基于距離傳感器的智能變焦燈控制器設(shè)計探討

摘?要：本文以LED照明燈具為研究對象，依照國際標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合自身多年豐富的專業(yè)知識和多年積累下來的相關(guān)工作經(jīng)驗，將普通手動的變焦燈加入微機(jī)電控制技術(shù)，通過紅外距離傳感器自動測量光源與照明對象物之間的距離，并以此為依據(jù)，自動調(diào)節(jié)燈具的焦距，實現(xiàn)智能變焦燈的功能，旨在提高照明效果，使對象物呈現(xiàn)最佳觀感。普通傳統(tǒng)的燈光有效利用低，只起到單一的光的照明作用。而我們的技術(shù)升級改造，加了變焦燈智能控制器，變得更加智能化，起到了燈具自動智能化進(jìn)行焦距調(diào)節(jié)的作用，達(dá)到了照明效果的最佳化。目前的變焦技術(shù)和燈具的成本都比較高昂，耗能、體積上都比較大，不太適合在家庭中運(yùn)用，商業(yè)上的運(yùn)用也就更加不適合了。因此，市場上的占有率也就相對比較低。

關(guān)鍵詞：距離傳感器；智能變焦燈；控制器；設(shè)計

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

隨著科技的迅猛發(fā)展，智能產(chǎn)品日新月異、層出不窮，人們對日常生活的品質(zhì)需求也越來越高，比如，照明燈具方面，人們已經(jīng)不僅僅滿足于基本的照明功能，對照明的個性化需求、高端需求越來越多，變焦燈就是一個典型的創(chuàng)新產(chǎn)品。傳統(tǒng)的照明燈具只有單一的照射光束角的結(jié)構(gòu)，在整體照明環(huán)境的應(yīng)用中，安裝好的燈具只能實現(xiàn)單一的燈光需求［1］。變焦燈則可以實現(xiàn)光斑大小調(diào)節(jié)，滿足用戶對照度值、照度均勻度的應(yīng)用需求，提高照明的質(zhì)量。

1?研究背景

近年來，我國LED產(chǎn)業(yè)異軍突起，發(fā)展迅猛。在國家政策的支持和下游應(yīng)用需求的帶動下，我國已經(jīng)形成了包括上游襯底、外延片和芯片等產(chǎn)業(yè)，中游封裝產(chǎn)業(yè)，下游照明、顯示、背光源等應(yīng)用產(chǎn)業(yè)為支撐的完整LED產(chǎn)業(yè)鏈體系［2］。在此基礎(chǔ)上，許多企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)都開展了LED變焦燈的研究，其基本實現(xiàn)原理是：一是透鏡固定、光源移動以改變透鏡與光源之間的距離；二是光源固定、透鏡移動以改變透鏡與光源之間的距離?？紤]燈具的散熱結(jié)構(gòu)，由于LED燈具都具有較為龐大的散熱結(jié)構(gòu)，散熱器與LED光源緊密連接，在設(shè)計時，多采用透鏡移動原理，透鏡部分可做成一套自由調(diào)節(jié)透鏡軸向的模塊組件，根據(jù)不同功率匹配不同散熱器［2］。

由此可見，變焦燈實際上是一種能夠調(diào)節(jié)焦距的照明燈具，主要用于圖書館、展覽館、博物館等對照明效果要求較高的場所。變焦燈通常具有確定的照射物，為使照明效果最佳，往往需要根據(jù)燈具到對象物的距離來調(diào)節(jié)燈具的焦距。目前，市場上的變焦燈具大多采用手動調(diào)節(jié)，由燈具安裝人員在安裝過程中手動調(diào)節(jié)透鏡和光源之間的距離，安裝人員目測照明效果來決定焦距調(diào)節(jié)的范圍。這種方法極大地依賴安裝人員的技術(shù)水平和責(zé)任心，加之安裝燈具時對象物往往還未擺放就位，安裝人員難以準(zhǔn)確判斷照明效果，通常需要用戶二次調(diào)節(jié)焦距，既費(fèi)時又不科學(xué)。

本文探討對現(xiàn)有變焦燈進(jìn)行技術(shù)改造和智能化升級，開發(fā)一種變焦燈智能控制器，通過加裝距離傳感器和智能微機(jī)電系統(tǒng)，達(dá)到燈具自動調(diào)節(jié)焦距的目的，并實現(xiàn)最佳照明效果。

2?智能變焦燈控制器設(shè)計

2.1?距離傳感器的選擇

距離傳感器，又叫位移傳感器，用于感應(yīng)其與某物體間的距離以完成預(yù)設(shè)的某種功能，得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。主要產(chǎn)品有手機(jī)距離傳感器、遠(yuǎn)距離測量傳感器等。距離傳感器根據(jù)其工作原理的不同可分為光學(xué)距離傳感器、紅外距離傳感器、超聲波距離傳感器等。本項研究從成本、應(yīng)用場景、近距離需求占主流等因素考慮，我們選擇紅外距離傳感器，紅外傳感器具有一個紅外線發(fā)射管和一個紅外線接收管，通過紅外的發(fā)射與接收來判斷其距離的遠(yuǎn)近。

紅外測距傳感器利用紅外信號遇到障礙物距離的不同反射的強(qiáng)度也不同的原理，進(jìn)行障礙物遠(yuǎn)近的檢測。紅外測距傳感器具有一對紅外信號發(fā)射與接收二極管，發(fā)射管發(fā)射特定頻率的紅外信號，接收管接收這種頻率的紅外信號，當(dāng)紅外的檢測方向遇到障礙物時，紅外信號反射回來被接收管接收，經(jīng)過處理之后，通過數(shù)字傳感器接口返回到主機(jī)，主機(jī)即可利用紅外的返回信號來識別周圍環(huán)境的變化，并決定下一步動作。

紅外線傳播時具有不擴(kuò)散性的特點，紅外線在穿越其他物質(zhì)時折射率很小，而紅外線的傳播是需要時間的，設(shè)紅外線從發(fā)出碰到反射物被反射回來被接收到的時間為△t，紅外光傳播的速度為C，則發(fā)射儀到對象物之間的距離D為：

D=C△t2

2.2?關(guān)鍵技術(shù)

（1）智能感知技術(shù)。通過紅外距離傳感器自動測量光源到對象物之間的距離，通過算法得出焦距的調(diào)節(jié)范圍，然后啟動控制器自動調(diào)節(jié)燈具的焦距。如果燈具到對象物距離未發(fā)生變化，則控制器不動作；如果對象物發(fā)生位移，則控制器啟動重新調(diào)節(jié)焦距。這種通常都是應(yīng)用在展覽館、博物館、櫥窗等中。

（2）焦距與清晰度關(guān)系模型。在產(chǎn)品研制過程中，反復(fù)測試不同焦距與對象物距離的關(guān)系曲線，確保對象物的照明效果最佳。這種關(guān)系模型作為一種算法存入單片機(jī)中，通過嵌入式編程實現(xiàn)。

（3）假性對象物排除技術(shù)。在實際照明環(huán)境下，燈具與對象物之間可能有其他物品阻擋，譬如玻璃柜、櫥窗等。這樣可能測到的距離是光源到阻擋物之間的距離，而不是光源到對象物之間的距離，從而得出錯誤的焦距調(diào)節(jié)范圍，達(dá)不到最佳照明的效果，因此需要采取技術(shù)手段排除這些障礙物，正確感知光源到對象物的距離。

2.3?產(chǎn)品總體設(shè)計

變焦燈智能控制器是變焦燈的一部分，是在原有變焦燈的基礎(chǔ)上嵌入一個單片機(jī)和傳感器，因此智能控制器的尺寸必須要與變焦燈的空間高度吻合，體積受到嚴(yán)格的限制，元器件的集成度要高。智能控制器主要包括主板、距離傳感器、動作繼電器、焦距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、電源、通信接口等部分組成。產(chǎn)品的原理設(shè)計及體系架構(gòu)如圖1所示。

距離傳感器：采用紅外測距傳感器，具有一對紅外信號發(fā)射與接收二極管，利用紅外測距傳感器LDM301發(fā)射出一束紅外光，在照射到物體后形成一個反射的過程，反射到傳感器后接收信號，然后利用CCD圖像處理接收發(fā)射與接收的時間差的數(shù)據(jù)，經(jīng)信號處理器處理后計算出物體的距離。

繼電器：采用電磁繼電器，通過距離傳感器的數(shù)據(jù)，決定是否啟動繼電器。繼電器動作會帶動焦距調(diào)節(jié)電動機(jī)，以調(diào)節(jié)光源與鏡頭之間的距離。

焦距調(diào)節(jié)器：由微型可編程電機(jī)驅(qū)動的螺旋形調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，左旋或右旋可調(diào)節(jié)光源與透鏡之間的距離，已實現(xiàn)變焦的目的。

2.4?焦距與清晰度關(guān)系模型

技術(shù)人員在實驗室架設(shè)測試裝置，開啟變焦燈，移動對象物，觀察照明效果，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。對象物從變焦燈的照射范圍由近及遠(yuǎn)逐步移動，每次移動5cm，直到測試完整個照射范圍，將相應(yīng)數(shù)據(jù)填入表格。測試數(shù)據(jù)表格如下表所示。

根據(jù)上述擬合直線，得出焦距與對象物距離關(guān)系模型如下：

F=kS+b

其中：F—燈具的焦距；

S—對象物距離；

k—擬合直線的斜率；

b—擬合直線的偏移量。

焦距與清晰度關(guān)系模型展示了燈具的焦距（透鏡到光源的距離）與對象物距離的關(guān)系，這種關(guān)系近似于線性關(guān)系，因此我們可以用線性方程來表達(dá)關(guān)系模型。這種關(guān)系模型是燈具自動調(diào)節(jié)焦距的依據(jù)。例如，通過技術(shù)實驗，某一款燈具的擬合直線斜率k=2，擬合直線的偏移量b=5，那么，這款燈具的關(guān)系模型為F=2S+5。

2.5?單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)

變焦燈智能控制器的核心功能就是自動調(diào)節(jié)焦距，這基于微控制器的嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)主要的功能是每次開燈時啟動紅外距離傳感器，并采集對象物的距離，然后通過控制器計算出最佳焦距，觸發(fā)繼電器，啟動焦距調(diào)節(jié)裝置，根據(jù)控制傳遞的調(diào)節(jié)參數(shù)，將燈具焦距調(diào)節(jié)到最佳范圍。

變焦燈控制器嵌入式系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯流程如圖3所示。

結(jié)語

在LED產(chǎn)業(yè)非常成熟的今天，變焦燈的技術(shù)已經(jīng)十分普遍，但由于受成本、體積等因素影響，智能變焦燈產(chǎn)品鮮有研究。本項目將普通變焦燈加入微機(jī)電控制技術(shù)，通過距離傳感器自動實現(xiàn)燈具變焦，以達(dá)到最佳照明效果。本研究的產(chǎn)品具有一定的前瞻性和創(chuàng)新性，但考慮到成本因素影響，這種智能變焦燈產(chǎn)品只能用于對照明效果要求極高、對象物具有較高價值的場合，比如博物館、展覽館等。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：肖志良（1965—?），男，漢族，湖南衡陽人，研究生，高級工程師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)。