智能護(hù)眼臺(tái)燈電路的設(shè)計(jì)

摘要：現(xiàn)在市場(chǎng)上銷(xiāo)售的臺(tái)燈大都是通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)燈光亮度，不能靈活的自動(dòng)調(diào)節(jié)光亮，不但麻煩，而且易造成不必要的浪費(fèi)和對(duì)眼睛有不良的影響。本設(shè)計(jì)針對(duì)于很多人在使用臺(tái)燈過(guò)程中的不良習(xí)慣及忽視光線強(qiáng)度而造成的各種眼睛和脊柱問(wèn)題，主要通過(guò)光電傳感器對(duì)環(huán)境光線及俯身位置的檢測(cè)，自動(dòng)調(diào)節(jié)臺(tái)燈亮度和報(bào)警，以達(dá)到保護(hù)眼睛及糾正坐姿的目的。該電路具有設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，高效節(jié)能，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了現(xiàn)有臺(tái)燈不能真正做到智能調(diào)光與報(bào)警的不足。

臺(tái)燈是我們工作學(xué)習(xí)的好幫手，一個(gè)小小的臺(tái)燈，給我們?cè)诠饩€較暗的時(shí)候看書(shū)、學(xué)習(xí)等帶來(lái)了巨大便利。據(jù)相關(guān)調(diào)查結(jié)果顯示，現(xiàn)在使用臺(tái)燈的大多數(shù)是學(xué)生和教師，由于現(xiàn)在學(xué)習(xí)任務(wù)繁重，幾乎所有同學(xué)都要晚上“開(kāi)夜車(chē)”做各種作業(yè)，臺(tái)燈則是他們的主要學(xué)習(xí)工具之一。而現(xiàn)在很多青少年伏案閱讀學(xué)習(xí)是由于坐姿不正確以及燈光使用不當(dāng)，很容易造成視覺(jué)疲勞甚至近視。并且目前我們所使用的臺(tái)燈，大多都是手動(dòng)調(diào)節(jié)光亮，市場(chǎng)上的所謂護(hù)眼燈等產(chǎn)品，不過(guò)是在臺(tái)燈內(nèi)裝上好質(zhì)量的鎮(zhèn)流器及換上光線更加柔和的LED燈管而已。即使有可以調(diào)節(jié)亮度的開(kāi)關(guān)，但很多人在認(rèn)真讀書(shū)寫(xiě)字的時(shí)候根本就忘記了調(diào)節(jié)亮度了，所有手動(dòng)的亮度調(diào)節(jié)護(hù)眼意義不大。所以如果有一臺(tái)能夠智能調(diào)節(jié)光照亮度及時(shí)刻提醒坐姿有問(wèn)題的臺(tái)燈，則不但可以起到節(jié)能護(hù)眼的目的，還能夠糾正很多同學(xué)不良的寫(xiě)字姿勢(shì)。本設(shè)計(jì)就是以能夠?qū)崿F(xiàn)真正智能護(hù)眼臺(tái)燈的實(shí)現(xiàn)而展開(kāi)研究的。

1 智能臺(tái)燈功能簡(jiǎn)介

本設(shè)計(jì)主要采用光控調(diào)節(jié)及自動(dòng)控制原理實(shí)現(xiàn)以下功能：

1)燈珠亮度可以根據(jù)環(huán)境光線的亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)，即當(dāng)環(huán)境光線較強(qiáng)時(shí)其燈珠亮度自動(dòng)變?nèi)?而當(dāng)環(huán)境光線較弱時(shí)，燈珠亮度則自動(dòng)變亮。

2)具有坐姿不良的報(bào)警功能。當(dāng)寫(xiě)字或看書(shū)者伏案過(guò)低，則其報(bào)警，提醒人應(yīng)該注意坐姿。

3)具有獨(dú)立的電源開(kāi)關(guān)。

2 設(shè)計(jì)原理及電路

該電路主要由3部分組成，電源部分，亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)部分及電路報(bào)警部分。

2.1 電源部分

1)USB電源

本測(cè)試電路主要應(yīng)用5 V直流電壓，為了方便起見(jiàn)我采用的是USB輸電的模式，可以將USB輸出連接上開(kāi)關(guān)，加上濾波電容。

2)三端穩(wěn)壓電源

由于此電源的設(shè)計(jì)即為直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)，有模擬電路知識(shí)的都可以設(shè)計(jì)，非常簡(jiǎn)單，我在此簡(jiǎn)單介紹下即可。(如圖1)

變壓器輸出9 V電壓經(jīng)過(guò)橋式整流電路并電容濾波，在電容C1兩端大概會(huì)有11 V多一點(diǎn)的電壓，如若從電容兩邊直接接一個(gè)負(fù)載，當(dāng)負(fù)載改變或交流電源有一些波動(dòng)就使C1

兩端的電壓較大幅度的變化，要獲得一個(gè)更穩(wěn)定的電壓，需要來(lái)接一個(gè)三端穩(wěn)壓元件。三端穩(wěn)壓器是一種集成電路元件，其內(nèi)部由少許三極管和電阻等組成，在研究電路時(shí)可簡(jiǎn)單的看作這是一個(gè)能自動(dòng)調(diào)節(jié)電阻的元件。當(dāng)負(fù)載電流大時(shí)三端穩(wěn)壓器內(nèi)的電阻會(huì)變小，而當(dāng)負(fù)載電流變小時(shí)三端穩(wěn)壓器內(nèi)的電阻又會(huì)變大，這就能使得穩(wěn)壓器的輸出電壓為恒定值。要得到5 V的電壓，就會(huì)采用7805，7805其型號(hào)可能會(huì)因不同生產(chǎn)廠家而不同。三端穩(wěn)壓器.然后用105的電容器，有電容濾波和阻尼作用。最后以一個(gè)輸出電源引腳在C2的兩端，可與其它設(shè)備連接，如MP3等。盡管7805最大電流是1 A，但實(shí)際使用盡量不要超過(guò)500 mA，不然會(huì)發(fā)熱很大，一不小心就燒壞了。當(dāng)負(fù)載電有大于200 mA時(shí)需加散熱片。

2.2 亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)部分

如圖2所示，三極管Q1選用C9014三極管，該三極管放大倍數(shù)高達(dá)200～600倍，集電極最高允許通過(guò)電流為0.1 A。

電位器為R0是3296-W103型號(hào)電位器，可調(diào)范圍1～10 kΩ。

光敏電阻RG2選用φ3系列的GL3516型號(hào)光敏電阻，該光敏電阻最大電壓100 V，亮電阻的范圍為1～10kΩ，暗電阻為10 MΩ，最大功耗50 mW，光譜峰值540 nm，響應(yīng)時(shí)間30 ms。

R6選4.3 kΩ的電阻，R7選15 Ω小電阻。

YL—DO101RW—A2—01 1W大功率自光LED燈珠的發(fā)光率和電流計(jì)算式為：

η=3I*100%(I的單位為A)

即當(dāng)LED燈珠電流約為330 mA時(shí)，燈珠發(fā)光率為100%。

通過(guò)以上計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)。本臺(tái)燈的亮度能隨環(huán)境光照條件自動(dòng)變化，當(dāng)環(huán)境光線較亮?xí)r，臺(tái)燈能自動(dòng)降低52%的亮度，當(dāng)環(huán)境光線過(guò)暗時(shí)，臺(tái)燈能自動(dòng)增加12.7%的亮度。環(huán)境光照變化之間，燈就會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度。用戶(hù)會(huì)處在一個(gè)舒適的用眼環(huán)境。

值得注意的是，這里說(shuō)的環(huán)境光照是指臺(tái)燈亮度范圍內(nèi)的環(huán)境光照，因?yàn)楣饷綦娮鑂G2是一個(gè)可移動(dòng)的探頭，使用臺(tái)燈如看書(shū)時(shí)，該探頭應(yīng)放置在書(shū)本附近才更真實(shí)。

2.3 臺(tái)燈報(bào)警部分

低光報(bào)警器電路實(shí)現(xiàn)較低光線時(shí)能自動(dòng)報(bào)警。即光線變化時(shí)(光照強(qiáng)度變小)，光敏電阻阻值陡增，輸入值改變，555定時(shí)器改變輸出信號(hào)，使得喇叭或是蜂鳴器發(fā)聲，達(dá)到自動(dòng)報(bào)警的目的。(如圖3)

低光報(bào)警器電路實(shí)現(xiàn)較低光線時(shí)能自動(dòng)報(bào)警。即光線變化時(shí)(光照強(qiáng)度變小)，光敏電阻阻值陡增，輸入值改變，555定時(shí)器改變輸出信號(hào)，使得喇叭或是蜂嗚器發(fā)聲，達(dá)到自動(dòng)報(bào)警的的。

由555定時(shí)器和光敏電阻為主要器件組成的低光報(bào)警電路，其核心組成、分是555定時(shí)器，將定時(shí)器接成多諧振蕩 電路，構(gòu)成信號(hào)產(chǎn)生電路。低光報(bào)警電路在黑暗或光線不足的情況下，依靠光敏電阻的阻值增大使555定時(shí)器振蕩輸出矩形波，觸發(fā)蜂鳴器，能夠?qū)崿F(xiàn)低光報(bào)警。

對(duì)振蕩電路來(lái)說(shuō)，555定時(shí)器為其核心。其輸入信號(hào)受電阻R3、光敏電阻RG1的控制，輸出電平控制蜂鳴器LS1、發(fā)光二極管D4工作，555定時(shí)器的功能主要由兩個(gè)比較器確定。電壓控制RS觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)由兩個(gè)比較器的輸出確定。在電源與地之間施加電壓，當(dāng)5腳懸空時(shí)，則電壓比較器C1的同相輸入端的電壓為2/3 VCC，C2的反相輸入端

的電壓為1/3 VCC。若觸發(fā)輸入端TR的電壓小于1/3 VCC，則比較器C2的輸出為0，可使RS觸發(fā)器置1，使輸出端值為1。若使閾值輸入端TH的電壓大于2/3 VCC，同時(shí)TR端的電壓大于1/3VCC，則C1的輸出為0，C2的輸出為1，RS觸發(fā)器設(shè)置為0，使輸出為低。

在電路調(diào)試中，當(dāng)正常光照為110勒克斯時(shí)，置RG1在光照下，555沒(méi)有輸出頻率，蜂鳴器也就不會(huì)響。細(xì)調(diào)RG1，使光照變?nèi)?，?dāng)調(diào)到某一數(shù)值時(shí)，電路起振，揚(yáng)聲器發(fā)出“嘟……”聲，然后再將光照增大少許，使電路恰好停振，該報(bào)警器就調(diào)試成功了。

3 電路測(cè)試

以此仿真制作模擬電路，測(cè)試該光控臺(tái)燈操作步驟如下：

1)打開(kāi)開(kāi)關(guān)。

2)用不透明紙板遮擋臺(tái)燈下邊光敏元件時(shí)，臺(tái)燈警報(bào)燈閃，并且蜂鳴器發(fā)出聲音，當(dāng)將紙板移開(kāi)時(shí)，警報(bào)燈滅，蜂鳴器不發(fā)出聲音。

3)使用一個(gè)手電筒照射臺(tái)燈上部的光敏電阻時(shí)，手電筒離光敏電阻越遠(yuǎn)，臺(tái)燈越亮，當(dāng)手電筒接近光敏電阻時(shí)，臺(tái)燈逐漸變暗甚至不發(fā)光。

測(cè)試證明，本設(shè)計(jì)可以正常運(yùn)行，功能完善。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著時(shí)代發(fā)展，智能臺(tái)燈必定是未來(lái)的主流臺(tái)燈用具。利用光敏元件的特性用于智能開(kāi)關(guān)控制方面成本低廉，效果顯著。采用光敏電阻和三極管作為亮度控制模塊的核心結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單。由于放棄使用單片機(jī)大大降低了臺(tái)燈的成本。用熱釋電紅外傳感器和二級(jí)放大電路等組成的報(bào)警模塊能在用戶(hù)過(guò)于靠近臺(tái)燈時(shí)及時(shí)提醒用戶(hù)糾正坐姿，對(duì)于保護(hù)視力有很好的幫助。本設(shè)計(jì)制作的臺(tái)燈在節(jié)能環(huán)保，保護(hù)視力等方面比普通臺(tái)燈有了較大的改進(jìn)，符合發(fā)展需要，具有廣闊的前景。

本課題的電路實(shí)現(xiàn)還可以選著單片機(jī)制作，但因?yàn)閷W(xué)科選修問(wèn)題，以及模擬電路可以對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行精確的、實(shí)時(shí)的處理，單片機(jī)不容易實(shí)現(xiàn)這些要求，以及單片機(jī)成本較高，模擬電路在微弱信號(hào)放大上有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。所以我選擇了用模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)本電路的功能。