家用臺燈照明優(yōu)化設計研究
——以LED臺燈為例

汪 嬋

陜西服裝工程學院，陜西 咸陽 712000

0 引言

隨著社會的不斷進步，如今的家用臺燈已經(jīng)不能滿足人們對于臺燈的照明需求以及使用需求[1]。為了進一步提高家用臺燈的照明舒適度，并且保護使用者的視力，需要對家用臺燈的光照度、光色等照明指標做進一步調整，以優(yōu)化家用臺燈的照明能力，確保家用臺燈能夠滿足如今市場的需求[2]。

1 家用臺燈的分類

目前較為常見的家用臺燈主要可以分為三類。（1）高頻燈。高頻燈的核心元件為高頻鎮(zhèn)流器。目前較為常用的交流電電力為50 Hz，直接使用交流電的話，電燈就會出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。高頻燈在1 s內會產生100次的明暗變化，而人眼的感知能力只能夠感知到30 Hz以下的變化，因此在人眼中，高頻燈所發(fā)射出來的光線并沒有明暗變化。這就是高頻燈被商家稱為護眼燈的原因。但是大量研究已經(jīng)表明，高頻燈對人眼的危害非常巨大，不僅如此，高頻燈還會產生高頻電磁輻射，對人的身體健康也有影響。（2）直流護眼燈。直流護眼燈的核心元件為直流鎮(zhèn)流器，工作原理是將交流電轉換成直流電，確保家用臺燈的電流和電壓處于平穩(wěn)狀態(tài)。日常生活中用到的電流基本都是交流電，而直流電在電力學上又被稱為恒定電流，直流護眼燈散發(fā)出來的光線比較柔和，能夠達到護眼的功效，并且直流電還不會產生電磁輻射。但是目前市場上直流護眼燈的銷售較少，因為直流護眼燈還是屬于熒光燈，而且直流護眼燈的生產加工較為復雜，大部分的燈具廠商都不愿意制作直流護眼燈。（3）LED護眼燈。LED是最新的光源模式，具有節(jié)能、環(huán)保、無頻閃等諸多優(yōu)點，但是目前市場上所出售的家庭式臺燈并沒有一定的護眼功能，在設計上并沒有相關的改變[3]。

目前市場上常見的家用臺燈仍以高頻燈為主，為進一步優(yōu)化家用臺燈的使用效果，需對家用臺燈的照明進行研究。

2 家用臺燈照明優(yōu)化設計思路

人對于環(huán)境的感知是由空間形態(tài)、臺燈的材質、臺燈的光源光線等元素決定的，因此視覺感官的信息處理是家用臺燈設計工作需要關注的重點問題。人的感官主要分為視覺、聽覺、味覺、嗅覺以及觸覺這五種，視覺和聽覺的生理構成構造復雜，技能也較為復雜，能夠接收遠處的信息，因此視覺和聽覺又被稱為高級感覺或者遠感覺。視覺是唯一一個可以在很短的時間內就對空間中的信息進行掌握以及感知的感官知覺，還可以整合收集到的空間信息。視覺的感官韋伯分數(shù)值是五覺中最高的，高達0.08分。在所有的感官知覺中，視覺感官的感知范圍也是最廣的，具有統(tǒng)合所有感官知覺的能力。人對于周圍環(huán)境的感知，主要是依靠視覺感官對光線進行反饋，因此人類視覺的經(jīng)驗與燈光的照明情況有著非常密切的關系。照明設計的主要目的就是在特定的空間內為使用者提供恰當?shù)墓庠磸亩鵀槭褂谜咛峁┮曈X活動。臺燈的照明設計最基本的考慮內容就是對視覺體系的考慮。

照明優(yōu)化設計需要根據(jù)家用臺燈對照明的要求進行，其實就是對家用臺燈的照度、亮度分度、陰影、炫光、光的顏色、照度穩(wěn)定性等與照明質量相關的指標進行處理，從而達到家用臺燈照明優(yōu)化設計的目的。研究人員認為家用臺燈照明優(yōu)化設計工作的核心是考慮人體自身的特點，將用戶的需求放在第一位，建立一種以用戶為中心的人工光環(huán)境，這樣才能達到家用臺燈照明優(yōu)化設計的目的。

3 LED臺燈的優(yōu)化設計

市面上較為常見的家用臺燈主要由節(jié)能燈與燈罩兩部分組成，燈具之中的主要電子元件是電子鎮(zhèn)流器以及啟動器，大部分的家用臺燈采用的電子鎮(zhèn)流器是高頻整流器，是通過將原本50 Hz的電頻提升到5 500 Hz，從而讓燈光變得柔和不刺眼，以此來達到照明護眼的目的。但是這種臺燈并不能達到護眼的效果，因此文章以LED燈作為主要燈源，對家用臺燈的照明進行優(yōu)化設計。

3.1 LED家用臺燈的設計思路

LED臺燈的功能設計主要包括以下幾個方面：（1）低功耗光源的設計。大部分家用臺燈的光源功率都在10 W以上，而此次研究中將對這一情況進行改善，在臺燈的光源方面采用5 mm草帽型的LED燈泡作為主要光源，這樣一來家用臺燈的光源功率只有1.15 W，符合當今社會綠色節(jié)能相關的理念。（2）LED燈的使用壽命相較于其他光源比較長，保證了家用臺燈的耐用性。（3）LED燈所散發(fā)的光大部分屬于可見光，燈光中紫外線以及紅外線的含量少，產生的輻射也少，直流供電模式也不會出現(xiàn)頻閃這一情況，能夠保護使用者的眼睛。（4）手動調節(jié)功能。使用者可以根據(jù)自身的感受對光源的強度進行調節(jié)。

此次LED臺燈的工作指標為220 V的工作電壓，60～100 mA的工作電流，1.2 W的最大功率，0.7 ℃的工作環(huán)境溫度，以及100 mm×100 mm×300 mm的外形尺寸。

3.2 LED家用臺燈的設計內容

（1）LED光源驅動模塊。在這一方面的設計上，此次研究將會采用變壓器將220 V的交流電轉化為12 V的交流電源，然后采用橋式整流以及電容對交流電源進行整流濾波，直到交流電源穩(wěn)定在15 V左右，再采用PT4115型電源驅動芯片將交流電源轉化為穩(wěn)定的恒流電源。（2）單片機外圍電路模塊。此次研究中采用的是89C51單片機，用于對手動調光以及紅外線檢測模塊的控制，主要包括的電路模塊內容為單片機電源電路部分、外圍晶振部分、復位電路部分以及串口部分。（3）紅外線檢測模式。紅外線檢測模式主要檢測的內容是使用者是否靠近臺燈，如果使用者靠近臺燈，紅外線感知模式會自動識別外部環(huán)境，然后將臺燈的外部光芒調亮；如果使用者遠離臺燈，臺燈則會自動將光芒調暗。（4）手動調節(jié)模塊。家用臺燈手動調節(jié)主要是通過兩個點觸式按鈕來實現(xiàn)這個功能，如果使用者按下減弱燈管的按鈕，單片機會檢測到低電平，然后光線的強度就會變弱，如果按下增強按鈕，光線的強度則會增強，從而達到手動調節(jié)光線的目的。

4 家用智能LED臺燈的設計

4.1 整體電路設計

此次研究中的家用LED臺燈整體的運行是在80C51的控制下展開的，具體的工作過程如下：通過熱釋電傳感器對臺燈的外部環(huán)境進行檢測，如果使用者沒有靠近臺燈，則熱釋電傳感器的2號端口不會產生信號，臺燈不會工作；如果使用者靠近臺燈，2號端口則出現(xiàn)緩慢切變化值較小的信號，這些信號經(jīng)過信號處理電路將信息傳遞給單片，同時通過光敏電阻對外部的環(huán)境進行光照強度檢測，根據(jù)外部的光照強度開展下一步的工作，進而點亮臺燈。

4.2 系統(tǒng)電路設計

此次研究中的系統(tǒng)電路設計主要由以下幾個部分構成。

（1）傳感器以及信號處理電路。這一部分是負責對使用者的人體輻射紅外信號以及外部的光強信號進行檢測，將檢測到的信號轉化為可以處理的數(shù)字信號。（2）由89C51構成的中央處理單元。其主要的工作內容為處理信號以及發(fā)出控制命令。（3）單片機外圍電路模塊。主要包括的電路模塊內容為單片機電源電路部分、外圍晶振部分、復位電路部分以及串口部分。

5 家用臺燈的照明優(yōu)化試驗

（1）參與試驗人員的選擇。家用臺燈的主要受眾為青少年群體，因此此次研究中所邀請的試驗人員主要為年齡在8～15歲的學生。（2）試驗步驟及試驗內容。此次試驗的內容是以使用者的視覺感知試驗作為主要基礎，對家用臺燈的照明進行調節(jié)。視覺感知測驗內容為，參與試驗的學生在一定的照明條件下進行數(shù)字化閱讀，用來判斷不同光線環(huán)境對于人體視覺的影響。（3）試驗結果。試驗結果證實照明條件對使用者的視覺能力的確有影響，不同光線之下，人體的視覺模糊程度會出現(xiàn)變化，使用者的閱讀準確率也會因此而受到改變。家用臺燈的色溫設計應該為6 500 K，桌面的照度應該為1 000 lx。（4）研究總結。閱讀照明這一因素是家用臺燈制造中必須關注的因素，對家用臺燈的照明功能進行優(yōu)化改良，能夠為使用者提供一個更加優(yōu)越的閱讀環(huán)境，并且可以幫助使用者保護視力。

6 結束語

隨著社會的飛速發(fā)展，如今的閱讀環(huán)境已經(jīng)逐漸從紙面閱讀變成了屏幕閱讀，閱讀媒介的轉變要求家用臺燈的照明條件也必須做出相應的改變，只有這樣才能夠適應目前的市場環(huán)境。此次研究對照明條件對于人視覺的影響以及目前市場上較為常見的家用臺燈進行了研究，并在此基礎上對照明條件對于使用者視覺的影響進行了試驗，提出一種最適合目前青少年使用的臺燈光照度設置，設計了一款LED智能家用臺燈。這款臺燈不僅能夠滿足使用者的使用需求，還符合目前市場對于家用臺燈的要求。該設計方案是集節(jié)能環(huán)保以及舒適度為一體的家用臺燈設計方案。