基于非成像光学智能LED台灯的设计

周 韬， 杨 朋

1 前言

本文设计了一种LED智能台灯，光学系统部分以非成像光学为基础，设计出两种能对LED进行二次配光的均匀矩形光斑透镜和均匀圆形光斑透镜.智能控制部分以STC89C51单片机为主控制核心芯片[1]；以热释电红外传感器为人体检测模块，用于是否有人进入检测范围内；以光敏二极管及A/D转换为光学度检测模块，用于检测环境的亮度值以达到自动控制台灯开关的效果；以超声波测距为距离检测模块，用于检测台灯与用户之间的距离，当台灯与用户之间的距离小于某阈值时蜂鸣器就会鸣叫，从而提醒用户及时矫正坐姿.

2 基于非成像光学的智能LED台灯光学系统设计

在台灯照明系统中，LED光源发出的光线经过光学器件发生折射或反射的作用后投射到照明区域，如果该光学器件的结构不合理，则会造成台灯的光能利用率不高且照明区域的照度大小不均匀[2].为了改善台灯的照明质量以及提高光能的利用效率，需要根据光学系统设计中的有关知识对光学器件进行科学合理的光学设计[3].

2.1 基于非成像光学的LED台灯均匀光斑照明的光学系统设计

（A）本次设计的单颗LED光源的矩形光斑照明系统适用于台灯照明，LED灯珠的布局可以由不同的应用场所而定.LED台灯的照明面一般为平行的目标面，在进行二次光学设计时可以将平行的目标面分割成若干个矩形，这样就能够确定每个LED光源的照射范围，这种光学系统不仅能够做到照明面上的均匀光斑分布，而且能够减少能源的浪费.本次设计要达到的目标为：使LED光源发出的光线经过自由曲面透镜后折射到距离为h=0.5 m的被照面上，在目标面上得到一个长为0.02 m的照度分布均匀的矩形光斑.

（B）本次设计的单颗LED光源的圆形光斑照明系统应用于普通的台灯照明及手电筒照明，LED灯珠的布局可视应用场所而定.本次设计的目标是：使LED光源发出的光线经过自由曲面透镜后折射到距离为h=0.5 m的被照面上，在被照面上得到一个半径为0.1 m的照度分布均匀的圆形光斑.

具体设计要求如下：（1）照度均匀度：不超过10%，即光通量的最大值与最小值之差要小于10%；（2）光能利用率：在保证照度均匀度的前提下不得低于60%，光能利用率的值越大越好.

2.2 基于非成像光学的智能LED台灯光学系统仿真模拟及效果分析

LED二次光学设计就是将LED光源发出的光线分布到所期望的区域内，并且满足一定的均匀度要求[4].本文针对LED光源进行二次光学设计，其设计方法是透镜折射式.根据试错法设计的透镜模型如图1、2所示.

由仿真模拟结果（如图3、4）可知，LED光源在经过设计好的单个透镜后在目标面上得到一个相应的光斑，设计结果符合均匀度要求.

如图5、6所示，可以较准确地评估光斑区域的尺寸.根据仿真结果，得到的光斑基本呈矩形或圆形分布，照度均匀分布.其照度均匀度都达到了80%以上，使得LED台灯获得了比较高的光能利用率、高均匀度等优点.另外被照面的照度分布不是严格的矩形或圆形分布，这个误差主要是光学系统的初始模型设置和多参数优化过程中引入的.所以该自由曲面透镜达到了本次光学系统设计要求.

3 基于非成像光学的智能LED台灯控制系统设计

3.1 硬件系统设计

整个系统硬件包括STC89C51单片机、热释电红外传感器模块、红外测距传感器模块、蜂鸣器提醒电路和灯光控制电路组成[6].硬件系统设计结构图如图7所示.

3.1.1 主要模块功能介绍

图1 矩形均匀光斑的透镜模型图

图3 矩形光斑单个透镜的模拟照度分布图

图5 矩形光斑单个透镜的模拟照度

图2 圆形均匀光斑的透镜模型图

图4 圆形光斑单个透镜的模拟照度分布图

图6 圆形光斑单个透镜的模拟剖面分布图

图7 硬件系统设计结构图

图8 台灯硬件设计原理图

（1）单片机.选用STC89C51单片机，它的造价低、功耗低和性能高.该单片机拥有8K字节Flash、512字节RAM、32位I/O口线、内置4KBEEPROM、MAX810复位电路、3个16位定时器/计数器、4个外部中断，全双工串行口.以单片机为控制中心对其他模块进行各方面的调控.

（2）红外测距传感器单元.利用超声波传感器测量用户与台灯之间的距离，当两者之间的距离小于20 cm时，通过利用蜂鸣器鸣叫的方式来提醒用户注意保持与台灯的距离.

（3）热释电红外传感器单元.利用热释电红外传感器感应台灯旁边是否有人来自行控制台灯的开与关.

（4）光敏电阻单元.利用光敏二极管感应外界光线的强弱来控制LED灯光的亮度.

（5）蜂鸣器提醒电路单元.根据STC89C51单片机发出的命令控制蜂鸣器是否鸣叫，从而实现报警操作.

（6）灯光控制电路单元.根据STC89C51给出的命令控制LED灯的开与关，实现对LED灯的自动控制操作.

3.1.2 基于非成像光学的智能LED台灯硬件总体设计原理图

图8是由光敏电阻、蜂鸣器提醒电路、时钟数码管显示电路、红外测距电路和灯光控制电路组成.

图9是由光敏电阻、热释电红外传感器、BISS0001组成的信号检测及处理电路组成.

图10是由单片机组成的灯光控制电路.LED的负极接地，所有灯并联，正极接在三极管Q8的集电极，当单片机的I0口LED输出高电平时，Q7导通，Q8的基极被导通的Q7拉低，Q8导通，并联的LED灯的正极就接在了电源上，LED灯变亮，当单片机的I0口LED低电平时，Q7截止，Q8的基极被R12的10 k电阻拉高，Q8截止，并联LED的正极不接电源，LED熄灭.当单片机口很快的变化时，就可以通过PWM的占空比控制灯的亮度[7].

图9 传感器组成的信号检测及处理部分

图10 单片机灯光控制电路

图11 是红外测距模块电路图.本设计所用红外测距传感器平时输出高电平，当检测到被检测物体时信号处理电路接收到低电平信号，并向STC89C51单片机发送一个中断，从而实现测距报警操作[8].

3.2 主程序流程图

图11 红外测距模块电路图

图12 主程序流程图

4 结论与展望

本文利用非成像设计原理设计出了满足照明要求的光学系统，根据分析仿真结果，可知本次设计的光学系统分别实现了距离光源0.5 m处的目标平面上的圆形光斑照明和矩形光斑照明.此次设计制作的智能台灯，能在红外热释电传感器的检测范围内且外界光强较弱时自动开灯，无人时自动关灯，节约资源.同时，当人体与台灯之间的距离小于20 cm时，蜂鸣器就会报警使人纠正坐姿.

[1]柴君夫.基于STM32的LED智能学习型台灯系统的设计[D].秦皇岛：燕山大学，2016：12-13.

[2]袁巧霞.LED台灯的设计与研究[D].广州：华南理工大学，2012.

[3]杨朋.基于LED的非成像光学照明系统设计[D].南京：南京理工大学，2014：12-13.

[4]杨朋，谌雄文，周韬，等.一种基于LED的均匀矩形光斑透镜设计[J].科学视界，2016（25）：228-229.

[5]田军委，肖清林，张波，等.智能护眼台灯设计[J].电子设计工程，2015，17（23）：161-163.

[6]梁计锋，刘瑞妮，尤国强.智能护眼台灯电路的设计[J].电子设计工程，2015，20（23）：155-157.

[7]罗旭，付沈文.一种基于单片机的智能型多功能台灯设计[J].信息通信，2014（12）：52-53.

[8]徐安安，任乘乘，吴珊珊，等.基于STC系列单片机对智能LED 台灯调光系统设计[J].照明工程学报，2014，6（27）：88-93.