基于距离传感器的智能变焦灯控制器设计探讨

摘 要：本文以LED照明燈具为研究对象，依照国际标准，结合自身多年丰富的专业知识和多年积累下来的相关工作经验，将普通手动的变焦灯加入微机电控制技术，通过红外距离传感器自动测量光源与照明对象物之间的距离，并以此为依据，自动调节灯具的焦距，实现智能变焦灯的功能，旨在提高照明效果，使对象物呈现最佳观感。普通传统的灯光有效利用低，只起到单一的光的照明作用。而我们的技术升级改造，加了变焦灯智能控制器，变得更加智能化，起到了灯具自动智能化进行焦距调节的作用，达到了照明效果的最佳化。目前的变焦技术和灯具的成本都比较高昂，耗能、体积上都比较大，不太适合在家庭中运用，商业上的运用也就更加不适合了。因此，市场上的占有率也就相对比较低。

关键词：距离传感器；智能变焦灯；控制器；设计

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

随着科技的迅猛发展，智能产品日新月异、层出不穷，人们对日常生活的品质需求也越来越高，比如，照明灯具方面，人们已经不仅仅满足于基本的照明功能，对照明的个性化需求、高端需求越来越多，变焦灯就是一个典型的创新产品。传统的照明灯具只有单一的照射光束角的结构，在整体照明环境的应用中，安装好的灯具只能实现单一的灯光需求［1］。变焦灯则可以实现光斑大小调节，满足用户对照度值、照度均匀度的应用需求，提高照明的质量。

1 研究背景

近年来，我国LED产业异军突起，发展迅猛。在国家政策的支持和下游应用需求的带动下，我国已经形成了包括上游衬底、外延片和芯片等产业，中游封装产业，下游照明、显示、背光源等应用产业为支撑的完整LED产业链体系［2］。在此基础上，许多企业和研究机构都开展了LED变焦灯的研究，其基本实现原理是：一是透镜固定、光源移动以改变透镜与光源之间的距离；二是光源固定、透镜移动以改变透镜与光源之间的距离。考虑灯具的散热结构，由于LED灯具都具有较为庞大的散热结构，散热器与LED光源紧密连接，在设计时，多采用透镜移动原理，透镜部分可做成一套自由调节透镜轴向的模块组件，根据不同功率匹配不同散热器［2］。

由此可见，变焦灯实际上是一种能够调节焦距的照明灯具，主要用于图书馆、展览馆、博物馆等对照明效果要求较高的场所。变焦灯通常具有确定的照射物，为使照明效果最佳，往往需要根据灯具到对象物的距离来调节灯具的焦距。目前，市场上的变焦灯具大多采用手动调节，由灯具安装人员在安装过程中手动调节透镜和光源之间的距离，安装人员目测照明效果来决定焦距调节的范围。这种方法极大地依赖安装人员的技术水平和责任心，加之安装灯具时对象物往往还未摆放就位，安装人员难以准确判断照明效果，通常需要用户二次调节焦距，既费时又不科學。

本文探讨对现有变焦灯进行技术改造和智能化升级，开发一种变焦灯智能控制器，通过加装距离传感器和智能微机电系统，达到灯具自动调节焦距的目的，并实现最佳照明效果。

2 智能变焦灯控制器设计

2.1 距离传感器的选择

距离传感器，又叫位移传感器，用于感应其与某物体间的距离以完成预设的某种功能，得到了相当广泛的应用。主要产品有手机距离传感器、远距离测量传感器等。距离传感器根据其工作原理的不同可分为光学距离传感器、红外距离传感器、超声波距离传感器等。本项研究从成本、应用场景、近距离需求占主流等因素考虑，我们选择红外距离传感器，红外传感器具有一个红外线发射管和一个红外线接收管，通过红外的发射与接收来判断其距离的远近。

红外测距传感器利用红外信号遇到障碍物距离的不同反射的强度也不同的原理，进行障碍物远近的检测。红外测距传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，发射管发射特定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当红外的检测方向遇到障碍物时，红外信号反射回来被接收管接收，经过处理之后，通过数字传感器接口返回到主机，主机即可利用红外的返回信号来识别周围环境的变化，并决定下一步动作。

红外线传播时具有不扩散性的特点，红外线在穿越其他物质时折射率很小，而红外线的传播是需要时间的，设红外线从发出碰到反射物被反射回来被接收到的时间为△t，红外光传播的速度为C，则发射仪到对象物之间的距离D为：

D=C△t2

2.2 关键技术

（1）智能感知技术。通过红外距离传感器自动测量光源到对象物之间的距离，通过算法得出焦距的调节范围，然后启动控制器自动调节灯具的焦距。如果灯具到对象物距离未发生变化，则控制器不动作；如果对象物发生位移，则控制器启动重新调节焦距。这种通常都是应用在展览馆、博物馆、橱窗等中。

（2）焦距与清晰度关系模型。在产品研制过程中，反复测试不同焦距与对象物距离的关系曲线，确保对象物的照明效果最佳。这种关系模型作为一种算法存入单片机中，通过嵌入式编程实现。

（3）假性对象物排除技术。在实际照明环境下，灯具与对象物之间可能有其他物品阻挡，譬如玻璃柜、橱窗等。这样可能测到的距离是光源到阻挡物之间的距离，而不是光源到对象物之间的距离，从而得出错误的焦距调节范围，达不到最佳照明的效果，因此需要采取技术手段排除这些障碍物，正确感知光源到对象物的距离。

2.3 产品总体设计

变焦灯智能控制器是变焦灯的一部分，是在原有变焦灯的基础上嵌入一个单片机和传感器，因此智能控制器的尺寸必须要与变焦灯的空间高度吻合，体积受到严格的限制，元器件的集成度要高。智能控制器主要包括主板、距离传感器、动作继电器、焦距调节机构、电源、通信接口等部分组成。产品的原理设计及体系架构如图1所示。

距离传感器：采用红外测距传感器，具有一对红外信号发射与接收二极管，利用红外测距传感器LDM301发射出一束红外光，在照射到物体后形成一个反射的过程，反射到传感器后接收信号，然后利用CCD图像处理接收发射与接收的时间差的数据，经信号处理器处理后计算出物体的距离。

继电器：采用电磁继电器，通过距离传感器的数据，决定是否启动继电器。继电器动作会带动焦距调节电动机，以调节光源与镜头之间的距离。

焦距调节器：由微型可编程电机驱动的螺旋形调节机构，左旋或右旋可调节光源与透镜之间的距离，已实现变焦的目的。

2.4 焦距与清晰度关系模型

技术人员在实验室架设测试装置，开启变焦灯，移动对象物，观察照明效果，并记录相关数据。对象物从变焦灯的照射范围由近及远逐步移动，每次移动5cm，直到测试完整个照射范围，将相应数据填入表格。测试数据表格如下表所示。

根据上述拟合直线，得出焦距与对象物距离关系模型如下：

F=kS+b

其中：F—灯具的焦距；

S—对象物距离；

k—拟合直线的斜率；

b—拟合直线的偏移量。

焦距与清晰度关系模型展示了灯具的焦距（透镜到光源的距离）与对象物距离的关系，这种关系近似于线性关系，因此我们可以用线性方程来表达关系模型。这种关系模型是灯具自动调节焦距的依据。例如，通过技术实验，某一款灯具的拟合直线斜率k=2，拟合直线的偏移量b=5，那么，这款灯具的关系模型为F=2S+5。

2.5 单片机嵌入式系统开发

变焦灯智能控制器的核心功能就是自动调节焦距，这基于微控制器的嵌入式系统。嵌入式系统主要的功能是每次开灯时启动红外距离传感器，并采集对象物的距离，然后通过控制器计算出最佳焦距，触发继电器，启动焦距调节装置，根据控制传递的调节参数，将灯具焦距调节到最佳范围。

变焦灯控制器嵌入式系统的业务逻辑流程如图3所示。

结语

在LED产业非常成熟的今天，变焦灯的技术已经十分普遍，但由于受成本、体积等因素影响，智能变焦灯产品鲜有研究。本项目将普通变焦灯加入微机电控制技术，通过距离传感器自动实现灯具变焦，以达到最佳照明效果。本研究的产品具有一定的前瞻性和创新性，但考虑到成本因素影响，这种智能变焦灯产品只能用于对照明效果要求极高、对象物具有较高价值的场合，比如博物馆、展览馆等。

参考文献：

［1］吴育林，李海锋，卢彦君，等.LED变焦灯构件（模组）的研发与应用［J］.科技与企业，2014（13）：313315+318.

［2］梁明，黄荣焕，吴成斌，等.变焦灯在光健康及光医疗方面的研发和应用［J］.中国高新区，2017（13）：3435.

［3］李旭辉.平板电脑的环境光感和距离传感器模组电路设计分析［J］.中国新技术新产品，2020（20）：2627.

［4］张璐雅，何维娟，罗兰.基于数字电路距离传感器的报警器制作研究［J］.硅谷，2014，7（18）：32+210.

作者简介：肖志良（1965— ），男，漢族，湖南衡阳人，研究生，高级工程师，研究方向：物联网应用技术。