基于距離傳感器的智能變焦燈控制器設計探討

摘?要：本文以LED照明燈具為研究對象，依照國際標準，結合自身多年豐富的專業知識和多年積累下來的相關工作經驗，將普通手動的變焦燈加入微機電控制技術，通過紅外距離傳感器自動測量光源與照明對象物之間的距離，并以此為依據，自動調節燈具的焦距，實現智能變焦燈的功能，旨在提高照明效果，使對象物呈現最佳觀感。普通傳統的燈光有效利用低，只起到單一的光的照明作用。而我們的技術升級改造，加了變焦燈智能控制器，變得更加智能化，起到了燈具自動智能化進行焦距調節的作用，達到了照明效果的最佳化。目前的變焦技術和燈具的成本都比較高昂，耗能、體積上都比較大，不太適合在家庭中運用，商業上的運用也就更加不適合了。因此，市場上的占有率也就相對比較低。

關鍵詞：距離傳感器；智能變焦燈；控制器；設計

Abstract：Based?on?the?LED?lighting?lamps?and?lanterns?as?the?research?object，in?accordance?with?international?standards，combined?with?years?of?rich?professional?knowledge，and?the?years?of?accumulated?experience，to?add?common?manual?zoom?lamp?to?microcomputer?control?technology，automatically?by?the?infrared?distance?sensor?measuring?the?distance?between?the?light?source?and?lighting?objects，and?on?this?basis，the?focal?length?of?the?automatic?adjustment?of?lamps?and?lanterns，Realize?the?function?of?intelligent?zoom?lamp，aiming?to?improve?the?lighting?effect，so?that?the?object?presents?the?best?look?and?feel.The?effective?use?of?ordinary?and?traditional?lamplight?is?low，which?only?plays?a?single?role?in?the?illumination?of?light.And?our?technology?upgrade?and?transformation，add?the?zoom?lamp?intelligent?controller，become?more?intelligent，played?the?lamp?automatic?intelligent?to?adjust?the?focal?length，to?achieve?the?optimal?lighting?effect.The?current?zoom?technology?and?the?cost?of?lamps?and?lanterns?are?relatively?high，energy?consumption?is?relatively?large，the?volume?is?also?relatively?large，not?particularly?suitable?for?use?in?the?family，the?commercial?use?is?more?not?suitable，the?market?share?is?relatively?less.

Keywords：range?sensor；Intelligent?zoom?lamp；The?controller；design

隨著科技的迅猛發展，智能產品日新月異、層出不窮，人們對日常生活的品質需求也越來越高，比如，照明燈具方面，人們已經不僅僅滿足于基本的照明功能，對照明的個性化需求、高端需求越來越多，變焦燈就是一個典型的創新產品。傳統的照明燈具只有單一的照射光束角的結構，在整體照明環境的應用中，安裝好的燈具只能實現單一的燈光需求［1］。變焦燈則可以實現光斑大小調節，滿足用戶對照度值、照度均勻度的應用需求，提高照明的質量。

1?研究背景

近年來，我國LED產業異軍突起，發展迅猛。在國家政策的支持和下游應用需求的帶動下，我國已經形成了包括上游襯底、外延片和芯片等產業，中游封裝產業，下游照明、顯示、背光源等應用產業為支撐的完整LED產業鏈體系［2］。在此基礎上，許多企業和研究機構都開展了LED變焦燈的研究，其基本實現原理是：一是透鏡固定、光源移動以改變透鏡與光源之間的距離；二是光源固定、透鏡移動以改變透鏡與光源之間的距離。考慮燈具的散熱結構，由于LED燈具都具有較為龐大的散熱結構，散熱器與LED光源緊密連接，在設計時，多采用透鏡移動原理，透鏡部分可做成一套自由調節透鏡軸向的模塊組件，根據不同功率匹配不同散熱器［2］。

由此可見，變焦燈實際上是一種能夠調節焦距的照明燈具，主要用于圖書館、展覽館、博物館等對照明效果要求較高的場所。變焦燈通常具有確定的照射物，為使照明效果最佳，往往需要根據燈具到對象物的距離來調節燈具的焦距。目前，市場上的變焦燈具大多采用手動調節，由燈具安裝人員在安裝過程中手動調節透鏡和光源之間的距離，安裝人員目測照明效果來決定焦距調節的范圍。這種方法極大地依賴安裝人員的技術水平和責任心，加之安裝燈具時對象物往往還未擺放就位，安裝人員難以準確判斷照明效果，通常需要用戶二次調節焦距，既費時又不科學。

本文探討對現有變焦燈進行技術改造和智能化升級，開發一種變焦燈智能控制器，通過加裝距離傳感器和智能微機電系統，達到燈具自動調節焦距的目的，并實現最佳照明效果。

2?智能變焦燈控制器設計

2.1?距離傳感器的選擇

距離傳感器，又叫位移傳感器，用于感應其與某物體間的距離以完成預設的某種功能，得到了相當廣泛的應用。主要產品有手機距離傳感器、遠距離測量傳感器等。距離傳感器根據其工作原理的不同可分為光學距離傳感器、紅外距離傳感器、超聲波距離傳感器等。本項研究從成本、應用場景、近距離需求占主流等因素考慮，我們選擇紅外距離傳感器，紅外傳感器具有一個紅外線發射管和一個紅外線接收管，通過紅外的發射與接收來判斷其距離的遠近。

紅外測距傳感器利用紅外信號遇到障礙物距離的不同反射的強度也不同的原理，進行障礙物遠近的檢測。紅外測距傳感器具有一對紅外信號發射與接收二極管，發射管發射特定頻率的紅外信號，接收管接收這種頻率的紅外信號，當紅外的檢測方向遇到障礙物時，紅外信號反射回來被接收管接收，經過處理之后，通過數字傳感器接口返回到主機，主機即可利用紅外的返回信號來識別周圍環境的變化，并決定下一步動作。

紅外線傳播時具有不擴散性的特點，紅外線在穿越其他物質時折射率很小，而紅外線的傳播是需要時間的，設紅外線從發出碰到反射物被反射回來被接收到的時間為△t，紅外光傳播的速度為C，則發射儀到對象物之間的距離D為：

D=C△t2

2.2?關鍵技術

（1）智能感知技術。通過紅外距離傳感器自動測量光源到對象物之間的距離，通過算法得出焦距的調節范圍，然后啟動控制器自動調節燈具的焦距。如果燈具到對象物距離未發生變化，則控制器不動作；如果對象物發生位移，則控制器啟動重新調節焦距。這種通常都是應用在展覽館、博物館、櫥窗等中。

（2）焦距與清晰度關系模型。在產品研制過程中，反復測試不同焦距與對象物距離的關系曲線，確保對象物的照明效果最佳。這種關系模型作為一種算法存入單片機中，通過嵌入式編程實現。

（3）假性對象物排除技術。在實際照明環境下，燈具與對象物之間可能有其他物品阻擋，譬如玻璃柜、櫥窗等。這樣可能測到的距離是光源到阻擋物之間的距離，而不是光源到對象物之間的距離，從而得出錯誤的焦距調節范圍，達不到最佳照明的效果，因此需要采取技術手段排除這些障礙物，正確感知光源到對象物的距離。

2.3?產品總體設計

變焦燈智能控制器是變焦燈的一部分，是在原有變焦燈的基礎上嵌入一個單片機和傳感器，因此智能控制器的尺寸必須要與變焦燈的空間高度吻合，體積受到嚴格的限制，元器件的集成度要高。智能控制器主要包括主板、距離傳感器、動作繼電器、焦距調節機構、電源、通信接口等部分組成。產品的原理設計及體系架構如圖1所示。

距離傳感器：采用紅外測距傳感器，具有一對紅外信號發射與接收二極管，利用紅外測距傳感器LDM301發射出一束紅外光，在照射到物體后形成一個反射的過程，反射到傳感器后接收信號，然后利用CCD圖像處理接收發射與接收的時間差的數據，經信號處理器處理后計算出物體的距離。

繼電器：采用電磁繼電器，通過距離傳感器的數據，決定是否啟動繼電器。繼電器動作會帶動焦距調節電動機，以調節光源與鏡頭之間的距離。

焦距調節器：由微型可編程電機驅動的螺旋形調節機構，左旋或右旋可調節光源與透鏡之間的距離，已實現變焦的目的。

2.4?焦距與清晰度關系模型

技術人員在實驗室架設測試裝置，開啟變焦燈，移動對象物，觀察照明效果，并記錄相關數據。對象物從變焦燈的照射范圍由近及遠逐步移動，每次移動5cm，直到測試完整個照射范圍，將相應數據填入表格。測試數據表格如下表所示。

根據上述擬合直線，得出焦距與對象物距離關系模型如下：

F=kS+b

其中：F—燈具的焦距；

S—對象物距離；

k—擬合直線的斜率；

b—擬合直線的偏移量。

焦距與清晰度關系模型展示了燈具的焦距（透鏡到光源的距離）與對象物距離的關系，這種關系近似于線性關系，因此我們可以用線性方程來表達關系模型。這種關系模型是燈具自動調節焦距的依據。例如，通過技術實驗，某一款燈具的擬合直線斜率k=2，擬合直線的偏移量b=5，那么，這款燈具的關系模型為F=2S+5。

2.5?單片機嵌入式系統開發

變焦燈智能控制器的核心功能就是自動調節焦距，這基于微控制器的嵌入式系統。嵌入式系統主要的功能是每次開燈時啟動紅外距離傳感器，并采集對象物的距離，然后通過控制器計算出最佳焦距，觸發繼電器，啟動焦距調節裝置，根據控制傳遞的調節參數，將燈具焦距調節到最佳范圍。

變焦燈控制器嵌入式系統的業務邏輯流程如圖3所示。

結語

在LED產業非常成熟的今天，變焦燈的技術已經十分普遍，但由于受成本、體積等因素影響，智能變焦燈產品鮮有研究。本項目將普通變焦燈加入微機電控制技術，通過距離傳感器自動實現燈具變焦，以達到最佳照明效果。本研究的產品具有一定的前瞻性和創新性，但考慮到成本因素影響，這種智能變焦燈產品只能用于對照明效果要求極高、對象物具有較高價值的場合，比如博物館、展覽館等。

參考文獻：

［1］吳育林，李海鋒，盧彥君，等.LED變焦燈構件（模組）的研發與應用［J］.科技與企業，2014（13）：313315+318.

［2］梁明，黃榮煥，吳成斌，等.變焦燈在光健康及光醫療方面的研發和應用［J］.中國高新區，2017（13）：3435.

［3］李旭輝.平板電腦的環境光感和距離傳感器模組電路設計分析［J］.中國新技術新產品，2020（20）：2627.

［4］張璐雅，何維娟，羅蘭.基于數字電路距離傳感器的報警器制作研究［J］.硅谷，2014，7（18）：32+210.

作者簡介：肖志良（1965—?），男，漢族，湖南衡陽人，研究生，高級工程師，研究方向：物聯網應用技術。