智能護(hù)眼臺(tái)燈電路的設(shè)計(jì)

梁計(jì)鋒，劉瑞妮，尤國(guó)強(qiáng)

（西安翻譯學(xué)院電子工程系，陜西西安710105）

智能護(hù)眼臺(tái)燈電路的設(shè)計(jì)

梁計(jì)鋒，劉瑞妮，尤國(guó)強(qiáng)

（西安翻譯學(xué)院電子工程系，陜西西安710105）

現(xiàn)在市場(chǎng)上銷售的臺(tái)燈大都是通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)燈光亮度，不能靈活的自動(dòng)調(diào)節(jié)光亮，不但麻煩，而且易造成不必要的浪費(fèi)和對(duì)眼睛有不良的影響。本設(shè)計(jì)針對(duì)于很多人在使用臺(tái)燈過(guò)程中的不良習(xí)慣及忽視光線強(qiáng)度而造成的各種眼睛和脊柱問(wèn)題，主要通過(guò)光電傳感器對(duì)環(huán)境光線及俯身位置的檢測(cè)，自動(dòng)調(diào)節(jié)臺(tái)燈亮度和報(bào)警，以達(dá)到保護(hù)眼睛及糾正坐姿的目的。該電路具有設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，高效節(jié)能，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了現(xiàn)有臺(tái)燈不能真正做到智能調(diào)光與報(bào)警的不足。

臺(tái)燈；三極管放大器；自動(dòng)調(diào)光；自動(dòng)報(bào)警

臺(tái)燈是我們工作學(xué)習(xí)的好幫手，一個(gè)小小的臺(tái)燈，給我們?cè)诠饩€較暗的時(shí)候看書、學(xué)習(xí)等帶來(lái)了巨大便利。據(jù)相關(guān)調(diào)查結(jié)果顯示，現(xiàn)在使用臺(tái)燈的大多數(shù)是學(xué)生和教師，由于現(xiàn)在學(xué)習(xí)任務(wù)繁重，幾乎所有同學(xué)都要晚上“開夜車”做各種作業(yè)，臺(tái)燈則是他們的主要學(xué)習(xí)工具之一。而現(xiàn)在很多青少年伏案閱讀學(xué)習(xí)是由于坐姿不正確以及燈光使用不當(dāng)，很容易造成視覺疲勞甚至近視。并且目前我們所使用的臺(tái)燈，大多都是手動(dòng)調(diào)節(jié)光亮，市場(chǎng)上的所謂護(hù)眼燈等產(chǎn)品，不過(guò)是在臺(tái)燈內(nèi)裝上好質(zhì)量的鎮(zhèn)流器及換上光線更加柔和的LED燈管而已。即使有可以調(diào)節(jié)亮度的開關(guān)，但很多人在認(rèn)真讀書寫字的時(shí)候根本就忘記了調(diào)節(jié)亮度了，所有手動(dòng)的亮度調(diào)節(jié)護(hù)眼意義不大。所以如果有一臺(tái)能夠智能調(diào)節(jié)光照亮度及時(shí)刻提醒坐姿有問(wèn)題的臺(tái)燈，則不但可以起到節(jié)能護(hù)眼的目的，還能夠糾正很多同學(xué)不良的寫字姿勢(shì)。本設(shè)計(jì)就是以能夠?qū)崿F(xiàn)真正智能護(hù)眼臺(tái)燈的實(shí)現(xiàn)而展開研究的。

1　智能臺(tái)燈功能簡(jiǎn)介

本設(shè)計(jì)主要采用光控調(diào)節(jié)及自動(dòng)控制原理實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）燈珠亮度可以根據(jù)環(huán)境光線的亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)，即當(dāng)環(huán)境光線較強(qiáng)時(shí)其燈珠亮度自動(dòng)變?nèi)?；而?dāng)環(huán)境光線較弱時(shí)，燈珠亮度則自動(dòng)變亮。

2）具有坐姿不良的報(bào)警功能。當(dāng)寫字或看書者伏案過(guò)低，則其報(bào)警，提醒人應(yīng)該注意坐姿。

3）具有獨(dú)立的電源開關(guān)。

2　設(shè)計(jì)原理及電路

該電路主要由3部分組成，電源部分，亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)部分及電路報(bào)警部分。

2.1電源部分

1）USB電源

本測(cè)試電路主要應(yīng)用5 V直流電壓，為了方便起見我采用的是USB輸電的模式，可以將USB輸出連接上開關(guān)，加上濾波電容［1］。

2）三端穩(wěn)壓電源

由于此電源的設(shè)計(jì)即為直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)，有模擬電路知識(shí)的都可以設(shè)計(jì)，非常簡(jiǎn)單，我在此簡(jiǎn)單介紹下即可［2］。（如圖1）

圖1　5V直流穩(wěn)壓電源Fig.15 V DCstabilized voltage source

變壓器輸出9 V電壓經(jīng)過(guò)橋式整流電路并電容濾波，在電容C1兩端大概會(huì)有11 V多一點(diǎn)的電壓，如若從電容兩邊直接接一個(gè)負(fù)載，當(dāng)負(fù)載改變或交流電源有一些波動(dòng)就使C1兩端的電壓較大幅度的變化，要獲得一個(gè)更穩(wěn)定的電壓，需要來(lái)接一個(gè)三端穩(wěn)壓元件。三端穩(wěn)壓器是一種集成電路元件，其內(nèi)部由少許三極管和電阻等組成，在研究電路時(shí)可簡(jiǎn)單的看作這是一個(gè)能自動(dòng)調(diào)節(jié)電阻的元件。當(dāng)負(fù)載電流大時(shí)三端穩(wěn)壓器內(nèi)的電阻會(huì)變小，而當(dāng)負(fù)載電流變小時(shí)三端穩(wěn)壓器內(nèi)的電阻又會(huì)變大，這就能使得穩(wěn)壓器的輸出電壓為恒定值。要得到5 V的電壓，就會(huì)采用7805，7805其型號(hào)可能會(huì)因不同生產(chǎn)廠家而不同。三端穩(wěn)壓器，然后用105的電容器，有電容濾波和阻尼作用。最后以一個(gè)輸出電源引腳在C2的兩端，可與其它設(shè)備連接，如MP3等。盡管7805最大電流是1 A，但實(shí)際使用盡量不要超過(guò)500 mA，不然會(huì)發(fā)熱很大，一不小心就燒壞了。當(dāng)負(fù)載電有大于200 mA時(shí)需加散熱片。

2.2亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)部分

圖2　亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)電路Fig.2Automatic brightness adjust circuit

如圖2所示，三極管Q1選用C9014三極管，該三極管放大倍數(shù)高達(dá)200～600倍，集電極最高允許通過(guò)電流為0.1 A［3］。

電位器為R0是3296-W103型號(hào)電位器，可調(diào)范圍1～10 kΩ。

光敏電阻RG2選用Φ3系列的GL3516型號(hào)光敏電阻［4］，該光敏電阻最大電壓100 V，亮電阻的范圍為1～10 kΩ，暗電阻為10 MΩ，最大功耗50 mW，光譜峰值540 nm，響應(yīng)時(shí)間30 ms。

R6選4.3 kΩ的電阻，R7選15 Ω小電阻。

YL-D0101RW-A2-01 1W大功率白光LED燈珠的發(fā)光率和電流計(jì)算式為：

η=3I*100%（I的單位為A）

即當(dāng)LED燈珠電流約為330 mA時(shí)，燈珠發(fā)光率為100%。

1）當(dāng)環(huán)境照度處于正常水平時(shí)，光敏電阻R17的阻值為5 kΩ。則三極管Q2基極偏壓VB為：

2）當(dāng)環(huán)境過(guò)亮?xí)r，光敏電阻R17的阻值為1 kΩ。則三極管Q2基極偏壓VB為：

VB=VCC≈1.67 V，發(fā)光強(qiáng)度η=7.1%

3）當(dāng)環(huán)境光照較暗時(shí)，光敏電阻阻值為10 kΩ

通過(guò)以上計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)。本臺(tái)燈的亮度能隨環(huán)境光照條件自動(dòng)變化，當(dāng)環(huán)境光線較亮?xí)r，臺(tái)燈能自動(dòng)降低52%的亮度，當(dāng)環(huán)境光線過(guò)暗時(shí)，臺(tái)燈能自動(dòng)增加12.7%的亮度。環(huán)境光照變化之間，燈就會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度。用戶會(huì)處在一個(gè)舒適的用眼環(huán)境。

值得注意的是，這里說(shuō)的環(huán)境光照是指臺(tái)燈亮度范圍內(nèi)的環(huán)境光照，因?yàn)楣饷綦娮鑂G2是一個(gè)可移動(dòng)的探頭，使用臺(tái)燈如看書時(shí)，該探頭應(yīng)放置在書本附近才更真實(shí)。

2.3臺(tái)燈報(bào)警部分

低光報(bào)警器電路實(shí)現(xiàn)較低光線時(shí)能自動(dòng)報(bào)警［5］。即光線變化時(shí)（光照強(qiáng)度變?。?，光敏電阻阻值陡增，輸入值改變，555定時(shí)器改變輸出信號(hào)，使得喇叭或是蜂鳴器發(fā)聲，達(dá)到自動(dòng)報(bào)警的目的。（如圖3）

圖3　臺(tái)燈低光報(bào)警電路Fig.3Desk lamp with low light alarm circuit

低光報(bào)警器電路實(shí)現(xiàn)較低光線時(shí)能自動(dòng)報(bào)警。即光線變化時(shí)（光照強(qiáng)度變?。饷綦娮枳柚刀冈?，輸入值改變，555定時(shí)器［6］改變輸出信號(hào)，使得喇叭或是蜂鳴器發(fā)聲，達(dá)到自動(dòng)報(bào)警的目的。

由555定時(shí)器和光敏電阻為主要器件組成的低光報(bào)警電路，其核心組成、分是555定時(shí)器，將定時(shí)器接成多諧振蕩電路，構(gòu)成信號(hào)產(chǎn)生電路。低光報(bào)警電路在黑暗或光線不足的情況下，依靠光敏電阻的阻值增大使555定時(shí)器振蕩輸出矩形波，觸發(fā)蜂鳴器，能夠?qū)崿F(xiàn)低光報(bào)警。

對(duì)振蕩電路來(lái)說(shuō)，555定時(shí)器為其核心。其輸入信號(hào)受電阻R3、光敏電阻RG1的控制，輸出電平控制蜂鳴器LS1、發(fā)光二極管D4工作［7］，555定時(shí)器的功能主要由兩個(gè)比較器確定。電壓控制RS觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)由兩個(gè)比較器的輸出確定。在電源與地之間施加電壓，當(dāng)5腳懸空時(shí)，則電壓比較器C1的同相輸入端的電壓為2/3 VCC，C2的反相輸入端的電壓為1/3 VCC。若觸發(fā)輸入端TR的電壓小于1/3 VCC，則比較器C2的輸出為0，可使RS觸發(fā)器置1，使輸出端值為1。若使閾值輸入端TH的電壓大于2/3 VCC，同時(shí)TR端的電壓大于1/3VCC，則C1的輸出為0，C2的輸出為1，RS觸發(fā)器設(shè)置為0，使輸出為低。

在電路調(diào)試中，當(dāng)正常光照為110勒克斯時(shí)，置RG1在光照下，555沒有輸出頻率，蜂鳴器也就不會(huì)響。細(xì)調(diào)RG1，使光照變?nèi)?，?dāng)調(diào)到某一數(shù)值時(shí)，電路起振，揚(yáng)聲器發(fā)出“嘟……”聲，然后再將光照增大少許，使電路恰好停振，該報(bào)警器就調(diào)試成功了。

3　電路測(cè)試

以此仿真制作模擬電路，測(cè)試該光控臺(tái)燈操作步驟如下：

1）打開開關(guān)。

2）用不透明紙板遮擋臺(tái)燈下邊光敏元件時(shí)，臺(tái)燈警報(bào)燈閃，并且蜂鳴器發(fā)出聲音，當(dāng)將紙板移開時(shí)，警報(bào)燈滅，蜂鳴器不發(fā)出聲音。

3）使用一個(gè)手電筒照射臺(tái)燈上部的光敏電阻時(shí)，手電筒離光敏電阻越遠(yuǎn)，臺(tái)燈越亮，當(dāng)手電筒接近光敏電阻時(shí)，臺(tái)燈逐漸變暗甚至不發(fā)光。

測(cè)試證明，本設(shè)計(jì)可以正常運(yùn)行，功能完善。

4　結(jié)束語(yǔ)

隨著時(shí)代發(fā)展，智能臺(tái)燈必定是未來(lái)的主流臺(tái)燈用具。利用光敏元件的特性用于智能開關(guān)控制方面成本低廉，效果顯著。采用光敏電阻和三極管作為亮度控制模塊的核心結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單。由于放棄使用單片機(jī)大大降低了臺(tái)燈的成本。用熱釋電紅外傳感器和二級(jí)放大電路等組成的報(bào)警模塊能在用戶過(guò)于靠近臺(tái)燈時(shí)及時(shí)提醒用戶糾正坐姿，對(duì)于保護(hù)視力有很好的幫助。本設(shè)計(jì)制作的臺(tái)燈在節(jié)能環(huán)保，保護(hù)視力等方面比普通臺(tái)燈有了較大的改進(jìn)，符合發(fā)展需要，具有廣闊的前景。

本課題的電路實(shí)現(xiàn)還可以選著單片機(jī)制作，但因?yàn)閷W(xué)科選修問(wèn)題，以及模擬電路可以對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行精確的、實(shí)時(shí)的處理，單片機(jī)不容易實(shí)現(xiàn)這些要求，以及單片機(jī)成本較高，模擬電路在微弱信號(hào)放大上有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。所以我選擇了用模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)本電路的功能。

［1］羅翱，周澤坤，張波.一種USB電源開關(guān)的設(shè)計(jì)［J］.微電子學(xué)，2007，37（4）：592-594. LUO Ao，ZHOU Ze-kun，ZHANG Bo.Design of a USB power switch［J］.Microelectronics，2007，37（4）：592-594.

［2］華中工學(xué)院電子學(xué)教研室，康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）［M］.3版.北京：高等教育出版社，1988.

［3］位永輝，陳綏陽(yáng).基于BISS0001的智能臺(tái)燈設(shè)計(jì)［J］.中小企業(yè)管理與科技，2010（10）：293-294. WEI Yong-hui，CHEN Sui-yang.Intelligent table lamp design based on BISS0001［J］.Small and Medium-sized Enterprise Management and Technology，2010（10）：293-294.

［4］張洪潤(rùn).傳感器技術(shù)大全［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

［5］佟為明.低壓電器繼電器及其控制系統(tǒng)［M］.2版.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003.

［6］郁有文，常健，程繼紅.傳感器原理及工程應(yīng)用［M］.3版.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

［7］劉姝佩，劉迎澍，楊珵.PTP時(shí)鐘同步方案研究［J］.陜西電力，2013（12）：66-70. LIU Shu-pei，LIU Ying-shu，YANG Cheng.Research on PTP clock synchronization scheme［J］.Shaanxi Electric Power，2013（12）：66-70.

Design of intelligent eye protection desk lamp circuit

LIANG Ji-feng，LIU Rui-ni，YOU Guo-qiang
（Electronics Engineering Department of Xi，an FanYi University，Xi'an 710105，China）

The current on-sale desk lamps adjust their brightness manually，not automatically.；which is not only troublesome，but also easy to cause unnecessary waste of resources and has a bad effect on the eyes.The design situates on eyes and spine problems caused by bad habits of ignoring light intensity in the use of desk lamps.In the purpose of eye protection and sitting posture correction，the designed lamps adjust the brightness and alarm automatically mainly through photoelectric sensor detection to ambient light and bent-over position.The circuit has the advantages of reasonable design，simple structure，low cost and other advantages in order to make up for the deficiency of existing desk lamps in the aspect of intelligent dimming and alarm.

desk lamp；triode amplifier；automatic dimming；automatic alarm

TN99

A

1674-6236（2015）20-0155-03

2014-12-31稿件編號(hào)：201412329

梁計(jì)鋒（1979—），男，陜西咸陽(yáng)人，講師。研究方法：電子技術(shù)。