智能護眼臺燈電路的設計

梁計鋒，劉瑞妮，尤國強

（西安翻譯學院電子工程系，陜西西安710105）

智能護眼臺燈電路的設計

梁計鋒，劉瑞妮，尤國強

（西安翻譯學院電子工程系，陜西西安710105）

現在市場上銷售的臺燈大都是通過手動調節燈光亮度，不能靈活的自動調節光亮，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程中的不良習慣及忽視光線強度而造成的各種眼睛和脊柱問題，主要通過光電傳感器對環境光線及俯身位置的檢測，自動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，結構簡單，高效節能，成本低廉等優點，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；三極管放大器；自動調光；自動報警

臺燈是我們工作學習的好幫手，一個小小的臺燈，給我們在光線較暗的時候看書、學習等帶來了巨大便利。據相關調查結果顯示，現在使用臺燈的大多數是學生和教師，由于現在學習任務繁重，幾乎所有同學都要晚上“開夜車”做各種作業，臺燈則是他們的主要學習工具之一。而現在很多青少年伏案閱讀學習是由于坐姿不正確以及燈光使用不當，很容易造成視覺疲勞甚至近視。并且目前我們所使用的臺燈，大多都是手動調節光亮，市場上的所謂護眼燈等產品，不過是在臺燈內裝上好質量的鎮流器及換上光線更加柔和的LED燈管而已。即使有可以調節亮度的開關，但很多人在認真讀書寫字的時候根本就忘記了調節亮度了，所有手動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刻提醒坐姿有問題的臺燈，則不但可以起到節能護眼的目的，還能夠糾正很多同學不良的寫字姿勢。本設計就是以能夠實現真正智能護眼臺燈的實現而展開研究的。

1　智能臺燈功能簡介

本設計主要采用光控調節及自動控制原理實現以下功能：

1）燈珠亮度可以根據環境光線的亮度自動調節，即當環境光線較強時其燈珠亮度自動變弱；而當環境光線較弱時，燈珠亮度則自動變亮。

2）具有坐姿不良的報警功能。當寫字或看書者伏案過低，則其報警，提醒人應該注意坐姿。

3）具有獨立的電源開關。

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，為了方便起見我采用的是USB輸電的模式，可以將USB輸出連接上開關，加上濾波電容［1］。

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，非常簡單，我在此簡單介紹下即可［2］。（如圖1）

圖1　5V直流穩壓電源Fig.15 V DCstabilized voltage source

變壓器輸出9 V電壓經過橋式整流電路并電容濾波，在電容C1兩端大概會有11 V多一點的電壓，如若從電容兩邊直接接一個負載，當負載改變或交流電源有一些波動就使C1兩端的電壓較大幅度的變化，要獲得一個更穩定的電壓，需要來接一個三端穩壓元件。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，在研究電路時可簡單的看作這是一個能自動調節電阻的元件。當負載電流大時三端穩壓器內的電阻會變小，而當負載電流變小時三端穩壓器內的電阻又會變大，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，就會采用7805，7805其型號可能會因不同生產廠家而不同。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，但實際使用盡量不要超過500 mA，不然會發熱很大，一不小心就燒壞了。當負載電有大于200 mA時需加散熱片。

2.2亮度自動調節部分

圖2　亮度自動調節電路Fig.2Automatic brightness adjust circuit

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電流為0.1 A［3］。

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［4］，該光敏電阻最大電壓100 V，亮電阻的范圍為1～10 kΩ，暗電阻為10 MΩ，最大功耗50 mW，光譜峰值540 nm，響應時間30 ms。

R6選4.3 kΩ的電阻，R7選15 Ω小電阻。

YL-D0101RW-A2-01 1W大功率白光LED燈珠的發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，燈珠發光率為100%。

1）當環境照度處于正常水平時，光敏電阻R17的阻值為5 kΩ。則三極管Q2基極偏壓VB為：

2）當環境過亮時，光敏電阻R17的阻值為1 kΩ。則三極管Q2基極偏壓VB為：

VB=VCC≈1.67 V，發光強度η=7.1%

3）當環境光照較暗時，光敏電阻阻值為10 kΩ

通過以上計算結果發現。本臺燈的亮度能隨環境光照條件自動變化，當環境光線較亮時，臺燈能自動降低52%的亮度，當環境光線過暗時，臺燈能自動增加12.7%的亮度。環境光照變化之間，燈就會自動調節亮度。用戶會處在一個舒適的用眼環境。

值得注意的是，這里說的環境光照是指臺燈亮度范圍內的環境光照，因為光敏電阻RG2是一個可移動的探頭，使用臺燈如看書時，該探頭應放置在書本附近才更真實。

2.3臺燈報警部分

低光報警器電路實現較低光線時能自動報警［5］。即光線變化時（光照強度變小），光敏電阻阻值陡增，輸入值改變，555定時器改變輸出信號，使得喇叭或是蜂鳴器發聲，達到自動報警的目的。（如圖3）

圖3　臺燈低光報警電路Fig.3Desk lamp with low light alarm circuit

低光報警器電路實現較低光線時能自動報警。即光線變化時（光照強度變小），光敏電阻阻值陡增，輸入值改變，555定時器［6］改變輸出信號，使得喇叭或是蜂鳴器發聲，達到自動報警的目的。

由555定時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定時器，將定時器接成多諧振蕩電路，構成信號產生電路。低光報警電路在黑暗或光線不足的情況下，依靠光敏電阻的阻值增大使555定時器振蕩輸出矩形波，觸發蜂鳴器，能夠實現低光報警。

對振蕩電路來說，555定時器為其核心。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、發光二極管D4工作［7］，555定時器的功能主要由兩個比較器確定。電壓控制RS觸發器和放電管的狀態由兩個比較器的輸出確定。在電源與地之間施加電壓，當5腳懸空時，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，置RG1在光照下，555沒有輸出頻率，蜂鳴器也就不會響。細調RG1，使光照變弱，當調到某一數值時，電路起振，揚聲器發出“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）打開開關。

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

3）使用一個手電筒照射臺燈上部的光敏電阻時，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，臺燈逐漸變暗甚至不發光。

測試證明，本設計可以正常運行，功能完善。

4　結束語

隨著時代發展，智能臺燈必定是未來的主流臺燈用具。利用光敏元件的特性用于智能開關控制方面成本低廉，效果顯著。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過于靠近臺燈時及時提醒用戶糾正坐姿，對于保護視力有很好的幫助。本設計制作的臺燈在節能環保，保護視力等方面比普通臺燈有了較大的改進，符合發展需要，具有廣闊的前景。

本課題的電路實現還可以選著單片機制作，但因為學科選修問題，以及模擬電路可以對模擬信號進行精確的、實時的處理，單片機不容易實現這些要求，以及單片機成本較高，模擬電路在微弱信號放大上有無可比擬的優勢。所以我選擇了用模擬電路來實現本電路的功能。

［1］羅翱，周澤坤，張波.一種USB電源開關的設計［J］.微電子學，2007，37（4）：592-594. LUO Ao，ZHOU Ze-kun，ZHANG Bo.Design of a USB power switch［J］.Microelectronics，2007，37（4）：592-594.

［2］華中工學院電子學教研室，康華光.電子技術基礎（模擬部分）［M］.3版.北京：高等教育出版社，1988.

［3］位永輝，陳綏陽.基于BISS0001的智能臺燈設計［J］.中小企業管理與科技，2010（10）：293-294. WEI Yong-hui，CHEN Sui-yang.Intelligent table lamp design based on BISS0001［J］.Small and Medium-sized Enterprise Management and Technology，2010（10）：293-294.

［4］張洪潤.傳感器技術大全［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2007.

［5］佟為明.低壓電器繼電器及其控制系統［M］.2版.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2003.

［6］郁有文，常健，程繼紅.傳感器原理及工程應用［M］.3版.西安：西安電子科技大學出版社，2008.

［7］劉姝佩，劉迎澍，楊珵.PTP時鐘同步方案研究［J］.陜西電力，2013（12）：66-70. LIU Shu-pei，LIU Ying-shu，YANG Cheng.Research on PTP clock synchronization scheme［J］.Shaanxi Electric Power，2013（12）：66-70.

Design of intelligent eye protection desk lamp circuit

LIANG Ji-feng，LIU Rui-ni，YOU Guo-qiang
（Electronics Engineering Department of Xi，an FanYi University，Xi'an 710105，China）

The current on-sale desk lamps adjust their brightness manually，not automatically.；which is not only troublesome，but also easy to cause unnecessary waste of resources and has a bad effect on the eyes.The design situates on eyes and spine problems caused by bad habits of ignoring light intensity in the use of desk lamps.In the purpose of eye protection and sitting posture correction，the designed lamps adjust the brightness and alarm automatically mainly through photoelectric sensor detection to ambient light and bent-over position.The circuit has the advantages of reasonable design，simple structure，low cost and other advantages in order to make up for the deficiency of existing desk lamps in the aspect of intelligent dimming and alarm.

desk lamp；triode amplifier；automatic dimming；automatic alarm

TN99

A

1674-6236（2015）20-0155-03

2014-12-31稿件編號：201412329

梁計鋒（1979—），男，陜西咸陽人，講師。研究方法：電子技術。