基于非成像光學(xué)智能LED臺燈的設(shè)計

周 韜， 楊 朋

1 前言

本文設(shè)計了一種LED智能臺燈，光學(xué)系統(tǒng)部分以非成像光學(xué)為基礎(chǔ)，設(shè)計出兩種能對LED進(jìn)行二次配光的均勻矩形光斑透鏡和均勻圓形光斑透鏡.智能控制部分以STC89C51單片機(jī)為主控制核心芯片[1]；以熱釋電紅外傳感器為人體檢測模塊，用于是否有人進(jìn)入檢測范圍內(nèi)；以光敏二極管及A/D轉(zhuǎn)換為光學(xué)度檢測模塊，用于檢測環(huán)境的亮度值以達(dá)到自動控制臺燈開關(guān)的效果；以超聲波測距為距離檢測模塊，用于檢測臺燈與用戶之間的距離，當(dāng)臺燈與用戶之間的距離小于某閾值時蜂鳴器就會鳴叫，從而提醒用戶及時矯正坐姿.

2 基于非成像光學(xué)的智能LED臺燈光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

在臺燈照明系統(tǒng)中，LED光源發(fā)出的光線經(jīng)過光學(xué)器件發(fā)生折射或反射的作用后投射到照明區(qū)域，如果該光學(xué)器件的結(jié)構(gòu)不合理，則會造成臺燈的光能利用率不高且照明區(qū)域的照度大小不均勻[2].為了改善臺燈的照明質(zhì)量以及提高光能的利用效率，需要根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中的有關(guān)知識對光學(xué)器件進(jìn)行科學(xué)合理的光學(xué)設(shè)計[3].

2.1 基于非成像光學(xué)的LED臺燈均勻光斑照明的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

（A）本次設(shè)計的單顆LED光源的矩形光斑照明系統(tǒng)適用于臺燈照明，LED燈珠的布局可以由不同的應(yīng)用場所而定.LED臺燈的照明面一般為平行的目標(biāo)面，在進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計時可以將平行的目標(biāo)面分割成若干個矩形，這樣就能夠確定每個LED光源的照射范圍，這種光學(xué)系統(tǒng)不僅能夠做到照明面上的均勻光斑分布，而且能夠減少能源的浪費(fèi).本次設(shè)計要達(dá)到的目標(biāo)為：使LED光源發(fā)出的光線經(jīng)過自由曲面透鏡后折射到距離為h=0.5 m的被照面上，在目標(biāo)面上得到一個長為0.02 m的照度分布均勻的矩形光斑.

（B）本次設(shè)計的單顆LED光源的圓形光斑照明系統(tǒng)應(yīng)用于普通的臺燈照明及手電筒照明，LED燈珠的布局可視應(yīng)用場所而定.本次設(shè)計的目標(biāo)是：使LED光源發(fā)出的光線經(jīng)過自由曲面透鏡后折射到距離為h=0.5 m的被照面上，在被照面上得到一個半徑為0.1 m的照度分布均勻的圓形光斑.

具體設(shè)計要求如下：（1）照度均勻度：不超過10%，即光通量的最大值與最小值之差要小于10%；（2）光能利用率：在保證照度均勻度的前提下不得低于60%，光能利用率的值越大越好.

2.2 基于非成像光學(xué)的智能LED臺燈光學(xué)系統(tǒng)仿真模擬及效果分析

LED二次光學(xué)設(shè)計就是將LED光源發(fā)出的光線分布到所期望的區(qū)域內(nèi)，并且滿足一定的均勻度要求[4].本文針對LED光源進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計，其設(shè)計方法是透鏡折射式.根據(jù)試錯法設(shè)計的透鏡模型如圖1、2所示.

由仿真模擬結(jié)果（如圖3、4）可知，LED光源在經(jīng)過設(shè)計好的單個透鏡后在目標(biāo)面上得到一個相應(yīng)的光斑，設(shè)計結(jié)果符合均勻度要求.

如圖5、6所示，可以較準(zhǔn)確地評估光斑區(qū)域的尺寸.根據(jù)仿真結(jié)果，得到的光斑基本呈矩形或圓形分布，照度均勻分布.其照度均勻度都達(dá)到了80%以上，使得LED臺燈獲得了比較高的光能利用率、高均勻度等優(yōu)點(diǎn).另外被照面的照度分布不是嚴(yán)格的矩形或圓形分布，這個誤差主要是光學(xué)系統(tǒng)的初始模型設(shè)置和多參數(shù)優(yōu)化過程中引入的.所以該自由曲面透鏡達(dá)到了本次光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計要求.

3 基于非成像光學(xué)的智能LED臺燈控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

整個系統(tǒng)硬件包括STC89C51單片機(jī)、熱釋電紅外傳感器模塊、紅外測距傳感器模塊、蜂鳴器提醒電路和燈光控制電路組成[6].硬件系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖7所示.

3.1.1 主要模塊功能介紹

圖1 矩形均勻光斑的透鏡模型圖

圖3 矩形光斑單個透鏡的模擬照度分布圖

圖5 矩形光斑單個透鏡的模擬照度

圖2 圓形均勻光斑的透鏡模型圖

圖4 圓形光斑單個透鏡的模擬照度分布圖

圖6 圓形光斑單個透鏡的模擬剖面分布圖

圖7 硬件系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

圖8 臺燈硬件設(shè)計原理圖

（1）單片機(jī).選用STC89C51單片機(jī)，它的造價低、功耗低和性能高.該單片機(jī)擁有8K字節(jié)Flash、512字節(jié)RAM、32位I/O口線、內(nèi)置4KBEEPROM、MAX810復(fù)位電路、3個16位定時器/計數(shù)器、4個外部中斷，全雙工串行口.以單片機(jī)為控制中心對其他模塊進(jìn)行各方面的調(diào)控.

（2）紅外測距傳感器單元.利用超聲波傳感器測量用戶與臺燈之間的距離，當(dāng)兩者之間的距離小于20 cm時，通過利用蜂鳴器鳴叫的方式來提醒用戶注意保持與臺燈的距離.

（3）熱釋電紅外傳感器單元.利用熱釋電紅外傳感器感應(yīng)臺燈旁邊是否有人來自行控制臺燈的開與關(guān).

（4）光敏電阻單元.利用光敏二極管感應(yīng)外界光線的強(qiáng)弱來控制LED燈光的亮度.

（5）蜂鳴器提醒電路單元.根據(jù)STC89C51單片機(jī)發(fā)出的命令控制蜂鳴器是否鳴叫，從而實(shí)現(xiàn)報警操作.

（6）燈光控制電路單元.根據(jù)STC89C51給出的命令控制LED燈的開與關(guān)，實(shí)現(xiàn)對LED燈的自動控制操作.

3.1.2 基于非成像光學(xué)的智能LED臺燈硬件總體設(shè)計原理圖

圖8是由光敏電阻、蜂鳴器提醒電路、時鐘數(shù)碼管顯示電路、紅外測距電路和燈光控制電路組成.

圖9是由光敏電阻、熱釋電紅外傳感器、BISS0001組成的信號檢測及處理電路組成.

圖10是由單片機(jī)組成的燈光控制電路.LED的負(fù)極接地，所有燈并聯(lián)，正極接在三極管Q8的集電極，當(dāng)單片機(jī)的I0口LED輸出高電平時，Q7導(dǎo)通，Q8的基極被導(dǎo)通的Q7拉低，Q8導(dǎo)通，并聯(lián)的LED燈的正極就接在了電源上，LED燈變亮，當(dāng)單片機(jī)的I0口LED低電平時，Q7截止，Q8的基極被R12的10 k電阻拉高，Q8截止，并聯(lián)LED的正極不接電源，LED熄滅.當(dāng)單片機(jī)口很快的變化時，就可以通過PWM的占空比控制燈的亮度[7].

圖9 傳感器組成的信號檢測及處理部分

圖10 單片機(jī)燈光控制電路

圖11 是紅外測距模塊電路圖.本設(shè)計所用紅外測距傳感器平時輸出高電平，當(dāng)檢測到被檢測物體時信號處理電路接收到低電平信號，并向STC89C51單片機(jī)發(fā)送一個中斷，從而實(shí)現(xiàn)測距報警操作[8].

3.2 主程序流程圖

圖11 紅外測距模塊電路圖

圖12 主程序流程圖

4 結(jié)論與展望

本文利用非成像設(shè)計原理設(shè)計出了滿足照明要求的光學(xué)系統(tǒng)，根據(jù)分析仿真結(jié)果，可知本次設(shè)計的光學(xué)系統(tǒng)分別實(shí)現(xiàn)了距離光源0.5 m處的目標(biāo)平面上的圓形光斑照明和矩形光斑照明.此次設(shè)計制作的智能臺燈，能在紅外熱釋電傳感器的檢測范圍內(nèi)且外界光強(qiáng)較弱時自動開燈，無人時自動關(guān)燈，節(jié)約資源.同時，當(dāng)人體與臺燈之間的距離小于20 cm時，蜂鳴器就會報警使人糾正坐姿.

[1]柴君夫.基于STM32的LED智能學(xué)習(xí)型臺燈系統(tǒng)的設(shè)計[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2016：12-13.

[2]袁巧霞.LED臺燈的設(shè)計與研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2012.

[3]楊朋.基于LED的非成像光學(xué)照明系統(tǒng)設(shè)計[D].南京：南京理工大學(xué)，2014：12-13.

[4]楊朋，諶雄文，周韜，等.一種基于LED的均勻矩形光斑透鏡設(shè)計[J].科學(xué)視界，2016（25）：228-229.

[5]田軍委，肖清林，張波，等.智能護(hù)眼臺燈設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2015，17（23）：161-163.

[6]梁計鋒，劉瑞妮，尤國強(qiáng).智能護(hù)眼臺燈電路的設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2015，20（23）：155-157.

[7]羅旭，付沈文.一種基于單片機(jī)的智能型多功能臺燈設(shè)計[J].信息通信，2014（12）：52-53.

[8]徐安安，任乘乘，吳珊珊，等.基于STC系列單片機(jī)對智能LED 臺燈調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計[J].照明工程學(xué)報，2014，6（27）：88-93.