（二）方案设计
1.功能需求
根据前期思考和市场调研，结合现有产品的拆解分析，研发的新型台灯的基本功能如表1所示。
表1 新型台灯的基本功能
2.科学原理
要实现上述10项功能，需要有科学原理支持。通过学习和实验，我计划用以下原理实现上述功能，如表2所示。
表2 功能实现原理
续表
3.整体方案设计
在确定好新型台灯的功能需求和实现原理后，我着手进行方案设计。台灯由底座、台灯臂、灯罩、电源插头、电源线、线控开关、光源、弱光提醒模块、摄像模块构成。我用PPT画出结构示意图，如图1所示。
图1 台灯结构示意图
（图1中，1为电源插头、2为电源线、3为线控开关、4为台灯底座、5为弱光提醒模块、6为弱光提醒指示灯、7为灯臂弹簧、8为台灯下臂、9为台灯臂关节、10为台灯上臂、11为电源线、12为台灯臂支点、13为云台、14为摄像头、15为台灯光源、16为灯罩）
4.技术方案设计
（1）底座、灯臂和灯罩：底座为圆盘形，金属材质，占地面积小，质量大，保持重心稳定。灯臂采用机械臂形式，可上下左右前后伸缩。灯罩圆台型，铝合金材质，质量轻，有效降低重心，银色罩壁反光效果好。
（2）电源插头、电源线和开关：电源插头输入交流电压220V，输出电压为2个5V直流USB插口。5V直流为安全电压，没有触漏电隐患。一路并联台灯光源和光敏电路，一路接摄像模块。台灯光源中间串联带可变电阻的线控开关，调节可变电阻即可改变电流大小，从而调整光源亮度。
（3）台灯光源：台灯光源的设计主要考虑光照强度、蓝光强度、频闪3方面。如表3所示，国标GB/T9473台灯的光照强度标准设计光照强度达到AA级标准，用光谱照度分析仪实地检测。
表3 国家照度标准及均匀度的要求
*注：照度均匀度=最大照度/最小照度。
在电磁波光谱中，可见光是人眼可感知的光谱，波长在380～880nm之间，包含了红橙黄绿青蓝紫等多种颜色。紫色光波长最短，红色光波长最长。波长在400～500nm的蓝紫色光统称为蓝光，如图2所示。
图2 蓝光光谱示意图
蓝光波长短，能量高，穿透力强，特别是460nm左右的蓝光，也被称为高能可见光，它可以穿透眼角膜和晶状体，直达视网膜中央的眼底黄斑。黄斑是眼睛感光的重要部位，对光线最敏感，长时间高强度的蓝光照射会造成黄斑受损、眼部不适、视力下降，如图3所示。
图3 蓝光穿透晶状体示意图
图4是实验室测试的一款普通LED台灯的光谱图。460nm的蓝光峰值达到1.0，其他光谱峰值最高也只有0.82左右。蓝光占比高，长时间使用，不利于眼睛健康。为有效降低蓝光对眼睛的伤害，在设计新型台灯的光源时，需要有效降低460nm的蓝光峰值。
图4 一款普通LED灯光谱图
频闪（Flicker）指的是光源或明或暗有特定频率的闪烁，产生原因是光强度不稳定。严重频闪会造成眼疲劳，从而导致视力下降和注意力分散。光源设计需要科学控制频闪，避免频闪对眼睛的伤害。
将光源设计为LED冷光源环形贴片灯带，类似于医生手术台用的无影灯，光源面积大，照射范围没有阴影。
（4）弱光提醒模块：用光敏电路实现。输入电压为直流5V，电路由一个光敏电阻、两个定值电阻、两个8050NPN型三极管、一个发光二极管组成，如图5所示。
图5 光敏电路电路(https://www.daowen.com)
注：图5中，6是弱光提醒指示灯（发光二极管）、21是5V电源输入正极、22是电源输入负极、23是晶体三极管（8050NPN型）、24是晶体三极管（8050NPN型）、25是光敏电阻（20kΩ—2 MΩ）、26是定值电阻（270kΩ）、27是定值电阻（2kΩ）
光敏电阻在光线暗时阻值为2 MΩ，光线亮时阻值为20～45kΩ。当环境较亮时，电阻25和电阻26串联后合计电阻300kΩ左右，阻值小，晶体三极管24导通，24集电极为低电位，也就是晶体三极管23基极为低电位，晶体三极管23截止，负载发光二极管不通电。当环境光线变暗时，电阻25和电阻26串联后合计电阻变为2.2 MΩ，阻值大，晶体三极管24截止，晶体三极管24集电极为高电位，也就是晶体三极管23基极为高电位，三极管23导通，负载接通，发光二极管发光，指示灯亮，提醒用户开灯。台灯开启后，环境变亮，二极管不发光，指示灯灭。
（5）摄像模块：摄像模块带云台，带球形摄像头。云台和摄像头的尺寸与灯罩和环形光源匹配。摄像头能上下左右转动90°以上，为确保镜头中作业的清晰度，像素要求200万以上，自动对焦和自动变焦，焦距3cm以上，光圈在F1.6～3.0之间。集合麦克风和扬声器，5V直流供电，支持WiFi上网，自带App软件，带本地存储卡或远程存储功能。
5.零配件选购
技术方案确定后，我在淘宝网上采购到了组装台灯所需要的全部零配件，如图6所示。
图6 台灯零配件
（1）圆盘形台灯底座，直径20cm，厚2cm，黑色铁质外壳带配重块，总质量2.2kg。灯臂插孔内径1.2cm，高4cm，带紧固螺丝。
（2）黑色铁制机械台灯臂，可上下、左右、前后伸缩摇动。上、下臂各40cm，底部和肘部各一根15cm伸缩弹簧。
（3）铝合金材质圆台型灯罩，下口直径25cm，上口直径10cm，高15cm。环形光源可粘贴在灯罩底部，人眼平视时，灯罩能遮住光源，不晃眼。
（4）电源插头，输入为交流220V，输出为2个直流5V USB插口。
（5）线控开关，线控开关带“开关”“+”“-”3个按钮，对应开启和关闭台灯光源、增加亮度、降低亮度。
（6）LED冷光源环形贴片灯板，外径12cm，宽度2cm。光源采用RGB三基色混合光源，由红、绿、蓝三种单色LED光按初始比例混合而成，调节三色比例可改变光源的色温和光谱结构。
（7）光敏电路需要用到的发光二极管、8050NPN型三极管、20kΩ～2 MΩ光敏电阻、2kΩ定值电阻、270kΩ定值电阻，以及根据电路图定制的PCB印刷电路板。
（8）摄像头200万像素，F1.6光圈，自动对焦，云台直径15cm，摄像头直径9cm。摄像头直径比灯罩上口和环形光源孔径小，云台比两者大，便于安装固定。
6.硬件组装
准备好零部件和工具后，我便开始组装。先将晶体三极管、定值电阻、光敏电阻在PCB板上焊接牢固，用导线连接发光二极管，如图7、8所示。
图7 光敏电路
图8 摄像头、光源和灯罩
然后，将台灯底座与台灯下臂固定，安装台灯臂关节、上臂和灯罩支点。固定灯罩，将环形光源用免钉胶粘贴在灯罩内部。组装电源线、线控开关和电源插头。完成后用万用表检查通断路情况，如图9所示。
图9 组装台灯
7.光源调试
通过查阅资料，我找到了生产销售光谱照度分析仪的杭州市虹谱光色科技有限公司，经电话联系后，我来到他们的光学实验暗室，借用该公司生产的OHSP350光谱照度分析仪，我对台灯光源进行了实地测量和调试。
第一次测试结果如图10所示，光源色温6654K，蓝光峰值波长在452nm，峰值为1.0，其余波长峰值在0.4左右，蓝光峰值与其余光谱的峰值比为2.5∶1，说明蓝光很强，该光源不利于眼睛健康。
图10 第一次测试光谱图
为降低蓝光峰值，逐步调大蓝色LED光源电路中的电阻，降低电路中的驱动电流，降低蓝光峰值，逐步测试光谱图。调节过程中，其中一次的测试结果如图11所示。光源色温降到4286K，蓝光峰值依旧是1.0，但其余波长的峰值提升到0.8，蓝光峰值与其余光谱的峰值比降到1.25∶1，蓝光还是比较强。
图11 RGB比例调整过程中的光谱图
继续上述步骤，进一步降低蓝光峰值。光源色温降低到2965K，452nm蓝光峰值降到0.6，596nm波长的峰值升到1.0，蓝光峰值与其余光谱峰值比降到0.6∶1，有效压制了蓝光光强，达到防蓝光的设计目标。测试结果如图12所示。
图12 RGB比例调整完成后的光谱图