一種超薄調(diào)光調(diào)色感應(yīng)地腳燈的設(shè)計(jì)

沈星星 余 孟 徐門俊 胡文濤 李 梅

（寧波公牛電器有限公司 慈溪 315314）

引言

從人手一部的手機(jī),到冰箱電視等家居電器,“超薄”審美在近幾年來可以說是橫掃生活各個(gè)領(lǐng)域,就連家中方寸大小的開關(guān)產(chǎn)品,設(shè)計(jì)精美的“超薄”款式也會(huì)更受消費(fèi)者喜愛。盤點(diǎn)近幾年開關(guān)電氣市場(chǎng)可以發(fā)現(xiàn),幾乎所有電氣家居品牌都推出了“超薄”開關(guān)產(chǎn)品。德力西電氣家居、公牛、西門子這幾個(gè)知名品牌都在超薄開關(guān)上有所涉獵,不斷研發(fā)推出“超薄”開關(guān)產(chǎn)品。從這幾個(gè)頭部電氣品牌的行動(dòng)可以看出,“超薄”必定是未來開關(guān)產(chǎn)品的一個(gè)主趨勢(shì)。

隨著人體感應(yīng)地腳燈產(chǎn)品的造型要求越來越薄，功能要求越來越多（增加調(diào)節(jié)燈光亮度、調(diào)節(jié)燈光色溫等功能），對(duì)于內(nèi)部線路板組件的設(shè)計(jì)難度也越來越大。本論文主要闡述超薄調(diào)光調(diào)色人體感應(yīng)地腳燈內(nèi)部線路板組件的設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

超薄調(diào)光調(diào)色人體感應(yīng)地腳燈內(nèi)部線路板組件主要由主控MCU、紅外感應(yīng)模塊、光感應(yīng)模塊、按鍵模塊、LED驅(qū)動(dòng)模塊及電源模塊組成。紅外感應(yīng)模塊采用數(shù)字紅外感應(yīng)傳感器，相較于傳統(tǒng)的模擬紅外傳感器，在同等性能下具有較大的成本優(yōu)勢(shì)。LED燈珠采用超薄的2835封裝雙色燈珠，大大減小了燈板的厚度以及寬度，實(shí)現(xiàn)地腳燈超薄的外觀要求。其結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 調(diào)光調(diào)色人體感應(yīng)地腳燈系統(tǒng)框圖

2 關(guān)鍵硬件設(shè)計(jì)

調(diào)光調(diào)色人體感應(yīng)地腳燈控制電路主要由電源模塊、按鍵及感應(yīng)模塊、燈板驅(qū)動(dòng)模塊、燈板模塊組成，其原理圖如圖2所示。

圖2 調(diào)光調(diào)色人體感應(yīng)地腳燈原理圖

2.1 電源模塊

如圖2所示，電源電路包括保險(xiǎn)電阻R20，泄放電阻R21、R22，CBB降壓電容C19，整流橋堆BR1，穩(wěn)壓管Z1，一級(jí)濾波電容C17、C18，三端穩(wěn)壓管U2以及二級(jí)濾波電容C8、C9。火線進(jìn)來首先連接保險(xiǎn)電阻R20，當(dāng)保險(xiǎn)電阻后級(jí)電路短路時(shí)，保險(xiǎn)電阻熔斷，防止元器件長(zhǎng)時(shí)間短路發(fā)熱引起火災(zāi)。保險(xiǎn)電阻R20后連接CBB降壓電容C19及泄放電阻R21、R22，因降壓電容C19兩端電壓差可達(dá)200 V，斷電后維修時(shí)手碰到電容會(huì)有觸電風(fēng)險(xiǎn)，因此需要在C19兩端并兩個(gè)泄放電阻，利用電阻發(fā)熱將C19兩端的能量釋放出去。C19后級(jí)接整流橋堆BR1，將交流電壓轉(zhuǎn)換成直流脈動(dòng)電壓。整流橋堆BR1后連接穩(wěn)壓管Z1，將直流脈動(dòng)電壓穩(wěn)壓成直流24 V，經(jīng)一級(jí)濾波電容C17、C18濾波后給后級(jí)三端穩(wěn)壓管及燈板電路供電。三端穩(wěn)壓管U2將直流24 V降壓到直流3.3 V，經(jīng)二級(jí)濾波電容C8、C9濾波后給后級(jí)控制芯片U1供電。

2.2 按鍵及感應(yīng)電路

按鍵及感應(yīng)電路主要由PIR紅外感應(yīng)探頭，控制芯片U1，光敏二極管CDS，可調(diào)電阻W1，輕觸按鍵K1以及若干電阻電容組成。本電路采用數(shù)字式紅外感應(yīng)探頭，將傳統(tǒng)的紅外感應(yīng)芯片和按鍵燈光控制芯片合二為一，降低線路板組件總體成本，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的高性價(jià)比。按鍵為1個(gè)輕觸按鍵，短按實(shí)現(xiàn)暖白和冷白色溫的切換，長(zhǎng)按實(shí)現(xiàn)燈光亮度由亮-暗-亮的循環(huán)調(diào)節(jié)。光敏二極管CDS用于檢測(cè)環(huán)境光線值，當(dāng)檢測(cè)到環(huán)境光線值低于8 Lux時(shí)，感應(yīng)到有人體經(jīng)過時(shí)，地腳燈自動(dòng)點(diǎn)亮。當(dāng)檢測(cè)到環(huán)境光線值高于30 Lux外部光線比較亮?xí)r，地腳燈不點(diǎn)亮，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。因光敏二極管CDS的光電流個(gè)體參數(shù)有差異[1]，會(huì)導(dǎo)致每個(gè)產(chǎn)品的光控范圍值會(huì)有偏差。為了保障每個(gè)產(chǎn)品的光控范圍都在要求范圍內(nèi)，出廠檢驗(yàn)時(shí)會(huì)調(diào)整可調(diào)電阻W1的值。紅外感應(yīng)探頭采用數(shù)字式紅外感應(yīng)探頭，數(shù)字式人體熱釋電紅外傳感器具有靈敏度高，體積小，重量輕特點(diǎn)[2]。其外殼采用優(yōu)質(zhì)的鋼材制成，結(jié)構(gòu)牢固，引入裝置采用橡膠密封圈式裝置結(jié)構(gòu)，控制線路板密封于殼子內(nèi)，安全可靠，接線與維護(hù)方便，是目前國(guó)內(nèi)外最簡(jiǎn)單易用的傳感器之一。

相較于傳統(tǒng)的模擬式紅外感應(yīng)探頭，本數(shù)字式感應(yīng)探頭具有更高的靈敏度、更優(yōu)越的信噪比以及更強(qiáng)的抗干擾能力。在成本上也有較高的優(yōu)勢(shì)。

2.3 燈板控制電路

燈板控制電路由控制芯片U1，限流電阻R8，R16，三極管Q1，Q2組成。三極管Q1連接至燈板的LED2分支，控制暖白燈珠的點(diǎn)亮與熄滅。三極管Q2連接至燈板的LED1分支，控制冷白燈珠的點(diǎn)亮與熄滅。當(dāng)控制芯片U1 OUT1腳輸出高電平時(shí)，三極管Q1導(dǎo)通，燈板的LED1分支的兩端形成電壓差，冷白燈珠點(diǎn)亮。當(dāng)控制芯片U1 OUT1腳輸出低電平時(shí)，三極管Q1截止，燈板的LED1分支的兩端無電壓差，冷白燈珠熄滅。LED2分支暖白燈珠點(diǎn)亮與熄滅原理同冷白燈珠。

控制芯片U1 OUT1腳可輸出PWM信號(hào)，用于實(shí)現(xiàn)燈光亮度的調(diào)節(jié)。PWM 調(diào)光全稱是 Pulse Width Modulation（脈沖寬度調(diào)制），在這一種調(diào)光方式下LED燈珠的亮度實(shí)際上是固定的，它是通過控制周期性開啟和關(guān)閉LED燈珠的時(shí)間長(zhǎng)短從而調(diào)節(jié)亮度，例如顯示 75 % 的亮度，那就是每個(gè)很短的時(shí)間周期內(nèi)，75 % 的時(shí)間點(diǎn)亮LED燈珠，25 % 的時(shí)間關(guān)閉LED燈珠，由于人眼具有視覺暫留效應(yīng)，燈光呈現(xiàn)給肉眼的感覺就會(huì)是一直以 75 % 的亮度亮著，但實(shí)際上它是以 100 % 的亮度快速「亮-滅-亮-滅」閃爍的。在低亮度狀態(tài)下，同一周期內(nèi)LED燈珠熄滅的時(shí)間較長(zhǎng)，容易產(chǎn)生屏閃的現(xiàn)象，眼睛長(zhǎng)時(shí)間盯著頻閃的燈光會(huì)造成視力疲勞，嚴(yán)重的會(huì)視力下降。

為了避免低亮度狀態(tài)下燈光出現(xiàn)頻閃現(xiàn)象（使用手機(jī)相機(jī)拍攝下燈光無條紋，相機(jī)刷新頻率200/1 s），燈光控制引腳需要使用硬件PWM輸出引腳，提高輸出頻率。PWM輸出頻率f1需≥f2/D 。（f2為相機(jī)的刷新頻率，D為燈光的調(diào)光深度）。本地腳燈要求的調(diào)光深度為1 %，即最小亮度可調(diào)到全亮亮度的1%，由公式可得，為了避免頻閃現(xiàn)象，燈光控制引腳的PWM輸出頻率需≥20 kHz。

2.4 燈板電路

燈板電路由限流電阻R3，R6以及7個(gè)雙色LED燈珠組成。雙色LED燈珠采用超薄2835貼片封裝，厚度僅0.7 mm，大大縮小了LED燈板的體積。因受超薄地腳燈總體厚度限制，燈罩與燈珠距離僅6.2 mm，燈珠的半光強(qiáng)發(fā)光視角為120 °。如圖3所示，若燈珠與燈珠之間間距較大，兩顆燈珠光覆蓋重疊區(qū)域之外會(huì)形成陰影區(qū)。為了達(dá)到發(fā)光面發(fā)光亮度均勻無暗區(qū)的效果，經(jīng)光學(xué)仿真計(jì)算，燈珠與燈珠間距設(shè)計(jì)需≤燈罩與燈珠的距離。結(jié)合實(shí)際打樣驗(yàn)證，如圖4，最終燈珠與燈珠間距定為5.8 mm。

圖3 燈珠發(fā)光示意圖

圖4 燈板裝配圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

調(diào)光調(diào)色人體感應(yīng)地腳燈軟件部分包括按鍵處理部分、LED燈驅(qū)動(dòng)部分、光線采集部分、紅外感應(yīng)部分以及系統(tǒng)邏輯控制部分。圖5為軟件控制框圖。

圖5 軟件控制框圖

按鍵處理部分主要用來檢測(cè)用戶按鍵動(dòng)作，短按按鍵實(shí)現(xiàn)燈光色溫的切換；長(zhǎng)按按鍵實(shí)現(xiàn)燈光由亮到暗，再由暗到亮的循環(huán)調(diào)節(jié)。LED燈驅(qū)動(dòng)部分主要用來控制燈光的亮滅以及亮度的調(diào)節(jié)。光線采集部分用來讀取光線采集信號(hào)電壓，當(dāng)信號(hào)電壓＜2 V時(shí)，默認(rèn)為晚上狀態(tài)，感應(yīng)到人體經(jīng)過時(shí)LED燈光點(diǎn)亮。當(dāng)信號(hào)電壓≥2 V時(shí)，默認(rèn)為白天狀態(tài)，感應(yīng)到人體經(jīng)過時(shí)LED燈光不點(diǎn)亮。紅外感應(yīng)部分用來識(shí)別紅外感應(yīng)探頭輸出的數(shù)字信號(hào)。當(dāng)有人體經(jīng)過時(shí)，紅外感應(yīng)探頭會(huì)輸出特定頻率的24位數(shù)字信號(hào)，控制芯片讀取信號(hào)后解析信號(hào)，當(dāng)信號(hào)解析為紅外觸發(fā)信號(hào)時(shí)，進(jìn)行相應(yīng)輸出。當(dāng)信號(hào)解析為其他干擾信號(hào)時(shí)，不執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。

4 結(jié)語(yǔ)

超薄的燈板設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品超薄6.8 mm的面板厚度，保障了產(chǎn)品外觀的美觀度。燈光色溫和亮度可調(diào)，滿足了不同人群對(duì)于燈光的不同需求。超高的PWM控制頻率，實(shí)現(xiàn)了低亮度狀態(tài)下燈光的柔和無頻閃。數(shù)字式紅外感應(yīng)方案，做到了超高的感應(yīng)靈敏度、抗干擾能力以及較低的成本。基于以上優(yōu)勢(shì)，相信本人體感應(yīng)地腳燈未來在家居裝飾市場(chǎng)具有廣泛的應(yīng)用前景。