對多功能LED護眼臺燈設計的探討

范苗苗 劉唯 吳慧文

摘? ?要：文章在傳統臺燈產品的基礎上，結合個性化需求，對臺燈的結構和功能進行優化，設計一款具備護眼照明、光亮調節、學習姿態檢測、學習工作時間檢測提醒的多功能LED護眼臺燈。相對于市場上的臺燈而言，其避開了功能單一的缺點，具有多個功能的集成化和自動化等優勢，成本低廉，性能優越，具有良好的實用性和商業價值。

關鍵詞：多功能;護眼;自動化;市場價值

1? ? 護眼臺燈的研究發展現狀

目前，市場上的LED臺燈基本上都由簡單的電源開關、亮度調節旋鈕和LED驅動器組成，只具有簡單的開啟、關閉、手動調節以及LED驅動恒流恒壓控制功能，整體功能單一，能耗不精確，無法實現智能控制。隨著經濟的發展，人們對物質生活不斷提出更高的要求，現在市場上功能、形式單一的產品已經滿足不了人們的需求。在滿足功能需要的同時，產品還需符合用戶的興趣、品味等。

在一款HZ-713折疊LED書燈萬年歷中（便攜式折疊LED書燈），其亮度可無級調節，配有萬年歷鬧鐘。順德產奧特朗MT-813型電子鐘/護眼臺燈在燈座上裝有電池供電的小型電子鬧鐘，并能設定鬧鐘響時發出電子鬧音。這兩款均采用了較為普遍的USB充電，但目前研究表明，可通過光電檢測模塊、微控制器等，將臺燈能源替換為更環保且自動化程度更高的太陽能。可見，除功能的多元化之外，還可輔以自動控制技術，實現LED臺燈的智能化。

胡恩威等[1]從自動控制方面入手，采用NXP和ARMCortexMO的MCU作為核心控制器，通過環境光線傳感器和超聲波測距傳感器，實時采集環境光線強度[2]來自動調節臺燈的亮度。另外，也有學者采用STM32微控器和LD3320可編程語音識別控制系統，開發一種高端、智能的學習臺燈，可以實現聲控和防近視功能。

在2015金點設計獎入圍名單中，有一款產品為兒童智能護眼臺燈，打破了現有同類產品的操作方式，機體上無任何按鍵，僅通過超聲波傳感器和光線感應器來獲取用戶數據，自動調整到最適合的光線強度，簡化了產品的操作，實現了全自動控制。深夜時，超聲波傳感器檢測到用戶活動，環形夜燈會自動亮起，為其照明。外形設計上采用簡約風，線條柔和且具有活力感，消除了同類產品的冰冷或幼稚感，極具人文關懷。

歐洲的燈具產品始終領先世界，意大利的臺燈設計除了著眼于提升產品性能，還注重產品與人的情感共鳴。這一理念也體現在荷蘭菲爾普斯“以人為本”的設計理念中。

2? ? 多功能LED護眼臺燈的集成化功能

2.1? 護眼照明功能

臺燈的用戶廣泛分布于各個年齡層，處于學習階段的青少年使用最為頻繁。在長時間的學習和工作過程中，臺燈性能不佳或用戶學習、用眼姿勢錯誤，長時間使用后會對用戶身體健康尤其是視力造成嚴重損害。LED臺燈對人體健康的影響主要根據以下指標判斷。

（1）頻閃。人眼適應的光線應是連續不間斷且短時間內無明暗變化的，即無頻閃。研究結果表明，臺燈頻閃引起的不良反應包括頭痛和眼疲勞、視力下降、注意力分散、光敏性癲癇癥以及自閉癥等[3]。

（2）藍光。是可見光中一種高能量短波光，可以輕易穿透晶狀體到達視網膜，加速黃斑區域的氧化，對眼睛產生極大傷害[4]。

（3）顯色指數及色溫。臺燈顯色指數的高低對用戶體驗有直接影響，顯色指數低，更易產生視覺疲勞以及身體其他器官的不適。據研究，色溫在2 800～5 000 K左右時，最為合適，適合閱讀需要[5]。

（4）照度均勻度及無影性。照度均勻度指規定表面上的最小照度與平均照度之比。光線分布越均勻，使用越舒服。

基于上述指標及其影響，本設計采用光纖傳導護眼臺燈，由三大模塊構成：第一，光電模塊（集成控制模塊）。由智能調光系統、智能調光電路、LED光源、散熱器、光纖耦合器及結構固定件組成。第二，光纖模塊。由塑料光纖、包覆層、結構固定件組成。第三，應用端（臺燈燈頭）。由藍光濾光片、控制開光系統、結構固定件組成。

光電模塊根據控制開關系統的反饋輸出目標亮度以及色溫。LED光源發出的光經過光纖準直器，將朗伯分布的光準直成近似平行光，進入塑料光纖端面中，由塑料光纖傳導至應用端，經過藍光濾光片，過濾掉一部分藍光（避免富藍化現象）后發出光進行照明。本方案采用塑料光纖，直徑可選擇范圍較廣，為0.3～1.5 mm，根據臺燈設計形態、尺寸不同，其直徑不同，光纖數量也做相應調整，后續樣品設計采用240根0.5 mm光纖[6]。

2.2? 智能調光功能

為實現臺燈光亮智能調節控制的功能，本產品以C8051F340單片機作為主控制部件，用光敏電阻測得環境的亮度值，并通過脈沖寬度調制（PWM），根據環境亮度調節LED亮度，三者組合構成燈光亮度自動控制系統。系統工作過程：光敏電阻[7]用于感應燈四周的光照強度，其實際電壓值通過ADC0832芯片轉換成相應的數字信號，由單片機接收數字信號，并與用戶設置的LED臺燈使用亮度值進行比較，經過單片機的IO口引出脈沖寬度調制脈沖，對臺燈的亮度進行自動調節。

2.3? 學習姿態檢測及提醒功能

本產品通過信號檢測模塊進行距離測量，并以測量距離為依據，實現坐姿矯正提醒功能。該信號檢驗模塊由熱釋電紅外線傳感器和紅外線測距感應器構成;熱釋電紅外線傳感器可用于感應有無人在，只對人體輻射紅外線波長為大約10 μm的紅外線輻射感應，而對身體外的某些物質不會激發探針行動，避免誤操作。坐姿矯正傳感器由紅外測距傳感器測量人與臺燈的距離，當小于報警距離時，單片機將接收到相應信號，并控制蜂鳴器進行報警。

2.4? 學習工作時間檢測提醒功能

考慮到大多數人存在長時間學習和工作的用眼問題，本產品特別加入學習和工作時間檢測提醒功能。采用DS1302時鐘芯片作為時鐘模塊，通過單片機指令編程實現計時功能;采用JQ8900-16P芯片作為語音模塊，在時鐘模塊計時完成后，進行相關的語音提醒;選用低功耗數字溫度傳感器DS18B20作為溫度檢測模塊，來實現臺燈周圍溫度檢測;采用LCD1602液晶顯示模塊來顯示時間、日歷和溫度等信息。單片機程序設計步驟如圖1所示。

3? ? 產品市場分析

基于產品的護眼及姿勢矯正功能，目標用戶可以定位為各年齡層學生，尤其是升學壓力較大的初高中生以及辦公室久坐的上班族等。此外，可在功能多樣化的基礎上優化產品外形設計、替換特定功能等，擴大用戶范圍。

相對于普通臺燈而言，除上述護眼、姿勢矯正功能外，本設計還具有功能集成化和自動化等優勢。在性能提升的同時，成本降低，具有可觀的商業價值。隨著健康和環保理念的普及，人們的消費標準逐漸提高，多功能護眼臺燈順應了當今消費標準發展趨勢，具有較大的開發潛力和市場價值。

4? ? 結語

本產品采用C8051F340型主控制芯片，通過光敏電阻測得環境的亮度值，以PWM的方式調節LED的亮度，利用紅外線傳感器進行距離的測量，設計出一款智能化 LED 臺燈。該設計可以實現根據環境光線自動調節亮度、抗藍光及頻閃、對不當姿勢報警提示等功能，旨在應用智能化控制技術，更好地保護用戶視力及身體健康，符合“以人為本”的設計理念，順應消費者消費標準的發展趨勢，市場價值可觀。

[參考文獻]

[1]胡恩威，周建林.基于LPC1114的智能節能LED臺燈控制器設計[J].電子世界，2013（6）：28-30.

[2]殷小芳，任家富，季翔宇.LED光源調光系統[J].科研設計成果，2011（5）：52-56.

[3]王偉，劉磊，劉爾立.讀寫作業臺燈的頻閃研究[J].光源與照明，2015（1）：37-40.

[4]全國照明電器標準化技術委員會.GB/T? 20145—2006燈和燈系統的光生物安全性[M].北京：中國標準出版社，2006.

[5]劉娜，王巍.閱讀臺燈色溫對于視覺功效的影響研究[J].照明工程學報，2011（5）：84-86，90.

[6]陳波，蔣鵬，楊仲奎.光纖傳導護眼臺燈設計[J].中國照明電器，2016（7）：27-31.

[7]田立東，周繼軍，秦會斌.PWM調光LED驅動器設計[J].機電工程，2012（4）：465-468.