本发明涉及一种灯具，尤其涉及一种基于arduino平台的三维手势感应台灯及其感应控制方法。
背景技术：
随着科学技术的发展，越来越多的产品开始运用人机交互技术，这使得越来越多新的人机交互基础涌现并快速发展。相比传统上的键盘输入，鼠标输入等模式，手势感应控制技术以其便捷，高效的特点进入人们视野并受到广泛关注。而手势识别的研究实际聚焦于手的时空轨迹，以识别不同的手势运动进行操作来提高使用者操作时的交互体验。
开关作为一种控制元件，在电子设备中控制着电路的接通与断开。目前电子器件的开关控制类型基本有机械开关控制，电子控制以及传感器控制三种。机械开关的可靠性较低，易受外界条件的影响，而目前较受推崇的电子控制，例如电阻电容式触摸屏开关，虽然提高了稳定性但这种感应式触摸开关无法应对潮湿天气，外界金属靠近等问题，并且在黑暗状态下使用者不易找到触点位置。这类触摸开关基于裸手指的单词触碰使电路内部输出阶跃或脉冲信号，分为人体电磁感应式以及遮挡式两种，都需要人体接触到固定触点位置从而实现控制作用。
近年来，红外线手势传感器正逐渐成为新一代非接触式手势识别用户界面的创新点。这类手势传感器基于非接触式红外传感技术，聚焦于手的时空轨迹的识别，凭借很高的敏感度和很强的对抗环境干扰的特点现已成为人机交互的一个重要研究领域。基于红外传感的手势传感器是利用红外光具有的反射，折射，吸收等物理性质进行检测手势运动轨迹的一种传感器。这种红外传感器具有着光谱学的一种独特的优点，即不受约束的测量。此种手势传感器利用不同方向上的多个红外发射器来发射出不同的红外光线，当手在传感器上方移动时通过反射回来的不同信号之间的时间差来判断手势的运动轨迹。
arduino作为开放电子原型平台兼有硬件与软件，具有arduino简单的开发方法和跨平台性质，愈来愈多的公司和厂商开始开发基于arduino开发的项目和产品。arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，包含硬件(各种型号的arduino板)和软件(arduinoide)。它构建于开放原始码simplei/o介面版，并且具有使用类似java、c语言的processing/wiring开发环境。主要包含两个主要的部分：硬件部分是可以用来做电路连接的arduino电路板；另外一个则是arduinoide，你的计算机中的程序开发环境。
台灯作为使用度较高的生活类用品，对我们的学习，工作及生活都有重要作用，现有技术的台灯的感应使用体验较差。
技术实现要素：
本发明的目的：提供一种基于arduino平台的三维手势感应台灯及其感应控制方法，能在arduino平台上利用手势传感器进行控制，只需进行简单的左、右、上、下、远、近的手势动作便可分别实现开关、切换、亮度调节的三种功能，可以给用户提供便捷灵活的操作体验。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种基于arduino平台的三维手势感应台灯，包括台灯主体及设置在所述的台灯主体内的控制组件，所述的控制组件包括核心控制芯片、手势感应传感器、超声波传感器、白灯及黄灯；所述的超声波传感器安装在所述的白灯及黄灯上，所述的手势感应传感器与所述的白灯及黄灯之间通过金属硅胶软管连接；所述的核心控制芯片的接地端分别与所述的白灯及黄灯的一端连接，所述的白灯的另一端分别与所述的核心控制芯片连接，所述的黄灯的另一端分别与所述的核心控制芯片连接；所述的核心控制芯片的输入口与所述的手势感应传感器的高低电平输出口连接，所述的手势感应传感器的时钟信号口与所述的核心控制芯片的输出口连接，所述的手势感应传感器的正负极端口分别与所述的核心控制芯片的接地端及电源端口连接；所述的超声波传感器的正负极端口分别与所述的核心控制芯片的接地端及电源端口连接，所述的超声波传感器的pwm脉冲的输出口与所述的核心控制芯片连接，所述的超声波传感器的模拟电压输出口与所述的核心控制芯片的输入端连接，所述的超声波传感器的控制端口与所述的核心控制芯片连接。
上述的基于arduino平台的三维手势感应台灯，其中，所述的手势感应传感器上设有四个定向二极管及一个红外发射器，所述的四个定向二极管分别周向环绕在所述的红外发射器的四周。
上述的基于arduino平台的三维手势感应台灯，其中，所述的四个定向二极管的电压值变化的顺序与手移动时的方向是一致的。
上述的基于arduino平台的三维手势感应台灯，其中，所述的四个定向二极管将电压值的变化转换成高低电平并发送到所述的核心控制芯片。
上述的基于arduino平台的三维手势感应台灯，其中，所述的超声波传感器上设有声波发送器及声波接收器，所述的声波发送器发送声波信号并通过所述的声波接收器接收声波信号。
一种基于arduino平台的三维手势感应台灯的感应控制方法，该方法至少包括如下步骤：
步骤1：台灯处于关闭状态时，手势感应传感器判断是否有左右手势，若有，则执行步骤2，若没有，台灯保持关闭状态；
步骤2：赋白灯的数字状态为1；
步骤3：白灯亮，黄灯灭；
步骤4：手势感应传感器判断是否有左右手势，若有，则返回步骤1，若没有，则执行步骤5；
步骤5：手势感应传感器判断是否有上下手势，若有，则执行步骤6，若没有，保持白灯亮，黄灯灭；
步骤6：赋黄灯的数字状态为1，白灯的数字状态为0；
步骤7：白灯灭，黄灯亮；
步骤8：手势感应传感器判断是否有左右手势，若有，则返回步骤1，若没有，则执行步骤9；
步骤9：手势感应传感器判断是否有上下手势，若有，则执行步骤10，若没有，保持白灯灭，黄灯亮；
步骤10：赋黄灯的数字状态为0，白灯的数字状态为1，返回步骤3。
上述的基于arduino平台的三维手势感应台灯的感应控制方法，其中，在所述的步骤3至步骤10中，白灯和黄灯的亮度调节方法包括如下步骤：
s1：白灯或黄灯处于非关闭状态，超声波传感器判断是否有远近手势；
s2：超声波传感器将距离转化为模拟电压值，再经程序转化为pwm模拟值赋予白灯或黄灯作为模拟状态输入；
s3：白灯或黄灯的变亮或变暗。
本发明通过左右手势实现灯的唤醒和熄灭，上下手势实现灯的光源切换，远近手势实现灯的亮度调节，主要用于学习工作场合，光源选择上以白光为默认光源，添加黄色光源提供于休憩场合。
附图说明
图1是本发明基于arduino平台的三维手势感应台灯的核心控制芯片与手势感应传感器的连接框图。
图2是本发明基于arduino平台的三维手势感应台灯的核心控制芯片与超声波传感器的连接框图。
图3是本发明基于arduino平台的三维手势感应台灯的控制组件的主视图。
图4是本发明基于arduino平台的三维手势感应台灯的手势感应传感器的主视图。
图5是本发明基于arduino平台的三维手势感应台灯的感应控制方法流程图。
图6是本发明基于arduino平台的三维手势感应台灯的灯源亮度调节流程图。
图7是本发明基于arduino平台的三维手势感应台灯的灯源非均匀量化分段图。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明的实施例。
请参见附图1至附图3所示，一种基于arduino平台的三维手势感应台灯，包括台灯主体及设置在所述的台灯主体内的控制组件，所述的控制组件包括核心控制芯片1、手势感应传感器2、超声波传感器3、白灯4及黄灯5；所述的超声波传感器3安装在所述的白灯4及黄灯5上，所述的手势感应传感器2与所述的白灯4及黄灯5之间通过金属硅胶软管6连接；所述的核心控制芯片1的接地端分别与所述的白灯4及黄灯5的一端连接，所述的白灯4的另一端分别与所述的核心控制芯片1的管脚4、管脚11和a1输出口连接，所述的黄灯5的另一端分别与所述的核心控制芯片1的管脚7、管脚10和a2输出口连接；所述的核心控制芯片1的a4输入口与所述的手势感应传感器2的高低电平输出口sda连接，所述的手势感应传感器2的时钟信号口scl与所述的核心控制芯片1的a5输出口连接，所述的手势感应传感器2的正负极端口分别与所述的核心控制芯片1的接地端及电源端口连接；所述的超声波传感器3的正负极端口分别与所述的核心控制芯片1的接地端及电源端口连接，所述的超声波传感器3的pwm脉冲的输出口echo与所述的核心控制芯片1的管脚3连接，所述的超声波传感器3的模拟电压输出口dac与所述的核心控制芯片1的a0输入端连接，所述的超声波传感器3的控制端口comp/trig与所述的核心控制芯片1的管脚5连接。白灯4及黄灯5可采用现有技术的led灯。
请参见附图4所示，所述的手势感应传感器2上设有四个定向二极管21(d1、d2、d3、d4)及一个红外发射器22，所述的四个定向二极管21分别周向环绕在所述的红外发射器22的四周，通过红外发射器22发射红外信号，当手以一个方向从手势感应传感器2上方移动过时，利用四个定向二极管21来感知反射回的红外线能量。
所述的四个定向二极管21的电压值变化的顺序与手移动时的方向是一致的，所以可以通过不同方位上的定向二极管21的电压值变化的时间差来判断手势方向。例如，若d2先于d3发生电压值增加，则可判别手势方向为由左到右。
所述的四个定向二极管21将电压值的变化转换成高低电平并发送到所述的核心控制芯片1，用于控制电路。
所述的超声波传感器3上设有声波发送器及声波接收器，所述的声波发送器发送声波信号并通过所述的声波接收器接收声波信号，超声波通过发出与接收到反射回的声波信号的时间差来判别手的远近并将其转换为距离。测出距离后，超声波传感器3内部再换算得出模拟电压值通过pwm波的形式传给白灯4和黄灯5的电压输入口。通过改变电压的平均值来控制灯的亮暗。
请参见附图5所示，一种基于arduino平台的三维手势感应台灯的感应控制方法，该方法至少包括如下步骤：
步骤1：台灯处于关闭状态时，手势感应传感器2判断是否有左右手势，若有，则执行步骤2，若没有，台灯保持关闭状态。
步骤2：赋白灯4的数字状态为1。
步骤3：白灯4亮，黄灯5灭。
步骤4：手势感应传感器2判断是否有左右手势，若有，则返回步骤1，若没有，则执行步骤5。
步骤5：手势感应传感器2判断是否有上下手势，若有，则执行步骤6，若没有，保持白灯4亮，黄灯5灭。
步骤6：赋黄灯5的数字状态为1，白灯4的数字状态为0。
步骤7：白灯4灭，黄灯5亮。
步骤8：手势感应传感器2判断是否有左右手势，若有，则返回步骤1，若没有，则执行步骤9。
步骤9：手势感应传感器2判断是否有上下手势，若有，则执行步骤10，若没有，保持白灯4灭，黄灯5亮。
步骤10：赋黄灯5的数字状态为0，白灯4的数字状态为1，返回步骤3。
请参见附图6所示，在所述的步骤3至步骤10中，白灯4和黄灯5的亮度调节方法包括如下步骤：
s1：白灯4或黄灯5处于非关闭状态，超声波传感器3判断是否有远近手势。
s2：超声波传感器3将距离转化为模拟电压值，再经程序转化为pwm模拟值赋予白灯4或黄灯5作为模拟状态输入。
s3：白灯4或黄灯5的变亮或变暗。
使用时，当手势感应传感器2检测到左右手势时，通过数字读取接口判断黄灯5和白灯4的实际状态值(white、yellow)是否同为0(熄灭状态)，若是，则令白灯4数字输入值为1，即白灯4点亮，并记录此时白灯4的实际状态值为1，实现了灯的唤醒功能。
在进行白灯4和黄灯5的工作状态判别时，需要读出每个灯源的数字与模拟两种数值。利用arduino核心控制芯片1的4、7两个直流输入管脚来分别读取白灯4与黄灯5的数字状态值，即高低电平，利用～11，～10两个交流输入管脚来分别读取白灯4与黄灯5的模拟电压有效值。在进行两个灯源工作状态操控时，利用a1，a2两个高低电平输出管脚进行两灯点亮与熄灭的控制。手势感应传感器2的高低电平输出口sda与arduino核心控制芯片1的a4输入口相连，在实际运作时，通过a4口的数字信号进行手势方向的判断从而进行对a1、a2口赋值的操作来控制灯的工作状态。
当手势感应传感器2检测到左右手势时，判断黄灯5和白灯4的实际状态，若其中一个灯实际状态值为1(点亮状态)，则将其数字输入值为0，即将此点亮状态的灯熄灭，并记录此时黄灯5和白灯4的实际状态值都为0，实现了灯的熄灭功能。
当手势感应传感器2检测到上下手势时，判断黄灯5和白灯4的实际状态值，若黄灯5实际状态值为1(点亮状态)而白灯4的实际状态值为0(熄灭状态)，则对黄灯5的管脚数据写入值为0，而白灯4的管脚数据写入值为1，即实现黄灯5到白灯4的光源切换。记录此时黄灯5实际状态值为0，白灯4实际状态值为1。若白灯4实际状态值为1(点亮状态)，而黄灯5的实际状态值为0(熄灭状态)，则对白灯4的管脚数据写入值为0，而黄灯5管脚数据写入值为1，即实现白灯4到黄灯5的光源切换。记录此时白灯4实际状态值为0，黄灯5实际状态值为1，实现了切换灯的功能。
当手在远近移动时，超声波传感器3通过反射波的时间计算出距离，并将距离转换成模拟电压值，输出相应的pwm波给正在工作的光源。arduino核心控制芯片1上的数字值测量管脚以及模拟值测量管脚能检测到工作状态光源的1和0数字状态值和电压有效值。
超声波传感器3的为pwm脉冲的输出口echo与arduino核心控制芯片1的～3口相连用其pwm波改变电压的平均值，控制灯的亮暗程度。超声波传感器3的模拟电压输出口dac与arduino核心控制芯片1的a0输入口相连。在实际运作时，a0口输入的模拟电压值将被视作为灯的有效电压数值成为对灯的实际工作状态的判别依据。
由于超声波传感器3输出的是pwm波，arduino核心控制芯片1的管脚读取出的工作灯源的模拟电压值和数字电压值读出的数据是脉冲结束时的电压，恒为0，无法用作工作状态的判定，便考虑直接用超声波传回的模拟电压值作为灯工作状态的依据。
超声波测得测得时间与实际距离的转换公式：
其中，s是手与超声波模块的距离，t是发出与接收到反射回的声波信号的时间差，340m/s为超声波传播速度。
距离与超声波输出的模拟电压值转换公式：
d＝s*0.68(v)
其中，d是超声波输出的模拟电压，s为手与超声波模块的距离。
电压有效值的转换公式为：
其中，d是超声波输出的模拟电压，d是灯的电压有效值。
请参见附图6所示，经过试验检测发现，在由极暗开始变亮这一过程中，亮度增长缓慢，在使用过程中影响使用感受。为解决此问题，提出利用非均匀量化的思想将电压值按检测到的距离非均匀映射成4份，以不同比例分段赋值。使得在从0-2.4v的增长过程中，手势向远移动较小的距离就可以实现较大程度上的亮度变化。
综上所述，本发明通过左右手势实现灯的唤醒和熄灭，上下手势实现灯的光源切换，远近手势实现灯的亮度调节，主要用于学习工作场合，光源选择上以白光为默认光源，添加黄色光源提供于休憩场合。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用附属在其他相关产品的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。