用户视力的保护起到了一定的作用。当用户伏案休息时，可以直接关闭台灯。避免了蜂鸣器由于检测到人体离桌面太近而持续发声提醒，影响用户休息。这样既可以节约电力资源，又有较好的用户体验。
2 本课题方案概述
本课题为“一种随动式自适应台灯设计”。采用单片机作为系统的控制部分。本课题中采用的单片机型号为AT89C52型，选用该型号单片机的原因将在下文进行介绍。整个台灯的系统主要通过热释电红外传感器、光强控制电路、提醒警告电路、触摸按键模块等部分组成。在软件部分，采用C语言进行编程。人体红外辐射信号被热释电红外传感器感应检测后，信号将被传给单片机。单片机将接收到的信号由模拟量转换成数字量；同理，光强信号等其他信号也是进行如此处理。这种台灯系统有较强的灵活性，方便操作且可靠性高。所以将会有比较好的用户体验和更加广阔的开发前景。
2.1 自适应装置
目前，国内外都没有关于自适应控制系统的官方统一定义。一般对自适应的理解是：自适应是指物体（多指生物）通过改变自己的习性（生物指生存方式），用来适应新的环境的一种特征。因此，自适应装置应当是指设备能通过改变自己的特性（工作方式），以适应对象的动态特性变化的一种装置。
自适应系统有以下特征：
(1)过程信息的在线积累。被控对象的模型参数具有不确定性，可以采用在线积累过程信息的方法将这种不确定性降低。这是系统在线辨识被控对象模型参数的一种基本的方法。
(2)性能指标的控制决策。我们可以通过实际的测算得到既有的系统性能与期望性能之间的偏差，这个偏差有助于随时调整控制策略。这样就可以使得系统实际性能的各项参数更加接近于预期性能，并且可以通过实时监控进行调整和保持。
(3)可调控制器的修正。当控制策略已经确定后，通过在调整相关可调的参数，或增加辅助控制信号来实现自适应控制[1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
]。
2.2 自适应装置的应用
自适应控制系统最早的应用是在航空领域。因为飞机的动力学特性由许多的环境因素和结构参数决定。比如，飞机的动力学参数可能在一个较大的范围内随着飞机飞行的高度和速度的不同而随时变化着。人们很难依靠经典的控制理论使得飞机在整个飞行高度与速度范围内保证飞行的绝对安全。为了解决上述所面临的的问题（即自动控制方面），科技工作者提出并设计了自适应控制的方案。自适应控制技术一直在不停的发展，并且应用于各个工业部门。除了在航空航天领域的应用，还应用于航海、钢铁、化工、冶金、电力拖动等各个方面；近年来还在非工业部门进行推广和应用，例如生物医学部门。我们可以相信，自适应控制的应用会随着理论的不断完善和计算机技术的迅速提高，将会越来越广泛的应用于生产和生活的各个领域，为人类造福。
2.3 本课题方案设计
本文设计了一种随动式自适应台灯，能够做到：当外界的环境光比较暗的时候，并且有人在台灯的检测范围内，台灯便会自动开启，避免了用户摸黑开灯的麻烦；当用户在灯下工作且身体过于靠近桌面的时候，台灯会检测到，并且对用户发出警告信号（本课题采用蜂鸣器），以纠正用户的坐姿，保护用户的视力；当用户伏案休息时，可以直接关闭台灯。避免了蜂鸣器由于检测到人体离桌面太近而持续发声提醒，影响用户休息；当台灯在开启状态，检测到没有人在台灯的工作检测范围内时，台灯会自动关闭，以节约资源。
依据本文的设计方案，本设计选用AT89C52型单片机。
单片机是一种集成电路芯片，也可以看作是一种芯片级的计算机。单片机的最大的特点是“小而精悍”，它虽然体积小，但是集成了很多外部设备的功能到芯片内部。单片机内的中央处理器（CPU）、只读存储器（ROM）、随机存储器（RAM）这三部分通过内部总线集成于一起。
AT89C51型单片机是最常用的51系列单片机，因为其操作简单方便的特点，所以被广泛的使用，已经是51系列单片机中的经典型号。
使用上拉电阻的原因是其可以对某些不稳定的信号起稳定的作用，将波动的信号稳定在高电平。同时也起到一部分限流的作用。
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