智能护眼台灯电路的设计

梁计锋，刘瑞妮，尤国强

（西安翻译学院电子工程系，陕西西安710105）

智能护眼台灯电路的设计

梁计锋，刘瑞妮，尤国强

（西安翻译学院电子工程系，陕西西安710105）

现在市场上销售的台灯大都是通过手动调节灯光亮度，不能灵活的自动调节光亮，不但麻烦，而且易造成不必要的浪费和对眼睛有不良的影响。本设计针对于很多人在使用台灯过程中的不良习惯及忽视光线强度而造成的各种眼睛和脊柱问题，主要通过光电传感器对环境光线及俯身位置的检测，自动调节台灯亮度和报警，以达到保护眼睛及纠正坐姿的目的。该电路具有设计合理，结构简单，高效节能，成本低廉等优点，弥补了现有台灯不能真正做到智能调光与报警的不足。

台灯；三极管放大器；自动调光；自动报警

台灯是我们工作学习的好帮手，一个小小的台灯，给我们在光线较暗的时候看书、学习等带来了巨大便利。据相关调查结果显示，现在使用台灯的大多数是学生和教师，由于现在学习任务繁重，几乎所有同学都要晚上“开夜车”做各种作业，台灯则是他们的主要学习工具之一。而现在很多青少年伏案阅读学习是由于坐姿不正确以及灯光使用不当，很容易造成视觉疲劳甚至近视。并且目前我们所使用的台灯，大多都是手动调节光亮，市场上的所谓护眼灯等产品，不过是在台灯内装上好质量的镇流器及换上光线更加柔和的LED灯管而已。即使有可以调节亮度的开关，但很多人在认真读书写字的时候根本就忘记了调节亮度了，所有手动的亮度调节护眼意义不大。所以如果有一台能够智能调节光照亮度及时刻提醒坐姿有问题的台灯，则不但可以起到节能护眼的目的，还能够纠正很多同学不良的写字姿势。本设计就是以能够实现真正智能护眼台灯的实现而展开研究的。

1　智能台灯功能简介

本设计主要采用光控调节及自动控制原理实现以下功能：

1）灯珠亮度可以根据环境光线的亮度自动调节，即当环境光线较强时其灯珠亮度自动变弱；而当环境光线较弱时，灯珠亮度则自动变亮。

2）具有坐姿不良的报警功能。当写字或看书者伏案过低，则其报警，提醒人应该注意坐姿。

3）具有独立的电源开关。

2　设计原理及电路

该电路主要由3部分组成，电源部分，亮度自动调节部分及电路报警部分。

2.1电源部分

1）USB电源

本测试电路主要应用5 V直流电压，为了方便起见我采用的是USB输电的模式，可以将USB输出连接上开关，加上滤波电容［1］。

2）三端稳压电源

由于此电源的设计即为直流稳压电源的设计，有模拟电路知识的都可以设计，非常简单，我在此简单介绍下即可［2］。（如图1）

图1　5V直流稳压电源Fig.15 V DCstabilized voltage source

变压器输出9 V电压经过桥式整流电路并电容滤波，在电容C1两端大概会有11 V多一点的电压，如若从电容两边直接接一个负载，当负载改变或交流电源有一些波动就使C1两端的电压较大幅度的变化，要获得一个更稳定的电压，需要来接一个三端稳压元件。三端稳压器是一种集成电路元件，其内部由少许三极管和电阻等组成，在研究电路时可简单的看作这是一个能自动调节电阻的元件。当负载电流大时三端稳压器内的电阻会变小，而当负载电流变小时三端稳压器内的电阻又会变大，这就能使得稳压器的输出电压为恒定值。要得到5 V的电压，就会采用7805，7805其型号可能会因不同生产厂家而不同。三端稳压器，然后用105的电容器，有电容滤波和阻尼作用。最后以一个输出电源引脚在C2的两端，可与其它设备连接，如MP3等。尽管7805最大电流是1 A，但实际使用尽量不要超过500 mA，不然会发热很大，一不小心就烧坏了。当负载电有大于200 mA时需加散热片。

2.2亮度自动调节部分

图2　亮度自动调节电路Fig.2Automatic brightness adjust circuit

如图2所示，三极管Q1选用C9014三极管，该三极管放大倍数高达200～600倍，集电极最高允许通过电流为0.1 A［3］。

电位器为R0是3296-W103型号电位器，可调范围1～10 kΩ。

光敏电阻RG2选用Φ3系列的GL3516型号光敏电阻［4］，该光敏电阻最大电压100 V，亮电阻的范围为1～10 kΩ，暗电阻为10 MΩ，最大功耗50 mW，光谱峰值540 nm，响应时间30 ms。

R6选4.3 kΩ的电阻，R7选15 Ω小电阻。

YL-D0101RW-A2-01 1W大功率白光LED灯珠的发光率和电流计算式为：

η=3I*100%（I的单位为A）

即当LED灯珠电流约为330 mA时，灯珠发光率为100%。

1）当环境照度处于正常水平时，光敏电阻R17的阻值为5 kΩ。则三极管Q2基极偏压VB为：

2）当环境过亮时，光敏电阻R17的阻值为1 kΩ。则三极管Q2基极偏压VB为：

VB=VCC≈1.67 V，发光强度η=7.1%

3）当环境光照较暗时，光敏电阻阻值为10 kΩ

通过以上计算结果发现。本台灯的亮度能随环境光照条件自动变化，当环境光线较亮时，台灯能自动降低52%的亮度，当环境光线过暗时，台灯能自动增加12.7%的亮度。环境光照变化之间，灯就会自动调节亮度。用户会处在一个舒适的用眼环境。

值得注意的是，这里说的环境光照是指台灯亮度范围内的环境光照，因为光敏电阻RG2是一个可移动的探头，使用台灯如看书时，该探头应放置在书本附近才更真实。

2.3台灯报警部分

低光报警器电路实现较低光线时能自动报警［5］。即光线变化时（光照强度变小），光敏电阻阻值陡增，输入值改变，555定时器改变输出信号，使得喇叭或是蜂鸣器发声，达到自动报警的目的。（如图3）

图3　台灯低光报警电路Fig.3Desk lamp with low light alarm circuit

低光报警器电路实现较低光线时能自动报警。即光线变化时（光照强度变小），光敏电阻阻值陡增，输入值改变，555定时器［6］改变输出信号，使得喇叭或是蜂鸣器发声，达到自动报警的目的。

由555定时器和光敏电阻为主要器件组成的低光报警电路，其核心组成、分是555定时器，将定时器接成多谐振荡电路，构成信号产生电路。低光报警电路在黑暗或光线不足的情况下，依靠光敏电阻的阻值增大使555定时器振荡输出矩形波，触发蜂鸣器，能够实现低光报警。

对振荡电路来说，555定时器为其核心。其输入信号受电阻R3、光敏电阻RG1的控制，输出电平控制蜂鸣器LS1、发光二极管D4工作［7］，555定时器的功能主要由两个比较器确定。电压控制RS触发器和放电管的状态由两个比较器的输出确定。在电源与地之间施加电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的同相输入端的电压为2/3 VCC，C2的反相输入端的电压为1/3 VCC。若触发输入端TR的电压小于1/3 VCC，则比较器C2的输出为0，可使RS触发器置1，使输出端值为1。若使阈值输入端TH的电压大于2/3 VCC，同时TR端的电压大于1/3VCC，则C1的输出为0，C2的输出为1，RS触发器设置为0，使输出为低。

在电路调试中，当正常光照为110勒克斯时，置RG1在光照下，555没有输出频率，蜂鸣器也就不会响。细调RG1，使光照变弱，当调到某一数值时，电路起振，扬声器发出“嘟……”声，然后再将光照增大少许，使电路恰好停振，该报警器就调试成功了。

3　电路测试

以此仿真制作模拟电路，测试该光控台灯操作步骤如下：

1）打开开关。

2）用不透明纸板遮挡台灯下边光敏元件时，台灯警报灯闪，并且蜂鸣器发出声音，当将纸板移开时，警报灯灭，蜂鸣器不发出声音。

3）使用一个手电筒照射台灯上部的光敏电阻时，手电筒离光敏电阻越远，台灯越亮，当手电筒接近光敏电阻时，台灯逐渐变暗甚至不发光。

测试证明，本设计可以正常运行，功能完善。

4　结束语

随着时代发展，智能台灯必定是未来的主流台灯用具。利用光敏元件的特性用于智能开关控制方面成本低廉，效果显著。采用光敏电阻和三极管作为亮度控制模块的核心结构十分简单。由于放弃使用单片机大大降低了台灯的成本。用热释电红外传感器和二级放大电路等组成的报警模块能在用户过于靠近台灯时及时提醒用户纠正坐姿，对于保护视力有很好的帮助。本设计制作的台灯在节能环保，保护视力等方面比普通台灯有了较大的改进，符合发展需要，具有广阔的前景。

本课题的电路实现还可以选着单片机制作，但因为学科选修问题，以及模拟电路可以对模拟信号进行精确的、实时的处理，单片机不容易实现这些要求，以及单片机成本较高，模拟电路在微弱信号放大上有无可比拟的优势。所以我选择了用模拟电路来实现本电路的功能。

［1］罗翱，周泽坤，张波.一种USB电源开关的设计［J］.微电子学，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］华中工学院电子学教研室，康华光.电子技术基础（模拟部分）［M］.3版.北京：高等教育出版社，1988.

［3］位永辉，陈绥阳.基于BISS0001的智能台灯设计［J］.中小企业管理与科技，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］张洪润.传感器技术大全［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2007.

［5］佟为明.低压电器继电器及其控制系统［M］.2版.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003.

［6］郁有文，常健，程继红.传感器原理及工程应用［M］.3版.西安：西安电子科技大学出版社，2008.

［7］刘姝佩，刘迎澍，杨珵.PTP时钟同步方案研究［J］.陕西电力，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稿件编号：201412329

梁计锋（1979—），男，陕西咸阳人，讲师。研究方法：电子技术。