一种基于色彩和色温影响人的心理和生理原理的LED灯系统

摘要

一种基于色彩和色温影响人的心理和生理原理的LED灯系统设计，属于电子技术领域。通过将室内环境变量转化为数字量输出，经信号处理后输出最适应人体的光源。该系统由室内温度采集电路、光线强度采集电路、人体移动频率测量电路、信号处理电路组成。该方法具有将环境变量转变为数字量的优点，同时可以反馈人的心理和生理，还能节约资源，可以用于改善办公环境，适合当代白领、学生、老师使用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种LED灯系统的设计，具体涉及一种根据人的心理和生理来影响LED灯的色彩和色温的电路系统设计，本发明属于电子技术领域。

背景技术

随着技术的发展，各种各样的灯具出现在人们的生活中，在给人们带来乐趣的同时也给人们的生活带来了困扰和影响。一方面，办公室中的LED照明灯色温色彩基本一成不变，而长期处在这样的灯光照射下，人的免疫能力会降低，不仅大大降低了办公效率，还会对人的心理产生影响，不同程度地引起倦怠无力、头晕、神经衰弱等身心方面的病症。另一方面，色温升高或下降时可以使人感到温暖或凉爽，对人体的热调节有一定的作用。目前技术虽然有色彩可调的LED灯灯具，但与还没有一套能有效协调人与LED灯人机关系的系统。办公环境一直亟待改善，优化办公灯光环境已成为全球公司关注的热点。现有改善办公环境的方法有在室内种植绿色植物，增加通风设备等，但效果并不是十分理想，无法根据环境的改变和人体反应自动改善。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能时时监测室内环境，根据室内环境变化和人体身体的反应自动调节色彩和色温的LED灯系统。本发明主要用于优化办公环境。

一种基于色彩和色温影响人的心理和生理原理LED灯系统设计，其结构特征在于：由室内温度采集电路、光线强度采集电路、人体移动频率测量电路和信号处理电路组成。

所述的室内温度采集电路是由温度传感器PT100R6，放大器LM358D U1，稳压二极管1N4736VD1、VD2，可变电阻R5和定值电阻R1～R11，电容C1～C5组成。

所述的光线强度采集电路中由工业级的高灵敏度、高线性度的光敏电阻LXD3526R12，放大器LM358D U2，定值电阻R12～R19电容C6～C11组成；

所述的人体移动频率测量移动电路由光学系统(主要是菲涅尔透镜)，热释电传感器P7178，放大器U3，U4A，定值电阻R20～R26，电容C12～C17组成。

所述的信息处理电路由WT56F216单片机，NCOMS管Q3、Q4、Q5，发光二极管D1、D2、D3，定值电阻R30、R31、R32组成。

该基于色彩和色温影响人的心理和生理原理LED灯系统设计，利用室内环境温度、光线强度以及人体的舒适程度而自动调节灯光的色温和光线的色彩，这给一些学生、办公人员等提供了一个健康的光线环境，在一定程度上可以缓解疲劳，改善心情，同时适当调整光源色温可以节省电能，是一种最优化的LED灯光系统。

附图说明

图1是本发明的总电路连接示意图

图2是本发明程序框图

具体实施方式

如图1所示，一种基于色彩和色温影响人的心理和生理原理LED灯系统设计，其结构特征在于：室内温度采集电路(一)、光线强度采集电路(二)、人体移动频率测量移动电路(三)和信号处理电路(四)。

如图(一)所示，本发明中的室内温度采集电路由稳压二极管VD1的一端与电阻R1的一端连接，另一端与稳压二极管VD2的一端连接，并接地；电阻R12与稳压二极管VD1并联；稳压二极管VD1的另一端与电阻R3的一端和电阻R14的一端连接；电阻R4的另一端与温度传感器PT100R6的一端连接，电阻R6的另一端与地连接；电阻R3的另一端和电阻R1的另一端与可变变阻R5的一端连接，可变电阻R5的另一端与VCC电源连接；电容C1一端与电阻R4的一端、运放U1A的3脚连接，另一端接地；运放U1的8脚接+12V电源，4脚接地；电阻R8和电容C2并联后，一端接运放U1A的2脚，另一端接U1A的输出端1脚；电阻R7一端连接到运放U1A的2脚，一端接地；电容C3一端连接到运放U1A的输出端1脚，一端接地；一级放大电路经电阻R9与二级放大电路中的运放U1B的正极5脚连接；电阻R11和电容C4并联后，一端接运放U1B的6脚，另一端接运放U1B的输出端7脚；电阻R10一端连接到运放U1B的6脚，一端接地；电容C5一端连接到运放U1B的输出端7脚，一端接地；由于温度会直接改变温度传感器R6的阻值，因此会改变所电路中的电流，但是电流改变量过于微小，必须通过放大电路进行放大。采集到的温度变化信号可以通过计算电流给出：

R₆＝a+bt

$>i=\frac{\mathrm{Vcc}}{R_3+R_4+R_5+R_6}$>

$>i_t=\frac{R_8{R}_{11}}{R_7{R}_{10}}i$>

(a，b为温度传感器的固定参数，t为摄氏温度，i_t为输出电流)将电流大小通过WT56F216单片机的温度信号口进行模数和算法转换。若室温为T则信号经单片机输出的蓝、绿、红光强度：

B_s＝α₁(T-T_b)+B_b    (1)

G_s＝G_b

R_s＝R_b

其中T_b为系统设置的温度，B_b、G_b、R_b分别为初始蓝、绿、红LED灯的驱动电流强度，B_s、G_s、R_s为分别为实际蓝、绿、红LED灯的驱动电流强度，α₁为系统模拟常数(α₁(T-T_b)＞0)。

如图(二)所示，本发明光线强度采集电路中光敏电阻R12与电容C6并联，一端与电阻R13和电容C7连接，另一端接地；电阻R13的另一端接+5V电源，电容C7的另一端接地；电阻R15一端连接电容C7，另一端与放大电路中的运放U2A的正极3脚连接；运放U2的8脚接+12V电源，4脚接地；电阻R16和电容C8并联后，一端接运放U2A的2脚，另一端接运放U2A的输出端1脚；电阻R14一端连接到运放U2A的2脚，一端接地；电容C9一端连接到运放U2A的输出端1脚，另一端接地；一级放大电路经电阻R17与二级放大电路中的运放U2B的正极5脚连接；电阻R19和电容C10并联后，一端接运放U2B的6脚，另一端接运放U2B的输出端7脚；电阻R18一端连接到运放U2B的6脚，一端接地；电容C11一端连接到运放U2B的输出端7脚，另一端接地；由于光线强度会直接改变光敏电阻R12的阻值，因此会改变所电路中的电流，但是电流改变量过于微小，也必须通过放大电路进行放大。采集到的光强变化信号可以通过计算电流给出：

R₁₂＝c+dx

$>i=\frac{R_{12}}{R_{13}{R}_{15}}V$>

$>i_l=\frac{R_{16}{R}_{19}}{R_{14}{R}_{18}}i$>

(c，d为光敏传感器的固定参数，x为光线强度，i_l为输出电流)将电流大小通过WT56F216单片机的光强信号口进行模数和算法转换。若光线强度为L则信号经单片机输出的蓝、绿、红光强度：

B_s＝α₂(L-L_b)+B_b    (2)

G_s＝α₂(L-L_b)+G_b

R_s＝α₂(L-L_b)+R_b

其中L_b为系统设置光强，B_b、G_b、R_b分别为初始蓝、绿、红LED灯的驱动电流强度，B_s、G_s、R_s为分别为实际蓝、绿、红LED灯的驱动电流强度，α₂为系统模拟常数(α₂(L-L_b)＜0)。

如图(三)所示，本发明人体移动频率测量移动电路，其做法是光学系统与热释电传感器P7178连接，热释电传感器P7178的一端接地；电容C12一端接地，另一端与热释电传感器P7178连接后接+5V电源；电阻R20一端与热释电传感器P7178连接，另一端接地；运放U3A的正级3脚与热释电传感器P7178连接；运放U3的8脚接+12V的电源，4脚接地；电阻R22与电容C14并联后，一端与运放U3A的负极2脚连接，另一端与运放U3A的输出端1脚连接；电阻R21一端与电阻R22的一端连接，另一端与电容C13的正极连接，电容C13的另一端接地；电容C15负极连接运放U3A的输出端1脚，正极经过电阻R23与运放U3B的负极6脚连接；电阻R24与电容C16并联后一端与运放U3B的负极6脚连接，另一端与运放U3B的输出端7脚连接；电容C17的负极与运放U3B的输出端7脚连接，正极与运放U4A的正极3脚连接；运放U4A的负极2脚与运放U3B的正极5脚连接；电阻R26一端连到运放U4A的2脚，另一端接地；电阻R25一端连到电容C17的正极，另一端连接到+5V电源；运放U4A的8脚接+12V的电源，4脚接地；另一端接单片机WT56F216的计数口。人体移动频率通过菲涅尔光学镜头与热释电传感器组合可以测量人的移动频率，若人(或某个部位)离开镜头，则菲涅尔光学镜头探测不到人的信号就会在信号输出口会出现下跳沿脉冲信号，因此可以对人的移动情况进行计数，若移动频率为F则信号经单片机输出的蓝、绿、红光强度

B_s＝B_b    (3)

G_s＝α₃(F-F_b)+G_b

R_s＝α₃(F-F_b)+R_b

其中F_b为系统设置光强，B_b、G_b、R_b分别为初始蓝、绿、红LED灯的驱动电流强度，B_s、G_s、R_s为分别为实际蓝、绿、红LED灯的驱动电流强度，α₃为系统模拟常数(α₃(F-F_b)＞0)。

如图(四)所示，本发明信号处理电路的具体做法是温度采集电路的温度信号、光线强度采集电路的光强信号和人体移动频率计数输入到WT56F216单片机内部处理，WT56F216单片机输出三个恒流源驱动，电阻R30的一端接恒流源驱动1，R30的另一端接NMOS管Q2的栅极，Q2的漏极接VCC，源极接发光二极管D1的正极，D1的负极接地。电阻R31的一端接恒流源驱动2，电阻R31的另一端接NMOS管Q3的栅极，Q3的漏极接VCC，源极接发光二极管D2的正极，D2的负极接地。电阻R32的一端接恒流源驱动3，R32的另一端接NMOS管Q4的栅极，Q4的漏极接VCC，源极接发光二极管D3的正极，D3的负极接地。色彩C(x，y)＝k₁R(x，y)+k₂G(x，y)+k₃B(x，y)，色温g＝U∫∫_sC(x，y)d_xd_y，由于蓝、绿、红LED灯有恒流源驱动则有

C＝k₁R_s+k₂G_s+k₃B_s    (4)

g＝U(k₁R_s+2k₂G_s+3k₃B_s)

k₁+k₂+k₃＝3(k₁，k₂，k₃∈{0，1，2，3})

其中k为作用区域，B_s、G_s、R_s分别为实际蓝、绿、红LED灯的驱动电流强度。

如图2所示，当办公室内有人时LED灯系统开始工作，否则一直等待工作，系统处于休眠状态。LED系统工作时，系统内部默认会对参数赋值，也可以进行人为设定，然后采集所在环境的温度与光强与内部参数进行比较并保存到内存。接着判断人体(或某个部分)是否有移动，若有下降沿脉冲则根据内部时钟周期计算人体(或某个部分)的移动频率再进入算法转换输出响应，若在一段时间内没有下降沿脉冲则直接进入算法转换输出响应。

本发明基于以下原理：光源色温对人体的热调节有一定的作用。当环境气温下降时光源色温能影响体热的散失，在冷的环境内选用低色温光源(红辐射占的比重较大)，能在一定的范围内提高人体对冷的刺激。若室温较高，则宜选用高色温光源(蓝辐射占的比重较大)。另外，正处于办公或学习状态时为了保持大脑处于兴奋状态，宜选用高色温光源。而光源的色彩对人的心理调节有一定作用，例如橙光会让人产生一种温暖的感觉，所以一般灯泡发出橙光。本发明采用三组LED灯系红、绿、蓝来产生其他颜色的光线，三组灯系的驱动电流大小来调节红、绿、蓝灯的强度。正常情况下，三组灯系的发光强度及区域不变，既B_s＝G_s＝R_s，k₁＝k₂＝k₃，通过外接环境变化微调B_s、G_s、R_s的强度以及LED灯系的作用区域，(1)(2)(3)(4)四式为其一种算法。