对多功能LED护眼台灯设计的探讨

范苗苗 刘唯 吴慧文

摘   要：文章在传统台灯产品的基础上，结合个性化需求，对台灯的结构和功能进行优化，设计一款具备护眼照明、光亮调节、学习姿态检测、学习工作时间检测提醒的多功能LED护眼台灯。相对于市场上的台灯而言，其避开了功能单一的缺点，具有多个功能的集成化和自动化等优势，成本低廉，性能优越，具有良好的实用性和商业价值。

关键词：多功能;护眼;自动化;市场价值

1    护眼台灯的研究发展现状

目前，市场上的LED台灯基本上都由简单的电源开关、亮度调节旋钮和LED驱动器组成，只具有简单的开启、关闭、手动调节以及LED驱动恒流恒压控制功能，整体功能单一，能耗不精确，无法实现智能控制。随着经济的发展，人们对物质生活不断提出更高的要求，现在市场上功能、形式单一的产品已经满足不了人们的需求。在满足功能需要的同时，产品还需符合用户的兴趣、品味等。

在一款HZ-713折叠LED书灯万年历中（便携式折叠LED书灯），其亮度可无级调节，配有万年历闹钟。顺德产奥特朗MT-813型电子钟/护眼台灯在灯座上装有电池供电的小型电子闹钟，并能设定闹钟响时发出电子闹音。这两款均采用了较为普遍的USB充电，但目前研究表明，可通过光电检测模块、微控制器等，将台灯能源替换为更环保且自动化程度更高的太阳能。可见，除功能的多元化之外，还可辅以自动控制技术，实现LED台灯的智能化。

胡恩威等[1]从自动控制方面入手，采用NXP和ARMCortexMO的MCU作为核心控制器，通过环境光线传感器和超声波测距传感器，实时采集环境光线强度[2]来自动调节台灯的亮度。另外，也有学者采用STM32微控器和LD3320可编程语音识别控制系统，开发一种高端、智能的学习台灯，可以实现声控和防近视功能。

在2015金点设计奖入围名单中，有一款产品为儿童智能护眼台灯，打破了现有同类产品的操作方式，机体上无任何按键，仅通过超声波传感器和光线感应器来获取用户数据，自动调整到最适合的光线强度，简化了产品的操作，实现了全自动控制。深夜时，超声波传感器检测到用户活动，环形夜灯会自动亮起，为其照明。外形设计上采用简约风，线条柔和且具有活力感，消除了同类产品的冰冷或幼稚感，极具人文关怀。

欧洲的灯具产品始终领先世界，意大利的台灯设计除了着眼于提升产品性能，还注重产品与人的情感共鸣。这一理念也体现在荷兰菲尔普斯“以人为本”的设计理念中。

2    多功能LED护眼台灯的集成化功能

2.1  护眼照明功能

台灯的用户广泛分布于各个年龄层，处于学习阶段的青少年使用最为频繁。在长时间的学习和工作过程中，台灯性能不佳或用户学习、用眼姿势错误，长时间使用后会对用户身体健康尤其是视力造成严重损害。LED台灯对人体健康的影响主要根据以下指标判断。

（1）频闪。人眼适应的光线应是连续不间断且短时间内无明暗变化的，即无频闪。研究结果表明，台灯频闪引起的不良反应包括头痛和眼疲劳、视力下降、注意力分散、光敏性癫痫症以及自闭症等[3]。

（2）蓝光。是可见光中一种高能量短波光，可以轻易穿透晶状体到达视网膜，加速黄斑区域的氧化，对眼睛产生极大伤害[4]。

（3）显色指数及色温。台灯显色指数的高低对用户体验有直接影响，显色指数低，更易产生视觉疲劳以及身体其他器官的不适。据研究，色温在2 800～5 000 K左右时，最为合适，适合阅读需要[5]。

（4）照度均匀度及无影性。照度均匀度指规定表面上的最小照度与平均照度之比。光线分布越均匀，使用越舒服。

基于上述指标及其影响，本设计采用光纤传导护眼台灯，由三大模块构成：第一，光电模块（集成控制模块）。由智能调光系统、智能调光电路、LED光源、散热器、光纤耦合器及结构固定件组成。第二，光纤模块。由塑料光纤、包覆层、结构固定件组成。第三，应用端（台灯灯头）。由蓝光滤光片、控制开光系统、结构固定件组成。

光电模块根据控制开关系统的反馈输出目标亮度以及色温。LED光源发出的光经过光纤准直器，将朗伯分布的光准直成近似平行光，进入塑料光纤端面中，由塑料光纤传导至应用端，经过蓝光滤光片，过滤掉一部分蓝光（避免富蓝化现象）后发出光进行照明。本方案采用塑料光纤，直径可选择范围较广，为0.3～1.5 mm，根据台灯设计形态、尺寸不同，其直径不同，光纤数量也做相应调整，后续样品设计采用240根0.5 mm光纤[6]。

2.2  智能调光功能

为实现台灯光亮智能调节控制的功能，本产品以C8051F340单片机作为主控制部件，用光敏电阻测得环境的亮度值，并通过脉冲宽度调制（PWM），根据环境亮度调节LED亮度，三者组合构成灯光亮度自动控制系统。系统工作过程：光敏电阻[7]用于感应灯四周的光照强度，其实际电压值通过ADC0832芯片转换成相应的数字信号，由单片机接收数字信号，并与用户设置的LED台灯使用亮度值进行比较，经过单片机的IO口引出脉冲宽度调制脉冲，对台灯的亮度进行自动调节。

2.3  学习姿态检测及提醒功能

本产品通过信号检测模块进行距离测量，并以测量距离为依据，实现坐姿矫正提醒功能。该信号检验模块由热释电红外线传感器和红外线测距感应器构成;热释电红外线传感器可用于感应有无人在，只对人体辐射红外线波长为大约10 μm的红外线辐射感应，而对身体外的某些物质不会激发探针行动，避免误操作。坐姿矫正传感器由红外测距传感器测量人与台灯的距离，当小于报警距离时，单片机将接收到相应信号，并控制蜂鸣器进行报警。

2.4  学习工作时间检测提醒功能

考虑到大多数人存在长时间学习和工作的用眼问题，本产品特别加入学习和工作时间检测提醒功能。采用DS1302时钟芯片作为时钟模块，通过单片机指令编程实现计时功能;采用JQ8900-16P芯片作为语音模块，在时钟模块计时完成后，进行相关的语音提醒;选用低功耗数字温度传感器DS18B20作为温度检测模块，来实现台灯周围温度检测;采用LCD1602液晶显示模块来显示时间、日历和温度等信息。单片机程序设计步骤如图1所示。

3    产品市场分析

基于产品的护眼及姿势矫正功能，目标用户可以定位为各年龄层学生，尤其是升学压力较大的初高中生以及办公室久坐的上班族等。此外，可在功能多样化的基础上优化产品外形设计、替换特定功能等，扩大用户范围。

相对于普通台灯而言，除上述护眼、姿势矫正功能外，本设计还具有功能集成化和自动化等优势。在性能提升的同时，成本降低，具有可观的商业价值。随着健康和环保理念的普及，人们的消费标准逐渐提高，多功能护眼台灯顺应了当今消费标准发展趋势，具有较大的开发潜力和市场价值。

4    结语

本产品采用C8051F340型主控制芯片，通过光敏电阻测得环境的亮度值，以PWM的方式调节LED的亮度，利用红外线传感器进行距离的测量，设计出一款智能化 LED 台灯。该设计可以实现根据环境光线自动调节亮度、抗蓝光及频闪、对不当姿势报警提示等功能，旨在应用智能化控制技术，更好地保护用户视力及身体健康，符合“以人为本”的设计理念，顺应消费者消费标准的发展趋势，市场价值可观。

[参考文献]

[1]胡恩威，周建林.基于LPC1114的智能节能LED台灯控制器设计[J].电子世界，2013（6）：28-30.

[2]殷小芳，任家富，季翔宇.LED光源調光系统[J].科研设计成果，2011（5）：52-56.

[3]王伟，刘磊，刘尔立.读写作业台灯的频闪研究[J].光源与照明，2015（1）：37-40.

[4]全国照明电器标准化技术委员会.GB/T  20145—2006灯和灯系统的光生物安全性[M].北京：中国标准出版社，2006.

[5]刘娜，王巍.阅读台灯色温对于视觉功效的影响研究[J].照明工程学报，2011（5）：84-86，90.

[6]陈波，蒋鹏，杨仲奎.光纤传导护眼台灯设计[J].中国照明电器，2016（7）：27-31.

[7]田立东，周继军，秦会斌.PWM调光LED驱动器设计[J].机电工程，2012（4）：465-468.