【文章內(nèi)容簡介】 近年來，我國青少年近視發(fā)病率節(jié)節(jié)上升，發(fā)病人數(shù)居全球首位，達(dá)到歷史空前水平。全國政協(xié)委員、沈陽何氏眼科醫(yī)院院長何偉呼吁，關(guān)注我國青少年視力健康，切實加強(qiáng)中小學(xué)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(fā)病率居世界第二，人數(shù)居世界第一，且漸趨低齡化，中小學(xué)生近視檢出率為％ (城市 ％、農(nóng)村 ％ )，高中以上學(xué)生更是高達(dá) 70％。 近視正嚴(yán)重危害青少年的健康成長，同時影響我國高素質(zhì)人才職業(yè)的篩選，縮小特殊職業(yè)人員的選取范圍，更是對實現(xiàn)我國二十一世紀(jì)健康目標(biāo)的嚴(yán)重挑戰(zhàn)。多年來近視眼病在我國、日、韓和東南亞地區(qū)特別嚴(yán)重，時時影響著青少年的學(xué)習(xí)、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(shù)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(diào)理和緩解作用，而手術(shù)和激光治療有嚴(yán)格的年齡限制，而且還包含著嚴(yán)重的隱患和風(fēng)險。除了遺傳原因，誘發(fā)學(xué)生患近視眼病的根源有多種，必須從誘發(fā)的所有根源上做起，才能真正防止。 我國的中小學(xué)生之所以出現(xiàn)這么嚴(yán)重的近視問題，原因是他們在平時在燈下學(xué)習(xí)或做作業(yè)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(xiàn)了近視眼。目前市場上出售的調(diào)光臺燈多為手動式，即根據(jù)使用者 的需要，用手轉(zhuǎn)動調(diào)光旋鈕，改變臺燈的亮度，雖然有節(jié)約用電的作用，但無防近視功能。為使中、小學(xué)生在燈下看書或做作業(yè)時，不能離燈 太 近，若超過規(guī)定 (即調(diào)定 )的距離，燈光便自動變暗乃至熄滅，而離開規(guī)定距離，燈光則自動變亮，我們設(shè)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(yǎng)成良好的讀書寫字姿勢，保護(hù)好視力 防止近視眼，這個功能都是 臺燈根據(jù)人體探測電路的輸出信號來 控制，如果晚上工作學(xué)習(xí)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(jīng)提醒電路暗燈提醒未離開則在單片機(jī)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(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 4 課題的發(fā)展現(xiàn)狀 單片機(jī)在本次智能節(jié)能臺燈設(shè)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(jī)的控制下工作。下面就介紹一下智能節(jié)能臺燈的大腦，單片機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r以及在各個領(lǐng)域中的實際應(yīng)用。在對其熟悉的基礎(chǔ)上對它進(jìn)行合理的利用。 單片機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 微型計算機(jī)即單片機(jī)， 1976 年 Intel 公司推出了 8 位的 MCS48系列單片機(jī)，它以等特點(diǎn)，贏得了廣泛的應(yīng)用和好評，為單片機(jī)的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)，成為 單片機(jī)發(fā)展史上一個重要階段。其后，在 MCS48 成功的刺激下，許多半導(dǎo)體芯片在生產(chǎn)廠商競相研制和發(fā)展自己的單片機(jī)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(jī)產(chǎn)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(jī)品種。 盡管目前單片機(jī)的品種很多，但是我國使用最多的是 Intel 公司的 MCS51 單片機(jī)系列。 MCS51 系列是在 MCS48 的 基礎(chǔ)上 在 上世紀(jì)八十年代初發(fā)展起來的，雖然它是 8 位的單片機(jī)，但其功能較 MCS48 有很大的增強(qiáng)。此外，它還具有品種全、兼容性強(qiáng)、軟硬件資料豐富等特點(diǎn)，因此應(yīng)用愈加廣泛，直到現(xiàn)在， MCS51 仍不失為單片機(jī)的主流系列。繼 8位單片機(jī)之后，又出現(xiàn)了 16 位單片機(jī)， 1983 年 Intel 公司推出的 MCS96 系列 處理器。 單片機(jī)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(nèi)還增加了一個4路或 8 路的 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，使其具有 A/D 轉(zhuǎn)換的功能。 縱觀單片機(jī) 近 30 年的發(fā)展歷程，單片機(jī)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(nèi)存儲器容量增加的方向發(fā)展。但其位數(shù)不一定會繼續(xù)增加，盡管現(xiàn)在已經(jīng)有了 32 位單片機(jī)，但使用的并不多?？梢灶A(yù)言，今后的單片機(jī)將是功能更強(qiáng)、集成度和可靠性更高而功耗更低、以及使用更方便等特點(diǎn)。此外，專用化也是單片機(jī)的一個發(fā)展方向，針對單一用途的專用單片機(jī)將會越來越多。 隨著微電子技術(shù)和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)真正意義上的嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)。單片機(jī)能最好地滿足嵌入式應(yīng)用的環(huán)境要求，例如，芯片級的物理空間、大規(guī)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(tǒng)。單片機(jī)有計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)核，嵌入到電子系統(tǒng)中，為電子系統(tǒng)智能化奠定了基礎(chǔ)。因此，當(dāng)前單片機(jī)在電子系統(tǒng)中的廣泛使用，使經(jīng)典電子系統(tǒng)迅速過渡到智能化的現(xiàn)代電子系統(tǒng)。又單片微型計算機(jī)以其體積小、性價比高、功能強(qiáng)、可靠性高等獨(dú)有特點(diǎn)，在各天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 5 個領(lǐng)域（如工業(yè)控制、家電產(chǎn)品、汽車電子、通信、智能儀器儀表）得到廣泛應(yīng)用。 臺燈的發(fā)展現(xiàn)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(jìn)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(jié)能和護(hù)眼等方面發(fā)展，有些臺燈還添加了鬧鐘和定時等功能。 護(hù)眼臺燈 的護(hù)眼原理 護(hù)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(jié)能燈；燈具里的主要電器元件是電子鎮(zhèn)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(hù)眼燈采用變頻電子鎮(zhèn)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(yīng)，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(yīng)是所有熒光燈管的一個測試指標(biāo)：頻閃越少，照明效果越好 。 普通臺燈 在 50赫茲的交流電狀態(tài)下正常工作的時候，每秒鐘會發(fā)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(wèi)生，極其容易發(fā)生近視。而護(hù)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(yīng)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(hù)視力的功能。但是，目前燈具市場里的不少品牌的護(hù)眼燈的質(zhì)量不過關(guān)，護(hù)眼燈 的 內(nèi)部 電頻率根本無法達(dá)到質(zhì)量要求的 40000 赫茲以上的要求。 節(jié)能臺燈 一般的節(jié)能臺燈都是在燈泡上做研究，盡量使 用節(jié)能燈具，可以把白熾燈泡換成LED的節(jié)能型燈泡。 近年來 隨著綠色照明概念的提出，研制新型的環(huán)保節(jié)能臺燈成為當(dāng)務(wù)之急。 目前已有專業(yè)人員 研發(fā)出半導(dǎo)體環(huán)保節(jié)能臺燈，將半導(dǎo)體 LED 用于室內(nèi)照明 。 這是一款 實用新型的臺燈，由于以發(fā)光二極管為光源，再配以專門設(shè)計的外形結(jié)構(gòu)，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(huán)境的工作、學(xué)習(xí)、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(jié)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(chǎn)品 使用壽命長、省電、反應(yīng)速度快、環(huán)保、防爆、冷光源、安全性高，適合一般的工作、學(xué)習(xí)、居住等局部照明之用。 相信隨著科技的發(fā)展，未來的照明光源將以環(huán)保節(jié)能的半導(dǎo)體發(fā)光器件為主，更易控制和實現(xiàn)多功能化和智能化。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 6 研究內(nèi)容 隨著智能化技術(shù)的飛速發(fā)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(jié)能臺燈也應(yīng)運(yùn)而生。智能臺燈是利用單片機(jī)的本文設(shè)計是選擇了 Atmega16 作為控制芯片。將硬件設(shè)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(qū)動電路。對各部分 功能作用予以詳細(xì)說明。軟件設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，將各模塊設(shè)計完成后進(jìn)行總調(diào)。 本文第一章為緒論，闡述了結(jié)合了單片機(jī)的智能化技術(shù)在家用電器領(lǐng)域中的應(yīng)用，詳細(xì)介紹了智能節(jié)能臺燈研究的意義及未來臺燈的發(fā)展趨勢。 第二章對中央控制單元做了詳細(xì)的介紹，選擇了 Atmega16 作為控制器，對其功能、特性做了詳細(xì)說明。 第三章對傳感器的概念及其特性進(jìn)行簡單的介紹，對本文設(shè)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(jìn)行詳細(xì)的說明。 第四章對智能節(jié)能臺燈的硬件進(jìn)行設(shè)計，劃分成為傳感器信號處理，單片機(jī)最小系統(tǒng)以及 LED驅(qū) 動 電路和 提醒 電路，分別設(shè)計出電路結(jié)構(gòu)，并說明其功能作用。 第五章介紹了智能節(jié)能臺燈的軟件設(shè)計，根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)，先畫出總的程序框圖，結(jié)合臺燈設(shè)計需要的效果，用 C語言編出程序。 第六章是本論文的總結(jié)和進(jìn)一步工作展望。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 7 2 AVR單片機(jī)的特點(diǎn)及功能簡介 系統(tǒng)構(gòu)成框圖 圖 21 系統(tǒng)構(gòu)成框圖 單片機(jī)的特點(diǎn) AVR 單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)采取 8 位機(jī)與 16 位機(jī)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(yīng)控制邏輯 )。提高了指令執(zhí)行速度 (1Mips/MHz)，克服了瓶頸現(xiàn)象，增強(qiáng)了功能；同時又減少了對外設(shè)管理的開銷，相對簡化了硬件結(jié)構(gòu)，降低了成本。故 AVR 單片機(jī)在軟 /硬件開銷、速度、性能和成本諸多方面取得了優(yōu)化平衡，是高性價比的單片機(jī)。 AVR 單片機(jī)的 I/O 線全部帶可設(shè)置的上拉電阻、可單獨(dú)設(shè)定為輸入 /輸出、可設(shè)定（初始）高阻輸入、驅(qū)動能力強(qiáng)（可省去功率驅(qū)動器件）等特性，使 I/O 口的資源靈活、功能強(qiáng)大、可充分利用。 AVR 單片機(jī)有自動上電復(fù)位電路、獨(dú)立的看門狗電路、低電壓檢測電路 BOD，多個復(fù)位源 (自動上電或下電復(fù)位、外部復(fù)位、看門狗復(fù)位、 BOD 復(fù)位 )，可設(shè)置的啟動后延時運(yùn)行程序，增強(qiáng)了嵌入式系統(tǒng)的可靠性。 AVR 單片機(jī)技術(shù)體現(xiàn)了單片機(jī)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(shù)轉(zhuǎn)換器、定時器 /計數(shù)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(guān) 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 8 功能于一身，充分體現(xiàn)了單片機(jī)技術(shù)的從 “片自為戰(zhàn) ”向 “片上系統(tǒng) SOC”過渡的發(fā)展方向。 綜上所述， AVR 單片機(jī)博采眾長，又具獨(dú)特技術(shù)，是 8 位機(jī)中的佼佼者。它具備了高可靠性、功能強(qiáng)、高速度、低功耗和低價位的特點(diǎn)。也正因為此， 本系統(tǒng)使用了 AVR 單片機(jī)中的一款高端單片機(jī) Atmage16 作為控制核心。 下圖為 ATmega16 管腳圖 。 圖 22 ATmega16 管腳圖 單片機(jī)的串口功能 單片機(jī)作為控制核心其首要職能是接收上位機(jī)送來的數(shù)據(jù)并作相應(yīng)處理。而通信的可靠性和有效性直接影響到了系統(tǒng)的功能。由于本設(shè)計采用的是有線通信，有較好的可靠性，而 AVR 單片機(jī)本身有著強(qiáng)大的串行通信能力，只要對 Atmage16 內(nèi)部進(jìn)行設(shè)置就可實現(xiàn)簡單通信。 AVR 單片機(jī)的通用同步和異步串行接收器和轉(zhuǎn)發(fā)器 (USART) 是一個高 度靈活的串行通訊設(shè)備。主要特點(diǎn)為： （ 1）全雙工操作 ( 獨(dú)立的串行接收和發(fā)送寄存器 )； （ 2）異步或同步操作； （ 3）主機(jī)或從機(jī)提供時鐘的同步操作； （ 4）高精度的波特率發(fā)生器； （ 5）支持 5, 6, 7, 8, 或 9 個數(shù)據(jù)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(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 9 （ 6）硬件支持的奇偶