家用台灯照明优化设计研究——以LED台灯为例

汪 婵

陕西服装工程学院，陕西 咸阳 712000

0 引言

随着社会的不断进步，如今的家用台灯已经不能满足人们对于台灯的照明需求以及使用需求[1]。为了进一步提高家用台灯的照明舒适度，并且保护使用者的视力，需要对家用台灯的光照度、光色等照明指标做进一步调整，以优化家用台灯的照明能力，确保家用台灯能够满足如今市场的需求[2]。

1 家用台灯的分类

目前较为常见的家用台灯主要可以分为三类。（1）高频灯。高频灯的核心元件为高频镇流器。目前较为常用的交流电电力为50 Hz，直接使用交流电的话，电灯就会出现闪烁现象。高频灯在1 s内会产生100次的明暗变化，而人眼的感知能力只能够感知到30 Hz以下的变化，因此在人眼中，高频灯所发射出来的光线并没有明暗变化。这就是高频灯被商家称为护眼灯的原因。但是大量研究已经表明，高频灯对人眼的危害非常巨大，不仅如此，高频灯还会产生高频电磁辐射，对人的身体健康也有影响。（2）直流护眼灯。直流护眼灯的核心元件为直流镇流器，工作原理是将交流电转换成直流电，确保家用台灯的电流和电压处于平稳状态。日常生活中用到的电流基本都是交流电，而直流电在电力学上又被称为恒定电流，直流护眼灯散发出来的光线比较柔和，能够达到护眼的功效，并且直流电还不会产生电磁辐射。但是目前市场上直流护眼灯的销售较少，因为直流护眼灯还是属于荧光灯，而且直流护眼灯的生产加工较为复杂，大部分的灯具厂商都不愿意制作直流护眼灯。（3）LED护眼灯。LED是最新的光源模式，具有节能、环保、无频闪等诸多优点，但是目前市场上所出售的家庭式台灯并没有一定的护眼功能，在设计上并没有相关的改变[3]。

目前市场上常见的家用台灯仍以高频灯为主，为进一步优化家用台灯的使用效果，需对家用台灯的照明进行研究。

2 家用台灯照明优化设计思路

人对于环境的感知是由空间形态、台灯的材质、台灯的光源光线等元素决定的，因此视觉感官的信息处理是家用台灯设计工作需要关注的重点问题。人的感官主要分为视觉、听觉、味觉、嗅觉以及触觉这五种，视觉和听觉的生理构成构造复杂，技能也较为复杂，能够接收远处的信息，因此视觉和听觉又被称为高级感觉或者远感觉。视觉是唯一一个可以在很短的时间内就对空间中的信息进行掌握以及感知的感官知觉，还可以整合收集到的空间信息。视觉的感官韦伯分数值是五觉中最高的，高达0.08分。在所有的感官知觉中，视觉感官的感知范围也是最广的，具有统合所有感官知觉的能力。人对于周围环境的感知，主要是依靠视觉感官对光线进行反馈，因此人类视觉的经验与灯光的照明情况有着非常密切的关系。照明设计的主要目的就是在特定的空间内为使用者提供恰当的光源从而为使用者提供视觉活动。台灯的照明设计最基本的考虑内容就是对视觉体系的考虑。

照明优化设计需要根据家用台灯对照明的要求进行，其实就是对家用台灯的照度、亮度分度、阴影、炫光、光的颜色、照度稳定性等与照明质量相关的指标进行处理，从而达到家用台灯照明优化设计的目的。研究人员认为家用台灯照明优化设计工作的核心是考虑人体自身的特点，将用户的需求放在第一位，建立一种以用户为中心的人工光环境，这样才能达到家用台灯照明优化设计的目的。

3 LED台灯的优化设计

市面上较为常见的家用台灯主要由节能灯与灯罩两部分组成，灯具之中的主要电子元件是电子镇流器以及启动器，大部分的家用台灯采用的电子镇流器是高频整流器，是通过将原本50 Hz的电频提升到5 500 Hz，从而让灯光变得柔和不刺眼，以此来达到照明护眼的目的。但是这种台灯并不能达到护眼的效果，因此文章以LED灯作为主要灯源，对家用台灯的照明进行优化设计。

3.1 LED家用台灯的设计思路

LED台灯的功能设计主要包括以下几个方面：（1）低功耗光源的设计。大部分家用台灯的光源功率都在10 W以上，而此次研究中将对这一情况进行改善，在台灯的光源方面采用5 mm草帽型的LED灯泡作为主要光源，这样一来家用台灯的光源功率只有1.15 W，符合当今社会绿色节能相关的理念。（2）LED灯的使用寿命相较于其他光源比较长，保证了家用台灯的耐用性。（3）LED灯所散发的光大部分属于可见光，灯光中紫外线以及红外线的含量少，产生的辐射也少，直流供电模式也不会出现频闪这一情况，能够保护使用者的眼睛。（4）手动调节功能。使用者可以根据自身的感受对光源的强度进行调节。

此次LED台灯的工作指标为220 V的工作电压，60～100 mA的工作电流，1.2 W的最大功率，0.7 ℃的工作环境温度，以及100 mm×100 mm×300 mm的外形尺寸。

3.2 LED家用台灯的设计内容

（1）LED光源驱动模块。在这一方面的设计上，此次研究将会采用变压器将220 V的交流电转化为12 V的交流电源，然后采用桥式整流以及电容对交流电源进行整流滤波，直到交流电源稳定在15 V左右，再采用PT4115型电源驱动芯片将交流电源转化为稳定的恒流电源。（2）单片机外围电路模块。此次研究中采用的是89C51单片机，用于对手动调光以及红外线检测模块的控制，主要包括的电路模块内容为单片机电源电路部分、外围晶振部分、复位电路部分以及串口部分。（3）红外线检测模式。红外线检测模式主要检测的内容是使用者是否靠近台灯，如果使用者靠近台灯，红外线感知模式会自动识别外部环境，然后将台灯的外部光芒调亮；如果使用者远离台灯，台灯则会自动将光芒调暗。（4）手动调节模块。家用台灯手动调节主要是通过两个点触式按钮来实现这个功能，如果使用者按下减弱灯管的按钮，单片机会检测到低电平，然后光线的强度就会变弱，如果按下增强按钮，光线的强度则会增强，从而达到手动调节光线的目的。

4 家用智能LED台灯的设计

4.1 整体电路设计

此次研究中的家用LED台灯整体的运行是在80C51的控制下展开的，具体的工作过程如下：通过热释电传感器对台灯的外部环境进行检测，如果使用者没有靠近台灯，则热释电传感器的2号端口不会产生信号，台灯不会工作；如果使用者靠近台灯，2号端口则出现缓慢切变化值较小的信号，这些信号经过信号处理电路将信息传递给单片，同时通过光敏电阻对外部的环境进行光照强度检测，根据外部的光照强度开展下一步的工作，进而点亮台灯。

4.2 系统电路设计

此次研究中的系统电路设计主要由以下几个部分构成。

（1）传感器以及信号处理电路。这一部分是负责对使用者的人体辐射红外信号以及外部的光强信号进行检测，将检测到的信号转化为可以处理的数字信号。（2）由89C51构成的中央处理单元。其主要的工作内容为处理信号以及发出控制命令。（3）单片机外围电路模块。主要包括的电路模块内容为单片机电源电路部分、外围晶振部分、复位电路部分以及串口部分。

5 家用台灯的照明优化试验

（1）参与试验人员的选择。家用台灯的主要受众为青少年群体，因此此次研究中所邀请的试验人员主要为年龄在8～15岁的学生。（2）试验步骤及试验内容。此次试验的内容是以使用者的视觉感知试验作为主要基础，对家用台灯的照明进行调节。视觉感知测验内容为，参与试验的学生在一定的照明条件下进行数字化阅读，用来判断不同光线环境对于人体视觉的影响。（3）试验结果。试验结果证实照明条件对使用者的视觉能力的确有影响，不同光线之下，人体的视觉模糊程度会出现变化，使用者的阅读准确率也会因此而受到改变。家用台灯的色温设计应该为6 500 K，桌面的照度应该为1 000 lx。（4）研究总结。阅读照明这一因素是家用台灯制造中必须关注的因素，对家用台灯的照明功能进行优化改良，能够为使用者提供一个更加优越的阅读环境，并且可以帮助使用者保护视力。

6 结束语

随着社会的飞速发展，如今的阅读环境已经逐渐从纸面阅读变成了屏幕阅读，阅读媒介的转变要求家用台灯的照明条件也必须做出相应的改变，只有这样才能够适应目前的市场环境。此次研究对照明条件对于人视觉的影响以及目前市场上较为常见的家用台灯进行了研究，并在此基础上对照明条件对于使用者视觉的影响进行了试验，提出一种最适合目前青少年使用的台灯光照度设置，设计了一款LED智能家用台灯。这款台灯不仅能够满足使用者的使用需求，还符合目前市场对于家用台灯的要求。该设计方案是集节能环保以及舒适度为一体的家用台灯设计方案。