家用臺(tái)燈照明優(yōu)化設(shè)計(jì)研究
——以LED臺(tái)燈為例

汪 嬋

陜西服裝工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000

0 引言

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，如今的家用臺(tái)燈已經(jīng)不能滿(mǎn)足人們對(duì)于臺(tái)燈的照明需求以及使用需求[1]。為了進(jìn)一步提高家用臺(tái)燈的照明舒適度，并且保護(hù)使用者的視力，需要對(duì)家用臺(tái)燈的光照度、光色等照明指標(biāo)做進(jìn)一步調(diào)整，以?xún)?yōu)化家用臺(tái)燈的照明能力，確保家用臺(tái)燈能夠滿(mǎn)足如今市場(chǎng)的需求[2]。

1 家用臺(tái)燈的分類(lèi)

目前較為常見(jiàn)的家用臺(tái)燈主要可以分為三類(lèi)。（1）高頻燈。高頻燈的核心元件為高頻鎮(zhèn)流器。目前較為常用的交流電電力為50 Hz，直接使用交流電的話，電燈就會(huì)出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。高頻燈在1 s內(nèi)會(huì)產(chǎn)生100次的明暗變化，而人眼的感知能力只能夠感知到30 Hz以下的變化，因此在人眼中，高頻燈所發(fā)射出來(lái)的光線并沒(méi)有明暗變化。這就是高頻燈被商家稱(chēng)為護(hù)眼燈的原因。但是大量研究已經(jīng)表明，高頻燈對(duì)人眼的危害非常巨大，不僅如此，高頻燈還會(huì)產(chǎn)生高頻電磁輻射，對(duì)人的身體健康也有影響。（2）直流護(hù)眼燈。直流護(hù)眼燈的核心元件為直流鎮(zhèn)流器，工作原理是將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，確保家用臺(tái)燈的電流和電壓處于平穩(wěn)狀態(tài)。日常生活中用到的電流基本都是交流電，而直流電在電力學(xué)上又被稱(chēng)為恒定電流，直流護(hù)眼燈散發(fā)出來(lái)的光線比較柔和，能夠達(dá)到護(hù)眼的功效，并且直流電還不會(huì)產(chǎn)生電磁輻射。但是目前市場(chǎng)上直流護(hù)眼燈的銷(xiāo)售較少，因?yàn)橹绷髯o(hù)眼燈還是屬于熒光燈，而且直流護(hù)眼燈的生產(chǎn)加工較為復(fù)雜，大部分的燈具廠商都不愿意制作直流護(hù)眼燈。（3）LED護(hù)眼燈。LED是最新的光源模式，具有節(jié)能、環(huán)保、無(wú)頻閃等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是目前市場(chǎng)上所出售的家庭式臺(tái)燈并沒(méi)有一定的護(hù)眼功能，在設(shè)計(jì)上并沒(méi)有相關(guān)的改變[3]。

目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的家用臺(tái)燈仍以高頻燈為主，為進(jìn)一步優(yōu)化家用臺(tái)燈的使用效果，需對(duì)家用臺(tái)燈的照明進(jìn)行研究。

2 家用臺(tái)燈照明優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

人對(duì)于環(huán)境的感知是由空間形態(tài)、臺(tái)燈的材質(zhì)、臺(tái)燈的光源光線等元素決定的，因此視覺(jué)感官的信息處理是家用臺(tái)燈設(shè)計(jì)工作需要關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。人的感官主要分為視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、嗅覺(jué)以及觸覺(jué)這五種，視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)的生理構(gòu)成構(gòu)造復(fù)雜，技能也較為復(fù)雜，能夠接收遠(yuǎn)處的信息，因此視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)又被稱(chēng)為高級(jí)感覺(jué)或者遠(yuǎn)感覺(jué)。視覺(jué)是唯一一個(gè)可以在很短的時(shí)間內(nèi)就對(duì)空間中的信息進(jìn)行掌握以及感知的感官知覺(jué)，還可以整合收集到的空間信息。視覺(jué)的感官韋伯分?jǐn)?shù)值是五覺(jué)中最高的，高達(dá)0.08分。在所有的感官知覺(jué)中，視覺(jué)感官的感知范圍也是最廣的，具有統(tǒng)合所有感官知覺(jué)的能力。人對(duì)于周?chē)h(huán)境的感知，主要是依靠視覺(jué)感官對(duì)光線進(jìn)行反饋，因此人類(lèi)視覺(jué)的經(jīng)驗(yàn)與燈光的照明情況有著非常密切的關(guān)系。照明設(shè)計(jì)的主要目的就是在特定的空間內(nèi)為使用者提供恰當(dāng)?shù)墓庠磸亩鵀槭褂谜咛峁┮曈X(jué)活動(dòng)。臺(tái)燈的照明設(shè)計(jì)最基本的考慮內(nèi)容就是對(duì)視覺(jué)體系的考慮。

照明優(yōu)化設(shè)計(jì)需要根據(jù)家用臺(tái)燈對(duì)照明的要求進(jìn)行，其實(shí)就是對(duì)家用臺(tái)燈的照度、亮度分度、陰影、炫光、光的顏色、照度穩(wěn)定性等與照明質(zhì)量相關(guān)的指標(biāo)進(jìn)行處理，從而達(dá)到家用臺(tái)燈照明優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。研究人員認(rèn)為家用臺(tái)燈照明優(yōu)化設(shè)計(jì)工作的核心是考慮人體自身的特點(diǎn)，將用戶(hù)的需求放在第一位，建立一種以用戶(hù)為中心的人工光環(huán)境，這樣才能達(dá)到家用臺(tái)燈照明優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

3 LED臺(tái)燈的優(yōu)化設(shè)計(jì)

市面上較為常見(jiàn)的家用臺(tái)燈主要由節(jié)能燈與燈罩兩部分組成，燈具之中的主要電子元件是電子鎮(zhèn)流器以及啟動(dòng)器，大部分的家用臺(tái)燈采用的電子鎮(zhèn)流器是高頻整流器，是通過(guò)將原本50 Hz的電頻提升到5 500 Hz，從而讓燈光變得柔和不刺眼，以此來(lái)達(dá)到照明護(hù)眼的目的。但是這種臺(tái)燈并不能達(dá)到護(hù)眼的效果，因此文章以LED燈作為主要燈源，對(duì)家用臺(tái)燈的照明進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 LED家用臺(tái)燈的設(shè)計(jì)思路

LED臺(tái)燈的功能設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)方面：（1）低功耗光源的設(shè)計(jì)。大部分家用臺(tái)燈的光源功率都在10 W以上，而此次研究中將對(duì)這一情況進(jìn)行改善，在臺(tái)燈的光源方面采用5 mm草帽型的LED燈泡作為主要光源，這樣一來(lái)家用臺(tái)燈的光源功率只有1.15 W，符合當(dāng)今社會(huì)綠色節(jié)能相關(guān)的理念。（2）LED燈的使用壽命相較于其他光源比較長(zhǎng)，保證了家用臺(tái)燈的耐用性。（3）LED燈所散發(fā)的光大部分屬于可見(jiàn)光，燈光中紫外線以及紅外線的含量少，產(chǎn)生的輻射也少，直流供電模式也不會(huì)出現(xiàn)頻閃這一情況，能夠保護(hù)使用者的眼睛。（4）手動(dòng)調(diào)節(jié)功能。使用者可以根據(jù)自身的感受對(duì)光源的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

此次LED臺(tái)燈的工作指標(biāo)為220 V的工作電壓，60～100 mA的工作電流，1.2 W的最大功率，0.7 ℃的工作環(huán)境溫度，以及100 mm×100 mm×300 mm的外形尺寸。

3.2 LED家用臺(tái)燈的設(shè)計(jì)內(nèi)容

（1）LED光源驅(qū)動(dòng)模塊。在這一方面的設(shè)計(jì)上，此次研究將會(huì)采用變壓器將220 V的交流電轉(zhuǎn)化為12 V的交流電源，然后采用橋式整流以及電容對(duì)交流電源進(jìn)行整流濾波，直到交流電源穩(wěn)定在15 V左右，再采用PT4115型電源驅(qū)動(dòng)芯片將交流電源轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的恒流電源。（2）單片機(jī)外圍電路模塊。此次研究中采用的是89C51單片機(jī)，用于對(duì)手動(dòng)調(diào)光以及紅外線檢測(cè)模塊的控制，主要包括的電路模塊內(nèi)容為單片機(jī)電源電路部分、外圍晶振部分、復(fù)位電路部分以及串口部分。（3）紅外線檢測(cè)模式。紅外線檢測(cè)模式主要檢測(cè)的內(nèi)容是使用者是否靠近臺(tái)燈，如果使用者靠近臺(tái)燈，紅外線感知模式會(huì)自動(dòng)識(shí)別外部環(huán)境，然后將臺(tái)燈的外部光芒調(diào)亮；如果使用者遠(yuǎn)離臺(tái)燈，臺(tái)燈則會(huì)自動(dòng)將光芒調(diào)暗。（4）手動(dòng)調(diào)節(jié)模塊。家用臺(tái)燈手動(dòng)調(diào)節(jié)主要是通過(guò)兩個(gè)點(diǎn)觸式按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，如果使用者按下減弱燈管的按鈕，單片機(jī)會(huì)檢測(cè)到低電平，然后光線的強(qiáng)度就會(huì)變?nèi)酰绻聪略鰪?qiáng)按鈕，光線的強(qiáng)度則會(huì)增強(qiáng)，從而達(dá)到手動(dòng)調(diào)節(jié)光線的目的。

4 家用智能LED臺(tái)燈的設(shè)計(jì)

4.1 整體電路設(shè)計(jì)

此次研究中的家用LED臺(tái)燈整體的運(yùn)行是在80C51的控制下展開(kāi)的，具體的工作過(guò)程如下：通過(guò)熱釋電傳感器對(duì)臺(tái)燈的外部環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，如果使用者沒(méi)有靠近臺(tái)燈，則熱釋電傳感器的2號(hào)端口不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)，臺(tái)燈不會(huì)工作；如果使用者靠近臺(tái)燈，2號(hào)端口則出現(xiàn)緩慢切變化值較小的信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路將信息傳遞給單片，同時(shí)通過(guò)光敏電阻對(duì)外部的環(huán)境進(jìn)行光照強(qiáng)度檢測(cè)，根據(jù)外部的光照強(qiáng)度開(kāi)展下一步的工作，進(jìn)而點(diǎn)亮臺(tái)燈。

4.2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

此次研究中的系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成。

（1）傳感器以及信號(hào)處理電路。這一部分是負(fù)責(zé)對(duì)使用者的人體輻射紅外信號(hào)以及外部的光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為可以處理的數(shù)字信號(hào)。（2）由89C51構(gòu)成的中央處理單元。其主要的工作內(nèi)容為處理信號(hào)以及發(fā)出控制命令。（3）單片機(jī)外圍電路模塊。主要包括的電路模塊內(nèi)容為單片機(jī)電源電路部分、外圍晶振部分、復(fù)位電路部分以及串口部分。

5 家用臺(tái)燈的照明優(yōu)化試驗(yàn)

（1）參與試驗(yàn)人員的選擇。家用臺(tái)燈的主要受眾為青少年群體，因此此次研究中所邀請(qǐng)的試驗(yàn)人員主要為年齡在8～15歲的學(xué)生。（2）試驗(yàn)步驟及試驗(yàn)內(nèi)容。此次試驗(yàn)的內(nèi)容是以使用者的視覺(jué)感知試驗(yàn)作為主要基礎(chǔ)，對(duì)家用臺(tái)燈的照明進(jìn)行調(diào)節(jié)。視覺(jué)感知測(cè)驗(yàn)內(nèi)容為，參與試驗(yàn)的學(xué)生在一定的照明條件下進(jìn)行數(shù)字化閱讀，用來(lái)判斷不同光線環(huán)境對(duì)于人體視覺(jué)的影響。（3）試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)照明條件對(duì)使用者的視覺(jué)能力的確有影響，不同光線之下，人體的視覺(jué)模糊程度會(huì)出現(xiàn)變化，使用者的閱讀準(zhǔn)確率也會(huì)因此而受到改變。家用臺(tái)燈的色溫設(shè)計(jì)應(yīng)該為6 500 K，桌面的照度應(yīng)該為1 000 lx。（4）研究總結(jié)。閱讀照明這一因素是家用臺(tái)燈制造中必須關(guān)注的因素，對(duì)家用臺(tái)燈的照明功能進(jìn)行優(yōu)化改良，能夠?yàn)槭褂谜咛峁┮粋€(gè)更加優(yōu)越的閱讀環(huán)境，并且可以幫助使用者保護(hù)視力。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著社會(huì)的飛速發(fā)展，如今的閱讀環(huán)境已經(jīng)逐漸從紙面閱讀變成了屏幕閱讀，閱讀媒介的轉(zhuǎn)變要求家用臺(tái)燈的照明條件也必須做出相應(yīng)的改變，只有這樣才能夠適應(yīng)目前的市場(chǎng)環(huán)境。此次研究對(duì)照明條件對(duì)于人視覺(jué)的影響以及目前市場(chǎng)上較為常見(jiàn)的家用臺(tái)燈進(jìn)行了研究，并在此基礎(chǔ)上對(duì)照明條件對(duì)于使用者視覺(jué)的影響進(jìn)行了試驗(yàn)，提出一種最適合目前青少年使用的臺(tái)燈光照度設(shè)置，設(shè)計(jì)了一款LED智能家用臺(tái)燈。這款臺(tái)燈不僅能夠滿(mǎn)足使用者的使用需求，還符合目前市場(chǎng)對(duì)于家用臺(tái)燈的要求。該設(shè)計(jì)方案是集節(jié)能環(huán)保以及舒適度為一體的家用臺(tái)燈設(shè)計(jì)方案。