哈尔滨理工大学学士学位论文 第1章 绪论
1.1 课题研究背景
随着时代发展，节能、环保、健康等一系列话题被人们日益关注，照明是人们生活必不可少的一部分，我国年用电量5185.9万兆瓦，其中照明占到总用电量的12%，并且以每年3.44%的速度持续增长，如何更好地节约能源？作为照明，照明灯具的损耗，剩余材料丢弃，势必会造成环境的污染，如何才能使照明更加环保？据统计，我国39.3%的人有不同程度视力问题，由于不正确的用眼方式造成近视人数占到总人数的30%左右，因此用眼健康越来越被人重视。如何才能使照明更加健康，保护视力？
台灯已是千家万户的必需生活电器，经常由于忘记关灯而造成巨大的能源浪费。在我国,照明耗电占年发电总量的12% (超过100亿千瓦每小时) , 现在的台灯绝大部分是采用普通的白炽灯、荧光灯、节能灯和螺旋节能灯 ,并且控制方式多采用手动开关,不能连续调节，更不能自动调节。当夜晚来临时，人们又摸黑去开灯，非常不方便，与现在家电的智能化，人性化，低碳设计理念相违背。
LED被认为是21世纪的照明光源。LED发光器件是冷光源，光效高，工作电压低，而且能耗低，可控制好、无辐射，同样亮度下，LED能耗为白炽灯的10％，荧光灯的50％。LED寿命可达10万小时，是荧光灯的10倍，白炽灯的100倍。随着能源紧缺、电价越来越高、环保要求及LED的光效的提高,用LED替代现在台灯普遍使用的白炽灯或荧光灯，环保无污染。另外，LED的光谱几乎全部集中于可见光频段,其发光效率可达80～90%，并且传统的台灯中的光源体使用的是交流电，所以每秒钟会产生100－120次的频闪。LED灯是把交流电直接转换为直流电，不会产生闪烁现象，保护眼睛，可以获得“柔和”的灯光环境。
另外一个情况是现在中国约30%的人有不同程度的视力问题，其中近视是主要问题，近年来，我国的近视率已上升为全球第二，仅次于日本，但近视的总人数确是全球第一。引起近视的主要原因是用眼不健康，如用连续用眼时间过长，看书，学习时的坐姿不正确等。
解决以上问题迫在眉睫。
1.2 系统方案的提出
通过采用LED照明，提高电能利用率，利用传感器检测，微处理器控制，实现自动调光、视力保护、安全合理多项功能的智能台灯。
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哈尔滨理工大学学士学位论文 1.2.1 LED优势
相较于普通照明，LED照明有以下主要优点：
（1）较长的使用寿命。白炽灯的发光机理是：通电时，电能流过发光钨丝，产生热能，使钨丝加热发光。因此，当经过相当长时间加热，钨丝就会发生老化甚至烧断，那么，白炽灯的寿命也就告终了。发光二极管（LED）的发光机理是由它的特殊结构决定的，它是由PN结晶片、两个电极和光学系统构成，当在电极两端加上正向偏置电压时，空穴和电子分别被注入到P区和N区，非平衡少数载流子和多数载流子发生复合，多余的能量以辐射光子的形式转化为光能，二极管是依赖于载流子的不断移动发光的，所以不存在老化或烧断，它的发光寿命可长达5~10万小时。 （2）发光效率高。实验测定，当LED通电发光时，可以把10%左右的电能转成光能，而普通白炽灯的转化效率仅有7%~8%，所以，当需要达到同等的照明效果时，LED灯比普通白炽灯更节能。
（3）发光响应速度快。LED灯的响应时间为10-7~10-9S，具有很好的高频特性，能显示脉冲信号，而白炽灯响应时间在ms级，高频特性差； （4）发光有较强的方向性，适用于定向照明。
（5）易控制。LED驱动可采用模拟调光、PWM脉宽调制、TRICA双向晶闸管调光方式、带总线接口LED驱动器、适配微控制（单片机或其他微处理器）等多种方式进行调光。
（6）绿色环保。普通节能灯（如荧光灯）工作原理是加热电阻丝，所以容易产生汞或其他重金属污染。
（7）使用灵活。因为LED的体积较小，所以可根据应用需求对LED灯进行灵活组合，其颜色也可进行灵活搭配。 （8）尺寸较小，防震动及抗冲性能好。
因此，我们提出新型LED智能多功能台灯方案。
1.2.2 方案简述
针对上述节能、环保、健康等问题研究，采用以STC89C52RC为主控制芯片，通过控制人体红外线感应模块GH-718C、时钟模块DS1302、光敏感应模块MG-52B、休息电路、1602液晶显示、三极管驱动LED电路多个模块，实现人走灯灭，自动手动两种调光方式，时间日期显示，休息提醒、保护视力的多功能LED智能台灯。系统框图如表1-1。
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图 1-1 系统框图
1.3 可实现功能
（1）可采用手动调光和自动调光两种调光方式，使光强时刻保持在合适亮度，保护视力。
（2）自动感应开关功能。自动感应点亮要满足两个条件：①有人在使用台灯范围内活动；②外界环境的光照强度较弱,且有人在台灯上的热释电红外的探测范围内活动并且环境光强较弱时，台灯点亮调光；或者用户可以无线遥控点亮台灯。当人离开后，延时一段时间后台灯渐渐熄灭。可实现人来灯亮，不必摸黑开灯，人走灯灭，减少用电浪费，更加节能与科学。
（3）日期时间显示功能。显示年、月、日及时间星期，休息提醒，可以使人直观了解时间，方便人们工作学习。
（4）用眼时间提醒，整点提醒，开启休息视力保护电路，并且蜂鸣器会发出短暂声音提醒，可以更好地预防出现视力问题。
（5）当用户使用台灯时的坐姿不正确时，系统也会发出声音提示，提醒用户纠正坐姿声音提醒使用者保持正确坐姿。
(6) 更加安全，通过电压转换，使交流220V转换为直流12V、5V电压，远远低于人体安全电压。
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哈尔滨理工大学学士学位论文 第2章 系统方案的选择
2.1 控制芯片的选择方案
选择嵌入式微处理器主要考虑因素有以下几个方面：
应用领域；一个产品的功能、性能一旦定制下来，其所在的应用领域也随之确定。应用领域的确定将缩小选型的范围。
自带资源；芯片自带资源越接近产品的需求，产品开发相对就越简单。可扩展资源，要求芯片可扩展存储器。
低功耗；低功耗的产品即节能又节财，甚至可以减少环境污染，还能增加可靠性，它有如此多的优点，因此低功耗也成了芯片选型时的一个重要指标。
芯片的可延续性及技术的可继承性，芯片的价格和供货也是必须考虑的因素，所以选型时尽量选择有量产的芯片，选择市面上使用较广的芯片，将会有比较多的共享资源，给开发带来许多方便。
2.1.1 STC89C52RC
STC89C52RC为40引脚双列直插式芯片，增强型8051单片机，工作电压3.3V~5.5V，片内集成8K字节ROM和512字节RAM，具有EEPROM功能，两个定时/计数器，具有看门狗功能，工作频率范围为0~40MHz，实际工作频率可达48MHz，有32个通用I/O口，可采用在系统编程（In system programming，简称ISP）或在应用编程（In application programming，简称IAP），无需专用编程器和仿真器，指令代码完全兼容传统8051。具有价格低廉、兼容性强、超强抗干扰能力、超低功耗等优点。
2.1.2 AVR单片机
AVR单片机硬件结构采取8位机与16位机的折中策略，即采用局部寄存器存堆(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单片机内嵌高质量的Flash程序存储器，擦写方便，支持ISP和IAP，便于产品的调试、开发、生产、更新。内嵌有长寿命EEPROM，可长期保存关键数据，避免断电丢失。片内大容量的RAM不仅能满足一般场合的使用，同时也更有效的支持使用高级语言开发系统程序，并可像MCS-51单片机那样扩展外部 RAM。
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哈尔滨理工大学学士学位论文 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，使的得I/O口资源灵活、功能强大、可充分利用。
AVR单片机片内具备多种独立的时钟分频器。
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单片机具有多种省电休眠模式，且可宽电压运行（5-1.8V），抗干扰能力强，可降低一般8位机中的软件抗干扰设计工作量和硬件的使用量。
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(增强可靠性的复位系统、降低功耗抗干扰的休眠模式、品种多门类全的中断系统、具输入捕获和比较匹配输出等多样化功能的定时器/计数器、具替换功能的I/O端口)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。
2.1.3 FPGA
FPGA（Field－Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。是专门作为（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来，就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变，所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。
FPGA一般来说比ASIC（专用集成芯片）的速度要慢，无法完成复杂的设计，但是功耗较低。但是他们也有很多的优点比如可以快速成品，可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA。因为这些芯片有比较差的可编辑能力，所以这些设计的开发是在普通的FPGA上完成的，然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。另外一种方法是用CPLD（复杂可编程逻辑器件备）。
2.1.4 主控制芯片的确定
STC89C52RC可以满足系统开发需要，而且使用普遍，开发编程环境容易实现，与其他系统兼容性强，开发成本低，较AVR和FPGA具有明显的价格优势，超强抗干扰能力、超低功耗、价格低廉等优点，最终选择作为系统控制芯片。
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