摘 要

随着经济飞速发展，科技水平的跨越式进步。在优渥经济条件的情况下，人们对生活质量的要求也是逐步提高，智能家居在这个环境下应运而生。如今，这一理念渐渐的被人们熟知，正在无形中改善这我们的家居质量，给我们带来更加舒适便捷的居家体验。手势控制智能台灯正是在这种大背景下被提出的的一种全新的智能台灯理念，它有别于以往普通的触摸开关式台灯，手势控制智能台灯使用了手势输入的交互方式取代以往的按键式开关，更加便捷人性化的控制方式，更加细腻的亮度调节机制。它还糅合了最近流行坐姿矫正功能，时刻提醒着使用者坐姿是否正确。除此之外，它还时刻监控者使用者周围的温度湿度，给家居环境提供一个数据参考，便于使用者对自己的家庭环境做出合适的调整。

本此设计理念是使用单片机STC89C52进行数据分析与处理，巧妙的运用两对红外传感器进行距离手势坐标点进行定位，从而识别手势状态。对于坐姿矫正功能的实现则是使用了HC-SRO4超声测距模块，当人体与台灯距离少于一个设定的健康距离时，台灯会智能的警报并提示使用者矫正坐姿。为了使设计更加智能化，使用了LCD1602液晶显示屏，显示实时监测的室内温度、湿度，人体与台灯的距离，台灯亮度等级以及当前时间。

关键字：手势控制；STC89C52；单片机；智能家居；红外传感器

Abstract

With the rapid development of economy, great progress has been made in the level of science and technology. In good economic conditions, people's quality of life requirements are also gradually improve, the intelligent Home Furnishing emerged in this environment. Nowadays, this concept is gradually being well known, and it is virtually improving the quality of our home, bringing us a more comfortable and convenient home experience. Gesture control intelligent lamp is in this background is put forward a new concept of intelligent lamp, it has a touch switch type lamp differs from the ordinary, gesture control intelligent lamp using interactive gesture input to replace the push-button switch control mode in the past, more agile humanization, more brightness fine adjustment mechanism. It also incorporates the latest feature of sitting correction, reminding users of sitting posture correctly. In addition, it always monitors the temperature and humidity around the user, providing a data reference for the home environment, allowing users to make appropriate adjustments to their home environment.

The design concept is to use STC89C52 microcomputer for data analysis and processing, clever use of two pairs of infrared sensors for distance, gesture, coordinate point positioning, so as to identify gesture status. The realization of sitting correction function is the use of HC-SRO4 ultrasonic ranging module, when the body and table light is less than a set of healthy distance, the table lamp will be smart alarm, and prompted users to correct sitting posture. To make the design more intelligent, the LCD1602 LCD screen is used to display the room temperature, humidity, the distance between the human body and the desk lamp, the brightness level of the desk lamp and the current time.

Key words：gesture control; STC89C52; single chip microcomputer; smart home; infrared sensor

摘 要 3

Abstract 4

第1章 绪论 1

1.1 手势控制智能台灯的背景 1

1.2 手势控制智能台灯的发展与前景 1

1.3 手势控制智能台灯的研究现状 2

1.4 课题主要研究内容 2

第2章 系统结构设计与方案选择 3

2.1 系统结构 3

2.2 手势识别传感器的选择 3

2.3本章小结 6

第3章 硬件的搭建与设计 7

3.1超声测距模块 7

3.2 LDE显示模块 8

3.3 手势控制模块 9

3.4 液晶显示模块 10

3.5 电源电路和时钟模块 11

3.6 报警电路模块 12

3.7 温度湿度测量模块 12

3.8 本章小结 13

第4章 手势控制智能台灯的软件设计 14

4.1 软件系统概述 14

4.2 软件设计总体思路和个模块的软件设计 14

4.2.1 手势控制模块的软件设计 14

4.2.2 液晶显示模块的软件设计 15

4.2.3 超声测距模块的软件设计 17

4.3 本章小结 17

第5章 系统调试与结果分析 18

5.1 系统调试 18

5.2 超声测距调试 18

5.3 手势控制模块的调试 18

5.4 结果分析 20

第5章 结论与展望 21

附录1 23

附录2 24

致谢 25

第1章 绪论

1.1 手势控制智能台灯的背景

人们的生活日渐富足，对家居环境的的要求也随之提高，许多人从中看出了巨大的市场需求。另一方面，计算机技术，电子科学技术和物联网技术的飞速发展为智能家居的出现提供了硬件条件，又有足够的市场需求，智能家居在如今成为了家居行业中举足轻重的一环。概括来说，智能家居就是指结合先进的计算机技术，网络通信技术，物联网技术，嵌入式技术等，融合用户个性化需求，将与家居生活相关的各子结构单元，如安全防范，家具设备控制，影音娱乐等有机结合在一起，通过专门的家具系统控的管理，提供更加温馨便捷，安全且更具智慧的家居生活坏境。

1.2 手势控制智能台灯的发展与前景

从上世纪80年代随着电子科学技术的发展，智能家居因为普通家电融合电子技术而开始萌芽产生，当时受限于集成技术以及成本稳定性等多方面的技术瓶颈，导致智能家居并不能进行普及。一直到90年代，美国第一座智能化建筑的出现使得许多人对智能家居重新燃起了热情，并且被许多人所重视。随着通信技术和计算机的进一步完善，2000年初，智能家居从欧美“蔓延”到亚洲，我国也开始出现许多的智能家居，并且广受好评。相对于其他地区，北上广是智能家居市场的大部分占有率。一直到20015年，全球掀起一股智能”风”，无家居，不智能。是智能家居的概念在我国迅速被普及的一年。

从智能化的家居到如今，智能家居的发展已经历经许多年，但是由于技术不达标、成本昂贵、安装使用困难及产品缺乏创新性等原因，我国的智能家居市场发展受到较为严重的阻碍，2015年以后，智能家居才有了进一步的发展。

2015年12月5日，智能家居委员会成立。该信息给智能家居市场注入了新的活力，智能家居委员会成立必将推动智能家居市场的进一步发展，该行业也必将给广大用户提供更多的人性化智能家居。

虽然智能家居的发展已近20年，可是智能家居的路却依然任重道远。现今有许多被提出的设计理念因为技术问题而被搁置，需要许多科学工作者去攻克这个难关。比如由统主要有家庭网关，家庭通信网络，家具设备自动化，生活服务，家庭安全防范等单位组成的智能家居系的设计。智能纯净的厨房，“客卧厨一体化”等等。

目前的智能家居虽然在智能化，人机互动方面有了质的飞跃，纵观整个智能家居产品，产品的同化现象也渐渐暴露出来，缺乏一个新兴产业的创新迸发力，许多智能家居都是围绕着手机的做文章，虽然智能，但缺乏智慧，没有自我进步和对客户一对一的适应能力。除此之外，智能家居的价格虽然算不上高昂，可是面对普通电子家居，还是偏贵，这一定程度上阻止了智能家居的普及。虽然有一些瑕疵，在未来，智能家居的发展既是大势所趋，但也挑战不断，只有不断创新的，更加人性化的，更具智慧的，能够自我进步的智能家居才能符合市场需求。

本文所设计的智能台灯正是智能家居的一个环节，在这个智能家居的大环境下，某种程度上来说，智能家居的发展就是无数个智能台灯的发展所组合而成的。

1.3 手势控制智能台灯的研究现状

从普通的白炽灯台灯到LDE护眼节能台灯，从触摸式开关到触摸式智能台灯。可以看出，细细解剖台灯的发展历史，围绕着台灯无数的进步和细节的优化，有几个重要的关键词，比如健康护眼，更加便捷的开关以及找到适合用户的台灯亮度。手势控制智能台灯正是在这种理念下设计而来的，2016年9月世界上第一台手势控制智能台灯诞生，Roome能够感知主人出门或者回家。当我们出门几开时，Roome能够识别主人不在家然后关闭电源。而当我们回到家时，Roome又会自动亮起。Roome内置了环境光传感器，在自动亮起的时候，会根据周围的光线自动调节亮度。Roome在用户睡着时自动关闭台灯，为用户提供一个舒适的睡眠环境。只要在台灯顶端左右挥动手可以关闭和打开台灯，张开手掌对着台灯做出接近或者远离的手势就可以使台灯变亮或者变暗。虽然这种台灯已经非常人性化和智能化，还存在手势输入方式和输入位置单一固定的缺点，离真正的智慧型智能还有一段不少的距离。本次设计将在条件允许的情况下尽量使设计的台灯更加的智慧。

1.4 课题主要研究内容

本课题主要是使用手势作为控制台灯的交流媒介，从而使得用户在与台灯交互式时更加便捷和智能化。手势识别需要建立手势数据模型，确定手势节点，还需要对手势数据进行采集，并交给中央处理器SCT89C52进行手势模型的识别处理，并对台灯发出指令，单片机通过脉宽PWM法对LED灯实现亮度的调节。为了实现坐姿矫正功能则是使用了超声测距模块，单片机只需要给HC-SR04提供一个稳定的脉冲信号，该模块可将所测距离反馈给单片机。如果人体距离台灯过近，此时报警模块则会蜂鸣示意用户矫正身姿。为了用户更加了解家居环境，还加入了DHT11用于温度和湿度的监测，通过单片机输出到液晶显示模块。此外，超声测距模块的所测距离和手势控制的LED亮度分别在显示模块有相应的显示，使用户产品体验更加的优质。

第2章 系统结构设计与方案选择

2.1 系统结构

系统由超声测距模块、报警模块、手势感应模块、显示模块、中央处理器、温度湿度感应模块LED照明模块等7个模块组成，总体结构如图2.1所示。

LED照明

手势控制

单

片

机单

温度湿度

蜂鸣器

超声测距

图2.1 系统总体结构框图

本次设计采用单片机作为中央处理器,因为单片机具有微处理器、内存储器、输入输出设备以及各种I\O口组成。存储器可以用于存储指令和数据，交由微处理器进行运算和功能控制，通过I\O口与其他模块进行通信，单片机完美的作为一个统筹的核心，把一些功能模块相互连接和进行配合从而达到设计的要求。单片机本身又具有成本低，安全性可靠，体积功耗小而得到广泛的运用。单片机对手势控制模块、测距模块、温度湿度采集模块的数据进行分析，从而下达报警、调整台灯亮度或是交由显示器进行显示的指令。单片机作为学习电子科学的基础，在设计中活用单片机也是学习运用能力的体现，使用自己熟悉的单片机也有利于增加设计的完成度，给单片机载入与硬件相呼应的程序就可以实现多种功能。

2.2 手势识别传感器的选择

为了更好的完成对手势识别的设计，先要对手势识别有一个纤细的了解。手势可以说是一种信号，有别于我们日常接触的光电信号，手势这种信号更难于让机器识别，因为这种信号复杂多变，并不能轻易的像其他光电信号一样用几组物理量进行明确的定义。比如光信号有光强，波长大小等；电信号有电压电流的大小可以去对这种信号进行描述。虽然它们之间有很大的区别，我们可以追溯到那个光和电也不能被人具体认知的年代，我们的先贤也是从无到有发明并统一计量单位对光电信号进行定量的描述。按照前人的思路，手势这个信号我们应该也从一方面对它进行明确的定义，使得这种人与人交流的信号可以被机器识别记忆。现今被人们所接受的一种初步的分类方法把手势分成静态手势和动态手势，静态手势可以用手上个点处于一个既定位置的坐标来描述，可以形象的称之为一副静态的图像。动态手势相对来说更加复杂，每个点并不是静止的，而是在运动的，对一个运动的点进行描述就有速度加速度等再加上改点的一个关于时间t的坐标方程。

2.2.1 使用数据手套实现的手势识别

数据手套顾名思义就是需要人带上手套才可以进行手势识别，它的工作原理相对简单易懂，通过在手套上装载一些传感器从而对手几个关节部位的弯曲度进行监测，处理器通过这些采集的数据，对手的形态进行还原并辨别，这就是数据手套的工作方式。这种数据手套被广泛运用与VR技术中。

图2.2 数据手套

2.2.2 使用加速度传感器实现的手势识别

这种方法需要一个加速度传感器作为数据采集模块，一个中央处理器对采集的数据进行初步的处理，比如对于一些骤变的点，需要去除；还需要对数据进行平滑滤波处理。再将这些数据导入到MATLAB中进一步加工，不需要特定的手势就可以识别用户手势的加速度从而实现穿戴式人机交互的方式。任天堂公司通过这种技术制作了一种游戏手柄，该手柄可以采集用户手势来读取用户对游戏角色的控制信息。

2.2.3 使用红外传感器实现的手势识别

使用红外传感器进行手势识别目前有Kinect识别系统，Kinect是由美国微软公司开发设计的体感设备，最初是用于体感游戏。Kinect系统内含有一个红外发射器，它发射的光具有很高的相干性，落在物体表面会因干涉而产生许多的光斑，距离不一样光斑不一样，另外一个红外接收器就会接收这些光斑从而识别物体力传感器的距离。Kinect可以监测到一定规格空间内物体的移动。Kinect还有一项光源标定的技术，通过这个技术，Kinect可以轻易的识别一个物体的轮廓。考虑到台灯的制作成本和处理器的限制，显然，Kinect并适合运用与本次设计。