對多功能LED護(hù)眼臺燈設(shè)計的探討

范苗苗 劉唯 吳慧文

摘? ?要：文章在傳統(tǒng)臺燈產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，結(jié)合個性化需求，對臺燈的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計一款具備護(hù)眼照明、光亮調(diào)節(jié)、學(xué)習(xí)姿態(tài)檢測、學(xué)習(xí)工作時間檢測提醒的多功能LED護(hù)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(yōu)勢，成本低廉，性能優(yōu)越，具有良好的實用性和商業(yè)價值。

關(guān)鍵詞：多功能;護(hù)眼;自動化;市場價值

1? ? 護(hù)眼臺燈的研究發(fā)展現(xiàn)狀

目前，市場上的LED臺燈基本上都由簡單的電源開關(guān)、亮度調(diào)節(jié)旋鈕和LED驅(qū)動器組成，只具有簡單的開啟、關(guān)閉、手動調(diào)節(jié)以及LED驅(qū)動恒流恒壓控制功能，整體功能單一，能耗不精確，無法實現(xiàn)智能控制。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對物質(zhì)生活不斷提出更高的要求，現(xiàn)在市場上功能、形式單一的產(chǎn)品已經(jīng)滿足不了人們的需求。在滿足功能需要的同時，產(chǎn)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(diào)節(jié)，配有萬年歷鬧鐘。順德產(chǎn)奧特朗MT-813型電子鐘/護(hù)眼臺燈在燈座上裝有電池供電的小型電子鬧鐘，并能設(shè)定鬧鐘響時發(fā)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(huán)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(shù)，實現(xiàn)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(huán)境光線傳感器和超聲波測距傳感器，實時采集環(huán)境光線強(qiáng)度[2]來自動調(diào)節(jié)臺燈的亮度。另外，也有學(xué)者采用STM32微控器和LD3320可編程語音識別控制系統(tǒng)，開發(fā)一種高端、智能的學(xué)習(xí)臺燈，可以實現(xiàn)聲控和防近視功能。

在2015金點設(shè)計獎入圍名單中，有一款產(chǎn)品為兒童智能護(hù)眼臺燈，打破了現(xiàn)有同類產(chǎn)品的操作方式，機(jī)體上無任何按鍵，僅通過超聲波傳感器和光線感應(yīng)器來獲取用戶數(shù)據(jù)，自動調(diào)整到最適合的光線強(qiáng)度，簡化了產(chǎn)品的操作，實現(xiàn)了全自動控制。深夜時，超聲波傳感器檢測到用戶活動，環(huán)形夜燈會自動亮起，為其照明。外形設(shè)計上采用簡約風(fēng)，線條柔和且具有活力感，消除了同類產(chǎn)品的冰冷或幼稚感，極具人文關(guān)懷。

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

2? ? 多功能LED護(hù)眼臺燈的集成化功能

2.1? 護(hù)眼照明功能

臺燈的用戶廣泛分布于各個年齡層，處于學(xué)習(xí)階段的青少年使用最為頻繁。在長時間的學(xué)習(xí)和工作過程中，臺燈性能不佳或用戶學(xué)習(xí)、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(yán)重?fù)p害。LED臺燈對人體健康的影響主要根據(jù)以下指標(biāo)判斷。

（1）頻閃。人眼適應(yīng)的光線應(yīng)是連續(xù)不間斷且短時間內(nèi)無明暗變化的，即無頻閃。研究結(jié)果表明，臺燈頻閃引起的不良反應(yīng)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(lán)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(dá)視網(wǎng)膜，加速黃斑區(qū)域的氧化，對眼睛產(chǎn)生極大傷害[4]。

（3）顯色指數(shù)及色溫。臺燈顯色指數(shù)的高低對用戶體驗有直接影響，顯色指數(shù)低，更易產(chǎn)生視覺疲勞以及身體其他器官的不適。據(jù)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(guī)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(biāo)及其影響，本設(shè)計采用光纖傳導(dǎo)護(hù)眼臺燈，由三大模塊構(gòu)成：第一，光電模塊（集成控制模塊）。由智能調(diào)光系統(tǒng)、智能調(diào)光電路、LED光源、散熱器、光纖耦合器及結(jié)構(gòu)固定件組成。第二，光纖模塊。由塑料光纖、包覆層、結(jié)構(gòu)固定件組成。第三，應(yīng)用端（臺燈燈頭）。由藍(lán)光濾光片、控制開光系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)固定件組成。

光電模塊根據(jù)控制開關(guān)系統(tǒng)的反饋輸出目標(biāo)亮度以及色溫。LED光源發(fā)出的光經(jīng)過光纖準(zhǔn)直器，將朗伯分布的光準(zhǔn)直成近似平行光，進(jìn)入塑料光纖端面中，由塑料光纖傳導(dǎo)至應(yīng)用端，經(jīng)過藍(lán)光濾光片，過濾掉一部分藍(lán)光（避免富藍(lán)化現(xiàn)象）后發(fā)出光進(jìn)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(jù)臺燈設(shè)計形態(tài)、尺寸不同，其直徑不同，光纖數(shù)量也做相應(yīng)調(diào)整，后續(xù)樣品設(shè)計采用240根0.5 mm光纖[6]。

2.2? 智能調(diào)光功能

為實現(xiàn)臺燈光亮智能調(diào)節(jié)控制的功能，本產(chǎn)品以C8051F340單片機(jī)作為主控制部件，用光敏電阻測得環(huán)境的亮度值，并通過脈沖寬度調(diào)制（PWM），根據(jù)環(huán)境亮度調(diào)節(jié)LED亮度，三者組合構(gòu)成燈光亮度自動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)工作過程：光敏電阻[7]用于感應(yīng)燈四周的光照強(qiáng)度，其實際電壓值通過ADC0832芯片轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號，由單片機(jī)接收數(shù)字信號，并與用戶設(shè)置的LED臺燈使用亮度值進(jìn)行比較，經(jīng)過單片機(jī)的IO口引出脈沖寬度調(diào)制脈沖，對臺燈的亮度進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。

2.3? 學(xué)習(xí)姿態(tài)檢測及提醒功能

本產(chǎn)品通過信號檢測模塊進(jìn)行距離測量，并以測量距離為依據(jù)，實現(xiàn)坐姿矯正提醒功能。該信號檢驗?zāi)K由熱釋電紅外線傳感器和紅外線測距感應(yīng)器構(gòu)成;熱釋電紅外線傳感器可用于感應(yīng)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(yīng)，而對身體外的某些物質(zhì)不會激發(fā)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(dāng)小于報警距離時，單片機(jī)將接收到相應(yīng)信號，并控制蜂鳴器進(jìn)行報警。

2.4? 學(xué)習(xí)工作時間檢測提醒功能

考慮到大多數(shù)人存在長時間學(xué)習(xí)和工作的用眼問題，本產(chǎn)品特別加入學(xué)習(xí)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(jī)指令編程實現(xiàn)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(jìn)行相關(guān)的語音提醒;選用低功耗數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為溫度檢測模塊，來實現(xiàn)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(jī)程序設(shè)計步驟如圖1所示。

3? ? 產(chǎn)品市場分析

基于產(chǎn)品的護(hù)眼及姿勢矯正功能，目標(biāo)用戶可以定位為各年齡層學(xué)生，尤其是升學(xué)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(chǔ)上優(yōu)化產(chǎn)品外形設(shè)計、替換特定功能等，擴(kuò)大用戶范圍。

相對于普通臺燈而言，除上述護(hù)眼、姿勢矯正功能外，本設(shè)計還具有功能集成化和自動化等優(yōu)勢。在性能提升的同時，成本降低，具有可觀的商業(yè)價值。隨著健康和環(huán)保理念的普及，人們的消費標(biāo)準(zhǔn)逐漸提高，多功能護(hù)眼臺燈順應(yīng)了當(dāng)今消費標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展趨勢，具有較大的開發(fā)潛力和市場價值。

4? ? 結(jié)語

本產(chǎn)品采用C8051F340型主控制芯片，通過光敏電阻測得環(huán)境的亮度值，以PWM的方式調(diào)節(jié)LED的亮度，利用紅外線傳感器進(jìn)行距離的測量，設(shè)計出一款智能化 LED 臺燈。該設(shè)計可以實現(xiàn)根據(jù)環(huán)境光線自動調(diào)節(jié)亮度、抗藍(lán)光及頻閃、對不當(dāng)姿勢報警提示等功能，旨在應(yīng)用智能化控制技術(shù)，更好地保護(hù)用戶視力及身體健康，符合“以人為本”的設(shè)計理念，順應(yīng)消費者消費標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢，市場價值可觀。

[參考文獻(xiàn)]

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