智能護眼臺燈電路的設計

摘要：現在市場(chǎng)上銷(xiāo)售的臺燈大都是通過(guò)手動(dòng)調節燈光亮度，不能靈活的自動(dòng)調節光亮，不但麻煩，而且易造成不必要的浪費和對眼睛有不良的影響。本設計針對于很多人在使用臺燈過(guò)程中的不良習慣及忽視光線(xiàn)強度而造成的各種眼睛和脊柱問(wèn)題，主要通過(guò)光電傳感器對環(huán)境光線(xiàn)及俯身位置的檢測，自動(dòng)調節臺燈亮度和報警，以達到保護眼睛及糾正坐姿的目的。該電路具有設計合理，結構簡(jiǎn)單，高效節能，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，彌補了現有臺燈不能真正做到智能調光與報警的不足。

臺燈是我們工作學(xué)習的好幫手，一個(gè)小小的臺燈，給我們在光線(xiàn)較暗的時(shí)候看書(shū)、學(xué)習等帶來(lái)了巨大便利。據相關(guān)調查結果顯示，現在使用臺燈的大多數是學(xué)生和教師，由于現在學(xué)習任務(wù)繁重，幾乎所有同學(xué)都要晚上“開(kāi)夜車(chē)”做各種作業(yè)，臺燈則是他們的主要學(xué)習工具之一。而現在很多青少年伏案閱讀學(xué)習是由于坐姿不正確以及燈光使用不當，很容易造成視覺(jué)疲勞甚至近視。并且目前我們所使用的臺燈，大多都是手動(dòng)調節光亮，市場(chǎng)上的所謂護眼燈等產(chǎn)品，不過(guò)是在臺燈內裝上好質(zhì)量的鎮流器及換上光線(xiàn)更加柔和的LED燈管而已。即使有可以調節亮度的開(kāi)關(guān)，但很多人在認真讀書(shū)寫(xiě)字的時(shí)候根本就忘記了調節亮度了，所有手動(dòng)的亮度調節護眼意義不大。所以如果有一臺能夠智能調節光照亮度及時(shí)刻提醒坐姿有問(wèn)題的臺燈，則不但可以起到節能護眼的目的，還能夠糾正很多同學(xué)不良的寫(xiě)字姿勢。本設計就是以能夠實(shí)現真正智能護眼臺燈的實(shí)現而展開(kāi)研究的。

1 智能臺燈功能簡(jiǎn)介

本設計主要采用光控調節及自動(dòng)控制原理實(shí)現以下功能：

1)燈珠亮度可以根據環(huán)境光線(xiàn)的亮度自動(dòng)調節，即當環(huán)境光線(xiàn)較強時(shí)其燈珠亮度自動(dòng)變弱;而當環(huán)境光線(xiàn)較弱時(shí)，燈珠亮度則自動(dòng)變亮。

2)具有坐姿不良的報警功能。當寫(xiě)字或看書(shū)者伏案過(guò)低，則其報警，提醒人應該注意坐姿。

3)具有獨立的電源開(kāi)關(guān)。

2 設計原理及電路

該電路主要由3部分組成，電源部分，亮度自動(dòng)調節部分及電路報警部分。

2.1 電源部分

1)USB電源

本測試電路主要應用5 V直流電壓，為了方便起見(jiàn)我采用的是USB輸電的模式，可以將USB輸出連接上開(kāi)關(guān)，加上濾波電容。

2)三端穩壓電源

由于此電源的設計即為直流穩壓電源的設計，有模擬電路知識的都可以設計，非常簡(jiǎn)單，我在此簡(jiǎn)單介紹下即可。(如圖1)

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)負載，當負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)更穩定的電壓，需要來(lái)接一個(gè)三端穩壓元件。三端穩壓器是一種集成電路元件，其內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)調節電阻的元件。當負載電流大時(shí)三端穩壓器內的電阻會(huì )變小，而當負載電流變小時(shí)三端穩壓器內的電阻又會(huì )變大，這就能使得穩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其型號可能會(huì )因不同生產(chǎn)廠(chǎng)家而不同。三端穩壓器.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。當負載電有大于200 mA時(shí)需加散熱片。

2.2 亮度自動(dòng)調節部分

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

電位器為R0是3296-W103型號電位器，可調范圍1～10 kΩ。

光敏電阻RG2選用φ3系列的GL3516型號光敏電阻，該光敏電阻最大電壓100 V，亮電阻的范圍為1～10kΩ，暗電阻為10 MΩ，最大功耗50 mW，光譜峰值540 nm，響應時(shí)間30 ms。

R6選4.3 kΩ的電阻，R7選15 Ω小電阻。

YL—DO101RW—A2—01 1W大功率自光LED燈珠的發(fā)光率和電流計算式為：

η=3I*100%(I的單位為A)

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

通過(guò)以上計算結果發(fā)現。本臺燈的亮度能隨環(huán)境光照條件自動(dòng)變化，當環(huán)境光線(xiàn)較亮時(shí)，臺燈能自動(dòng)降低52%的亮度，當環(huán)境光線(xiàn)過(guò)暗時(shí)，臺燈能自動(dòng)增加12.7%的亮度。環(huán)境光照變化之間，燈就會(huì )自動(dòng)調節亮度。用戶(hù)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)境光照是指臺燈亮度范圍內的環(huán)境光照，因為光敏電阻RG2是一個(gè)可移動(dòng)的探頭，使用臺燈如看書(shū)時(shí)，該探頭應放置在書(shū)本附近才更真實(shí)。

2.3 臺燈報警部分

低光報警器電路實(shí)現較低光線(xiàn)時(shí)能自動(dòng)報警。即光線(xiàn)變化時(shí)(光照強度變小)，光敏電阻阻值陡增，輸入值改變，555定時(shí)器改變輸出信號，使得喇叭或是蜂鳴器發(fā)聲，達到自動(dòng)報警的目的。(如圖3)

低光報警器電路實(shí)現較低光線(xiàn)時(shí)能自動(dòng)報警。即光線(xiàn)變化時(shí)(光照強度變小)，光敏電阻阻值陡增，輸入值改變，555定時(shí)器改變輸出信號，使得喇叭或是蜂嗚器發(fā)聲，達到自動(dòng)報警的的。

由555定時(shí)器和光敏電阻為主要器件組成的低光報警電路，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，構成信號產(chǎn)生電路。低光報警電路在黑暗或光線(xiàn)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，能夠實(shí)現低光報警。

對振蕩電路來(lái)說(shuō)，555定時(shí)器為其核心。其輸入信號受電阻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，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)器設置為0，使輸出為低。

在電路調試中，當正常光照為110勒克斯時(shí)，置RG1在光照下，555沒(méi)有輸出頻率，蜂鳴器也就不會(huì )響。細調RG1，使光照變弱，當調到某一數值時(shí)，電路起振，揚聲器發(fā)出“嘟……”聲，然后再將光照增大少許，使電路恰好停振，該報警器就調試成功了。

3 電路測試

以此仿真制作模擬電路，測試該光控臺燈操作步驟如下：

1)打開(kāi)開(kāi)關(guān)。

2)用不透明紙板遮擋臺燈下邊光敏元件時(shí)，臺燈警報燈閃，并且蜂鳴器發(fā)出聲音，當將紙板移開(kāi)時(shí)，警報燈滅，蜂鳴器不發(fā)出聲音。

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

測試證明，本設計可以正常運行，功能完善。

4 結束語(yǔ)

隨著(zhù)時(shí)代發(fā)展，智能臺燈必定是未來(lái)的主流臺燈用具。利用光敏元件的特性用于智能開(kāi)關(guān)控制方面成本低廉，效果顯著(zhù)。采用光敏電阻和三極管作為亮度控制模塊的核心結構十分簡(jiǎn)單。由于放棄使用單片機大大降低了臺燈的成本。用熱釋電紅外傳感器和二級放大電路等組成的報警模塊能在用戶(hù)過(guò)于靠近臺燈時(shí)及時(shí)提醒用戶(hù)糾正坐姿，對于保護視力有很好的幫助。本設計制作的臺燈在節能環(huán)保，保護視力等方面比普通臺燈有了較大的改進(jìn)，符合發(fā)展需要，具有廣闊的前景。

本課題的電路實(shí)現還可以選著(zhù)單片機制作，但因為學(xué)科選修問(wèn)題，以及模擬電路可以對模擬信號進(jìn)行精確的、實(shí)時(shí)的處理，單片機不容易實(shí)現這些要求，以及單片機成本較高，模擬電路在微弱信號放大上有無(wú)可比擬的優(yōu)勢。所以我選擇了用模擬電路來(lái)實(shí)現本電路的功能。