本实用新型设计自动检测控制领域，尤其涉及一种可以矫正坐姿和保护视力的台灯装置。
背景技术：
随着经济发展的加快，科学技术的进步，人们的生活水平不断提高，新材料、新技术、新设备也随之逐渐完善。台灯作为我们生活的必需品，人们已经并不满足于台灯只可以提供照明这一个功能，而是希望台灯在提供更好的照明效果的同时也可以提供其它的功能，更好的为他们的生产和生活服务。近年来，我国近视人群的数量不断增加，尤其是学生普遍的视力状况都不好，学校已然成为近视的重灾区。学生近视主要是进入21世纪，我国的科学教育水平不断提高，随着教育的普及，学生的数量增多，同时学生的学业任务也在加重，导致学生看书时间过长、用眼过度、坐姿不正确以及写字姿势不正确等这些不良行为，但是这类不良行为却很难被监管和改正。同时由调查可知，学生是台灯使用的第一大群体，他们每天都会花很长时间在台灯下学习、生活等。因此，针对学生群体，开发一种既可以提供优质的照明环境又可以帮助学生矫正坐姿、控制用眼时间和保护视力的台灯是非常有必要的。同时，在人们的日常生活中，台灯需要占据一定的书桌空间，这给很多的使用者带来了麻烦，而且，台灯比较容易沾染灰尘，一般都难以清理，这也是一直困扰人们的难题。因此，相比传统的只提供照明功能的台灯，拥有多功能的壁挂式台灯则具有更大的使用价值和升值空间。
技术实现要素：
根据以上现有台灯技术的不足，本实用新型提出的解决问题的技术是一种多功能的壁挂式的台灯系统，台灯底座和壁箱上的超声波模块正对人体胸部，通过台灯底座和壁箱上的超声波模块发射和接收超声波，将接收信号传入控制器，控制器测算人体和超声波模块之间的距离，距离一旦超过预先设置的阈值，自动控制报警器和台灯开关，实现报警功能。同时，台灯的上面，左面和右面各设置一个可以自动收缩的定位杆，定位杆外侧安装激光测距传感器模块，而且左面和右面定位杆上的激光测距传感器模块探头正对人体颈部，上面定位杆的激光测距传感器模块探头正对人头顶，通过发射激光和接收反射回来的激光的时间差测算定位杆和人体颈部的距离，设置阈值，距离一旦超过设置的阈值，自动控制报警器和台灯开关，实现报警功能。通过以上功能以实现矫正坐姿和保护视力目的。改系统配置有双向可转动灯头设计，可以实现不同条件下的台灯使用，以达到多功能的目的。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种壁挂式护眼台灯，包括激光测距传感器模块、控制器、报警器、定位杆和机械臂，所述机械臂的一端固定设置在墙体上，台灯连接在机械臂的另一端，台灯上固定设置有三个定位杆，分别设置在台灯的左侧、右侧和中间位置，定位杆的末端均设有激光测距传感器模块，所述定位杆包括第一步进电机、齿轮和伸缩杆，第一步进电机通过齿轮带动伸缩杆运动，所述机械臂包括第二步进电机和机械杆，第二步进电机连接机械杆，所述第一步进电机、第二步进电机、激光测距传感器模块、报警器和台灯均连接至控制器。所述台灯还包括壁箱和底座，机械壁的一端设置在壁箱内，另一端连接底座。所述护眼台灯还包括两个超声波模块，超声波模块均与控制器连接，分别位于底座上和壁箱外侧。所述护眼台灯还包括人体红外感应模块，人体红外感应模块与控制器连接。所述护眼台灯还设置有用于检测设定区域内电磁变化的电感式传感器模块，电感式传感器模块与控制器连接。所述台灯包括LED节能灯和人体红外控制LED镜灯。所述护眼台灯还设置有光敏感应器，光敏感应器与控制器连接。所述报警器为语音报警模块，语音报警模块与控制器连接。所述护眼台灯还设置有可以实现远程控制的蓝牙模块、实现人为控制的模拟开关模块、显示时间和温度的液晶显示模块以及自动检测台灯线路短路的烟雾报警模块，蓝牙模块、模拟开关模块、液晶显示模块和烟雾报警模块均与控制器连接。
本实用新型有益效果是:本实用新型以STM32单片机作为控制装置的智能部件，采用超声波模块和激光测距传感器模块定位人体坐姿，并及时矫正坐姿，达到保护视力的目的；台灯主体采用自动伸缩和灯箱壁挂的形式方便使用和台灯的保护与清洁，双向灯头设计可以方便夜晚使用者的照明需求。整个台灯系统使用都是比较常见的器件，节约成本，避免大量浪费，同时保护性设计设计台灯的使用寿命更长，有较好的收益效果。
附图说明
下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1是本实用新型的具体实施方式的系统控制流程图。
图2是本实用新型的具体实施方式的系统结构框图。
图3是本实用新型的具体实施方案的台灯夜晚工作模拟图。
图4是本实用新型的具体实施方案的台灯日间工作模拟图。
图5是本实用新型的具体实施方案的台灯使用正面演示模拟图。
图6是本实用新型的具体实施方案的定位杆的剖面图。
图7是本实验新型的具体实施方案的超声波模块HC-SR04电路图。
图8是本实验新型的具体实施方案的超声波模块HC-SR04时序图。
附图中的标记为：1-STM32主控制器；2-激光测距传感器模块；3-超声波模块HC-SR04； 4-人体红外感应模块；5-模拟开关模块；6-蓝牙模块；7-控制终端；8-普通灯、机械臂、灯箱开关、伸缩杆；9-语音报警模块；10-液晶显示模块；11-人体红外控制LED镜灯；12-A/D； 13-光敏感应模块；14-电感式传感器模块；15-烟雾报警模块；16-人体。
具体实施方式
下面通过对实施例的描述，本实用新型的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本实用新型的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
本实用新型的主题思路是：一种壁挂式台灯系统，使用了STM32处理器作为控制器。使用铆钉将灯箱固定在墙上，台灯固定在箱内，STM32处理器控制机械臂，从而实现台灯灯箱的进出和高度的调节，机械臂由机械杆和第二步进电机组成，并由控制器通过参数控制，即控制器可以通过预定设置的参数控制台灯的高度和台灯的自动收放：台灯需要工作时自动伸出，同时灯箱门自动打开；台灯停止工作时自动收回，同时灯箱门自动关闭。灯箱内的台灯上面、左面和右面各设置一个可以自动收缩的定位杆，定位杆收缩的长度由控制器控制，定位杆使用齿轮轨道式自动收缩杆，每根杆的外端都有一个激光测距传感器模块，由控制器电源供电，激光测距传感器模块工作时发出激光，激光遇人体反射回去，激光测距传感器模块探头接收到反射回的激光信号后，控制器通过激光发射出去和接收到的时间差测算出人体和定位杆的距离，再和预先设置好的阈值进行比较，确定是否触发语音警报模块发出警报。除此之外，人体红外感应模块采集人体红外信息，将信息发送给控制器，控制器控制定位杆的自动收缩。即当人体靠近时，红外信号当前值达到人体红外感应模块预先设置的参数阈值后，三个定位杆自动伸出灯箱到预先设置的位置，开始工作；当人体远离时，红外信号当前值超出了人体红外感应模块预先设置的参数阈值，三个定位杆收缩到灯箱内，停止工作。同时，为了精确定位人体位置，台灯下灯座和灯箱盖上都有一个超声波模块，正对人体胸部，通过台灯底座和壁箱上的超声波模块发射和接收超声波，将接收信号传入控制器，控制器测算人体和超声波模块距离，设置范围阈值，距离一旦超过设置的阈值，自动控制报警器和台灯开关，实现报警功能，通过设计超声波模块便于白天和夜晚精确定位人体和灯箱的距离。台灯使用可以转动的双向灯头设计，分别装上普通的LED节能灯和人体红外线控制LED镜灯，由光敏感应模块采集光信息给控制器，控制器控制人体红外LED镜灯是否开启。夜晚时，控制器发出开启信号，当人体红外线LED镜灯检测到人体靠近且低于所设定的阈值时，灯打开，一段时间后自动关闭，解决了夜晚人们进出房间时光线不足的问题，同时本系统耦合蓝牙模块和液晶显示模块，方便使用者远距离无线控制和近距离控制。
如图1和图2所示，本实用新型的节能控制系统是以STM32单片机主控模块为核心，其它外围电路主要包括:电源模块，光敏感应模块，蓝牙模块，电感式传感器模块，激光测距传感器模块，超声波模块HC-SR04，烟雾报警模块，人体红外感应模块HC-SR501，语音报警模块，液晶显示模块LCD12864，人体红外控制LED镜灯，模拟开关电路和第一、第二步进电机转轴。
本系统的主控模块采用意法半导体公司的STM32F103VET6作为主控芯片，它是一种低功耗，32位控制器，ARMCORTEX-M3架构，512K闪存处理器。片内有64KB的RAM容量，8个计时器，集成ADC，DAC，DMP，PWM，主频72MHz，工作性能稳定，使用方便。台灯系统为实现自动化，各个功能模块部分通过继电器和STM32F103VET6芯片引脚相连，由芯片具体控制台灯的运行。
图3所示部分为台灯夜晚工作模拟图。夜晚时，由光敏感应模块收集光源信息发送给控制器，控制器发出夜晚工作模式。台灯的人体红外控制LED镜灯工作，主动探测环境中的人体红外信息，预先设置探测器工作范围，一般为2m-3m间，具体为台灯到房间门口的距离，参数可以随时变化。一旦人体靠近房门，进入探测范围内，灯箱盖自动打开，机械臂自动伸展到预先设置的位置，镜灯自动开启，为使用者照明，延时一段时间后自动关闭，后灯头自动转向，普通LED灯开启，台灯进入正常工作模式，解决了使用者夜晚进入房间时的临时照明的问题。同时，在夜晚模式下，人体红外感应模块HC-SR501开启，设置参数为使用者距离台灯底座的距离，一般为50cm，一旦人体进入其探测的范围内，台灯的上、中、下三个方向定位杆伸出到预先设定的位置，同时杠上的激光测距传感器模块和台灯底座的超声波模块开始工作。使用者使用完台灯离开后，当超过人体红外感应模块HC-SR501探测范围3min后，控制器发出控制信息，激光测距传感器模块和超声波模块停止工作，三个定位杆收回灯箱内，台灯自动收回灯箱内，灯箱盖关闭。同时，人体红外控制LED镜灯的红外探测功能开始工作，探测到人体在工作范围内3min镜灯不开启，3min后参数自动刷新，人体红外控制LED镜灯重新开始探测，进入工作模式。
图4所示部分为台灯白天工作模式。白天时，由光敏感应模块收集光源信息发送给控制器，控制器发出日间工作模式。电感式传感器模块工作，探测周围空间的电磁变化，当变化达到其设置的阈值时，台灯的人体红外感应模块HC-SR501开启，设置参数为使用者距离灯箱的距离，一般为40cm，一旦人体进入其探测的范围内，台灯的上、中、下三个方向定位杆伸出到预先设定的位置，同时杠上的激光测距传感器模块和灯箱上的超声波模块开始工作。当使用者离开灯箱超过人体红外感应模块HC-SR501探测范围3min后，控制器发出控制信息，激光测距传感器模块和超声波模块停止工作，三个定位杆收回灯箱内。电感式传感器重新开始工作。
图5为台灯使用的正面演示模拟图，可知台灯使用的是壁挂形式，节约了书桌的使用空间，方便使用者。台灯使用的是箱式保存，可以防尘，解决了台灯灰尘不易清洁的难题，同时保护了台灯，提高了使用的寿命。
如图3，图4和图5所示，定位杆上使用激光测距传感器模块作为测距使用。其具体工作为，当人体是正常坐姿u时，上面的定位杆探测的距离为a，左面和右面的定位杆探测的距离为j；当人体左倾s时，上面的定位杆探测的距离为b，左面的定位杆探测的距离为k1，右面的定位杆探测的距离为k2，误差值分别为b-a，j-k1，k2-j；当人体右倾v时，上面的定位杆探测的距离为b，左面的定位杆探测的距离为k3，右面的定位杆探测的距离为k4，误差值分别为b-a，j-k3，k4-j；控制器将误差值和预先设置的阈值进行比较，若没有超过阈值，则不发出语音警告，若超过阈值，则发出语音警告，已达到提醒使用者及时矫正坐姿的目的。图中的M为激光测距传感器发出的激光，N为反射回来的激光。激光测距传感器的灵敏度高，可以实现点控，方便使用。
图6显示的是定位杆的剖面图。本实用新型的定位杆使用的是轨道齿轮式伸缩杆，通过第一步进电机带动齿轮转动，齿轮带动杆运动。第一步进电机的转动方向和速度由控制器控制，可以人为通过参数设置进行改变，具有较高的稳定度和精确性。
图7和图8显示的是超声波模块HC-SR04的电路图和时序图。本实用新型使用超声波进行精确定位，通过警告提醒的方式让使用者进行坐姿矫正和视力保护。其具体为超声波模块 HC-SR04的探测距离为2cm-450cm，精度可达0.2cm。模块采用IO口TRIG触发测距，给至少 10us的高电平信号，模块工作时自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回，当有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。通过时间进行测距，具体公式为测试距离＝(高电平时间*声速(340M/S))/2。根据使用者具体的情况，设置报警的距离，图中，P为超声波模块发射超声波，Q为反射回来的超声波。当白天超声波模块工作时，如图3所；当夜间超声波模块工作时，如图4所示。两种模式下，人体正常坐姿y时，超声波模块探测距离为d；人体前倾x时，超声波模块探测距离为c，误差值为d-c；人体后倾z时，超声波模块探测距离为e，误差值为e-d；控制器将误差值和预先设置的阈值进行比较，若没有超过阈值，则不发出语音警告，若超过阈值，则发出语音警告，已达到提醒使用者及时矫正坐姿的目的。
本实用新型实用的是机械臂自动控制台灯高度和通过分级调节控制台灯的亮度。具体为通过光敏电阻采集到的具体光强数值，即将LED灯输入电压分为8级，从而有级调压以达到日光灯亮度等级的控制。A/D采集环境光模块选用的AD为PCF8591--8位A/D和D/A转换器，通过该型号的A/D将光敏电阻输出的电压值(模拟量)转换成数字量。来供后续电路、单片机的控制运算处理。
本系统使用蓝牙模块，可以实现远程终端对台灯系统的无线控制，可是实现多种情况下的台灯使用，如人体红外控制LED镜灯进行应急照明，同时配有烟雾报警器模块，自动检测台灯的状况，一旦有线路短路情况发生，便自动发出警报，通过远程终端，发送信息给使用者。通过模拟开关模块，实现设备的人为控制，使设备更方便使用。最后使用液晶显示模块 LCD12864，通过控制器控制，可以随时给使用者提供时间，温度等实时信息，方便实用。
上面对本实用新型进行了示例性描述，显然本实用新型具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。