基于非成像光學智能LED臺燈的設計

周 韜， 楊 朋

1 前言

本文設計了一種LED智能臺燈，光學系統部分以非成像光學為基礎，設計出兩種能對LED進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，用于是否有人進入檢測范圍內；以光敏二極管及A/D轉換為光學度檢測模塊，用于檢測環境的亮度值以達到自動控制臺燈開關的效果；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 基于非成像光學的智能LED臺燈光學系統設計

在臺燈照明系統中，LED光源發出的光線經過光學器件發生折射或反射的作用后投射到照明區域，如果該光學器件的結構不合理，則會造成臺燈的光能利用率不高且照明區域的照度大小不均勻[2].為了改善臺燈的照明質量以及提高光能的利用效率，需要根據光學系統設計中的有關知識對光學器件進行科學合理的光學設計[3].

2.1 基于非成像光學的LED臺燈均勻光斑照明的光學系統設計

（A）本次設計的單顆LED光源的矩形光斑照明系統適用于臺燈照明，LED燈珠的布局可以由不同的應用場所而定.LED臺燈的照明面一般為平行的目標面，在進行二次光學設計時可以將平行的目標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，這種光學系統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.本次設計要達到的目標為：使LED光源發出的光線經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）本次設計的單顆LED光源的圓形光斑照明系統應用于普通的臺燈照明及手電筒照明，LED燈珠的布局可視應用場所而定.本次設計的目標是：使LED光源發出的光線經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 基于非成像光學的智能LED臺燈光學系統仿真模擬及效果分析

LED二次光學設計就是將LED光源發出的光線分布到所期望的區域內，并且滿足一定的均勻度要求[4].本文針對LED光源進行二次光學設計，其設計方法是透鏡折射式.根據試錯法設計的透鏡模型如圖1、2所示.

由仿真模擬結果（如圖3、4）可知，LED光源在經過設計好的單個透鏡后在目標面上得到一個相應的光斑，設計結果符合均勻度要求.

如圖5、6所示，可以較準確地評估光斑區域的尺寸.根據仿真結果，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、高均勻度等優點.另外被照面的照度分布不是嚴格的矩形或圓形分布，這個誤差主要是光學系統的初始模型設置和多參數優化過程中引入的.所以該自由曲面透鏡達到了本次光學系統設計要求.

3 基于非成像光學的智能LED臺燈控制系統設計

3.1 硬件系統設計

整個系統硬件包括STC89C51單片機、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].硬件系統設計結構圖如圖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 硬件系統設計結構圖

圖8 臺燈硬件設計原理圖

（1）單片機.選用STC89C51單片機，它的造價低、功耗低和性能高.該單片機擁有8K字節Flash、512字節RAM、32位I/O口線、內置4KBEEPROM、MAX810復位電路、3個16位定時器/計數器、4個外部中斷，全雙工串行口.以單片機為控制中心對其他模塊進行各方面的調控.

（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臺燈旁邊是否有人來自行控制臺燈的開與關.

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

（5）蜂鳴器提醒電路單元.根據STC89C51單片機發出的命令控制蜂鳴器是否鳴叫，從而實現報警操作.

（6）燈光控制電路單元.根據STC89C51給出的命令控制LED燈的開與關，實現對LED燈的自動控制操作.

3.1.2 基于非成像光學的智能LED臺燈硬件總體設計原理圖

圖8是由光敏電阻、蜂鳴器提醒電路、時鐘數碼管顯示電路、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是由單片機組成的燈光控制電路.LED的負極接地，所有燈并聯，正極接在三極管Q8的集電極，當單片機的I0口LED輸出高電平時，Q7導通，Q8的基極被導通的Q7拉低，Q8導通，并聯的LED燈的正極就接在了電源上，LED燈變亮，當單片機的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LED的正極不接電源，LED熄滅.當單片機口很快的變化時，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 單片機燈光控制電路

圖11 是紅外測距模塊電路圖.本設計所用紅外測距傳感器平時輸出高電平，當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單片機發送一個中斷，從而實現測距報警操作[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 結論與展望

本文利用非成像設計原理設計出了滿足照明要求的光學系統，根據分析仿真結果，可知本次設計的光學系統分別實現了距離光源0.5 m處的目標平面上的圓形光斑照明和矩形光斑照明.此次設計制作的智能臺燈，能在紅外熱釋電傳感器的檢測范圍內且外界光強較弱時自動開燈，無人時自動關燈，節約資源.同時，當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智能學習型臺燈系統的設計[D].秦皇島：燕山大學，2016：12-13.

[2]袁巧霞.LED臺燈的設計與研究[D].廣州：華南理工大學，2012.

[3]楊朋.基于LED的非成像光學照明系統設計[D].南京：南京理工大學，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計[J].科學視界，2016（25）：228-229.

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

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

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

[8]徐安安，任乘乘，吳珊珊，等.基于STC系列單片機對智能LED 臺燈調光系統設計[J].照明工程學報，2014，6（27）：88-93.