一种超薄调光调色感应地脚灯的设计

沈星星 余 孟 徐门俊 胡文涛 李 梅

（宁波公牛电器有限公司 慈溪 315314）

引言

从人手一部的手机,到冰箱电视等家居电器,“超薄”审美在近几年来可以说是横扫生活各个领域,就连家中方寸大小的开关产品,设计精美的“超薄”款式也会更受消费者喜爱。盘点近几年开关电气市场可以发现,几乎所有电气家居品牌都推出了“超薄”开关产品。德力西电气家居、公牛、西门子这几个知名品牌都在超薄开关上有所涉猎,不断研发推出“超薄”开关产品。从这几个头部电气品牌的行动可以看出,“超薄”必定是未来开关产品的一个主趋势。

随着人体感应地脚灯产品的造型要求越来越薄，功能要求越来越多（增加调节灯光亮度、调节灯光色温等功能），对于内部线路板组件的设计难度也越来越大。本论文主要阐述超薄调光调色人体感应地脚灯内部线路板组件的设计。

1 系统设计

超薄调光调色人体感应地脚灯内部线路板组件主要由主控MCU、红外感应模块、光感应模块、按键模块、LED驱动模块及电源模块组成。红外感应模块采用数字红外感应传感器，相较于传统的模拟红外传感器，在同等性能下具有较大的成本优势。LED灯珠采用超薄的2835封装双色灯珠，大大减小了灯板的厚度以及宽度，实现地脚灯超薄的外观要求。其结构框架如图1所示。

图1 调光调色人体感应地脚灯系统框图

2 关键硬件设计

调光调色人体感应地脚灯控制电路主要由电源模块、按键及感应模块、灯板驱动模块、灯板模块组成，其原理图如图2所示。

图2 调光调色人体感应地脚灯原理图

2.1 电源模块

如图2所示，电源电路包括保险电阻R20，泄放电阻R21、R22，CBB降压电容C19，整流桥堆BR1，稳压管Z1，一级滤波电容C17、C18，三端稳压管U2以及二级滤波电容C8、C9。火线进来首先连接保险电阻R20，当保险电阻后级电路短路时，保险电阻熔断，防止元器件长时间短路发热引起火灾。保险电阻R20后连接CBB降压电容C19及泄放电阻R21、R22，因降压电容C19两端电压差可达200 V，断电后维修时手碰到电容会有触电风险，因此需要在C19两端并两个泄放电阻，利用电阻发热将C19两端的能量释放出去。C19后级接整流桥堆BR1，将交流电压转换成直流脉动电压。整流桥堆BR1后连接稳压管Z1，将直流脉动电压稳压成直流24 V，经一级滤波电容C17、C18滤波后给后级三端稳压管及灯板电路供电。三端稳压管U2将直流24 V降压到直流3.3 V，经二级滤波电容C8、C9滤波后给后级控制芯片U1供电。

2.2 按键及感应电路

按键及感应电路主要由PIR红外感应探头，控制芯片U1，光敏二极管CDS，可调电阻W1，轻触按键K1以及若干电阻电容组成。本电路采用数字式红外感应探头，将传统的红外感应芯片和按键灯光控制芯片合二为一，降低线路板组件总体成本，实现了产品的高性价比。按键为1个轻触按键，短按实现暖白和冷白色温的切换，长按实现灯光亮度由亮-暗-亮的循环调节。光敏二极管CDS用于检测环境光线值，当检测到环境光线值低于8 Lux时，感应到有人体经过时，地脚灯自动点亮。当检测到环境光线值高于30 Lux外部光线比较亮时，地脚灯不点亮，达到节能环保的目的。因光敏二极管CDS的光电流个体参数有差异[1]，会导致每个产品的光控范围值会有偏差。为了保障每个产品的光控范围都在要求范围内，出厂检验时会调整可调电阻W1的值。红外感应探头采用数字式红外感应探头，数字式人体热释电红外传感器具有灵敏度高，体积小，重量轻特点[2]。其外壳采用优质的钢材制成，结构牢固，引入装置采用橡胶密封圈式装置结构，控制线路板密封于壳子内，安全可靠，接线与维护方便，是目前国内外最简单易用的传感器之一。

相较于传统的模拟式红外感应探头，本数字式感应探头具有更高的灵敏度、更优越的信噪比以及更强的抗干扰能力。在成本上也有较高的优势。

2.3 灯板控制电路

灯板控制电路由控制芯片U1，限流电阻R8，R16，三极管Q1，Q2组成。三极管Q1连接至灯板的LED2分支，控制暖白灯珠的点亮与熄灭。三极管Q2连接至灯板的LED1分支，控制冷白灯珠的点亮与熄灭。当控制芯片U1 OUT1脚输出高电平时，三极管Q1导通，灯板的LED1分支的两端形成电压差，冷白灯珠点亮。当控制芯片U1 OUT1脚输出低电平时，三极管Q1截止，灯板的LED1分支的两端无电压差，冷白灯珠熄灭。LED2分支暖白灯珠点亮与熄灭原理同冷白灯珠。

控制芯片U1 OUT1脚可输出PWM信号，用于实现灯光亮度的调节。PWM 调光全称是 Pulse Width Modulation（脉冲宽度调制），在这一种调光方式下LED灯珠的亮度实际上是固定的，它是通过控制周期性开启和关闭LED灯珠的时间长短从而调节亮度，例如显示 75 % 的亮度，那就是每个很短的时间周期内，75 % 的时间点亮LED灯珠，25 % 的时间关闭LED灯珠，由于人眼具有视觉暂留效应，灯光呈现给肉眼的感觉就会是一直以 75 % 的亮度亮着，但实际上它是以 100 % 的亮度快速「亮-灭-亮-灭」闪烁的。在低亮度状态下，同一周期内LED灯珠熄灭的时间较长，容易产生屏闪的现象，眼睛长时间盯着频闪的灯光会造成视力疲劳，严重的会视力下降。

为了避免低亮度状态下灯光出现频闪现象（使用手机相机拍摄下灯光无条纹，相机刷新频率200/1 s），灯光控制引脚需要使用硬件PWM输出引脚，提高输出频率。PWM输出频率f1需≥f2/D 。（f2为相机的刷新频率，D为灯光的调光深度）。本地脚灯要求的调光深度为1 %，即最小亮度可调到全亮亮度的1%，由公式可得，为了避免频闪现象，灯光控制引脚的PWM输出频率需≥20 kHz。

2.4 灯板电路

灯板电路由限流电阻R3，R6以及7个双色LED灯珠组成。双色LED灯珠采用超薄2835贴片封装，厚度仅0.7 mm，大大缩小了LED灯板的体积。因受超薄地脚灯总体厚度限制，灯罩与灯珠距离仅6.2 mm，灯珠的半光强发光视角为120 °。如图3所示，若灯珠与灯珠之间间距较大，两颗灯珠光覆盖重叠区域之外会形成阴影区。为了达到发光面发光亮度均匀无暗区的效果，经光学仿真计算，灯珠与灯珠间距设计需≤灯罩与灯珠的距离。结合实际打样验证，如图4，最终灯珠与灯珠间距定为5.8 mm。

图3 灯珠发光示意图

图4 灯板装配图

3 系统软件设计

调光调色人体感应地脚灯软件部分包括按键处理部分、LED灯驱动部分、光线采集部分、红外感应部分以及系统逻辑控制部分。图5为软件控制框图。

图5 软件控制框图

按键处理部分主要用来检测用户按键动作，短按按键实现灯光色温的切换；长按按键实现灯光由亮到暗，再由暗到亮的循环调节。LED灯驱动部分主要用来控制灯光的亮灭以及亮度的调节。光线采集部分用来读取光线采集信号电压，当信号电压＜2 V时，默认为晚上状态，感应到人体经过时LED灯光点亮。当信号电压≥2 V时，默认为白天状态，感应到人体经过时LED灯光不点亮。红外感应部分用来识别红外感应探头输出的数字信号。当有人体经过时，红外感应探头会输出特定频率的24位数字信号，控制芯片读取信号后解析信号，当信号解析为红外触发信号时，进行相应输出。当信号解析为其他干扰信号时，不执行相应动作。

4 结语

超薄的灯板设计，实现了产品超薄6.8 mm的面板厚度，保障了产品外观的美观度。灯光色温和亮度可调，满足了不同人群对于灯光的不同需求。超高的PWM控制频率，实现了低亮度状态下灯光的柔和无频闪。数字式红外感应方案，做到了超高的感应灵敏度、抗干扰能力以及较低的成本。基于以上优势，相信本人体感应地脚灯未来在家居装饰市场具有广泛的应用前景。