LED舞臺(tái)燈具的鏡頭除霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)

彭穎茹

（廣州市浩洋電子有限公司）

LED舞臺(tái)燈具的鏡頭除霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)

彭穎茹

（廣州市浩洋電子有限公司）

相對(duì)于傳統(tǒng)舞臺(tái)燈具，LED舞臺(tái)燈具內(nèi)部溫度不高，在濕度較大的環(huán)境中，易造成鏡頭表面凝結(jié)成霧，嚴(yán)重影響照明效率和光斑清晰度。為此，設(shè)計(jì)小巧方便的鏡頭除霧系統(tǒng)，在舞臺(tái)燈鏡頭內(nèi)安裝輕巧的鋁基板電阻器，由單片機(jī)控制加熱模塊，實(shí)現(xiàn)均勻加熱，達(dá)到消除水霧的目的。實(shí)驗(yàn)表明：該除霧系統(tǒng)在溫度25℃、濕度90%模擬環(huán)境下，8 min內(nèi)可消除水霧。

LED舞臺(tái)燈具；除霧；加熱電阻

0 前言

LED光源自20世紀(jì)60年代誕生以來，經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展，其性能特點(diǎn)得到很大提升。其具有發(fā)光效率高、節(jié)能環(huán)保、壽命長(zhǎng)、安全可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于背光照明、景觀照明、汽車照明、通用照明、動(dòng)植物照明等領(lǐng)域。21世紀(jì)初，大功率LED技術(shù)逐漸成熟，LED的光效比傳統(tǒng)光源成倍提高，同時(shí)具有開關(guān)快速、調(diào)光方便等優(yōu)點(diǎn)。目前單個(gè)LED舞臺(tái)燈的光通量仍然比傳統(tǒng)燈光小，但是新型LED舞臺(tái)燈具將多個(gè)LED組合以提高總光通量，經(jīng)過近十年的發(fā)展已初具規(guī)模，使LED舞臺(tái)燈具得到廣泛應(yīng)用[1]。

但LED光源因其本身的特點(diǎn)在舞臺(tái)燈應(yīng)用領(lǐng)域仍存在很多亟待解決的問題。例如LED為冷光源，發(fā)熱量小，當(dāng)舞臺(tái)燈具鏡頭的溫度低于使用環(huán)境時(shí)，鏡頭表面容易凝結(jié)水霧，極大地影響舞臺(tái)燈具的光傳輸效率和圖案清晰度。舞臺(tái)燈通常吊掛在舞臺(tái)上方，鏡頭的入射面在燈具內(nèi)部，手動(dòng)除水霧既耗費(fèi)大量人力、物力，也不現(xiàn)實(shí)；而采用風(fēng)扇對(duì)著鏡頭吹的方法消除水霧，不但占用舞臺(tái)燈具內(nèi)部有限的空間，使燈具體積變大，而且風(fēng)扇會(huì)加大燈具的噪音，使舞臺(tái)燈具整體性能受到很大影響。

為了克服現(xiàn)有除霧方法的缺陷，在參考汽車除霧方案的基礎(chǔ)上[3]，根據(jù)舞臺(tái)燈結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一種鏡頭自動(dòng)除霧系統(tǒng)。鏡頭增加除霧附加結(jié)構(gòu)，通過檢測(cè)環(huán)境溫度和濕度，控制加熱電阻，能方便快捷地去除鏡頭表面凝結(jié)的水霧[4]。

1 鏡頭除霧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

舞臺(tái)燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)須遵循在功能相同的前提下，外形盡量小，因此，如何在有限空間內(nèi)布設(shè)除霧功能部件是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。大部分舞臺(tái)燈鏡頭均安裝在圓筒狀的鏡頭框內(nèi)，為了防止漏光，要求鏡頭框與鏡頭之間緊密貼合安裝。除霧系統(tǒng)的加熱模塊采用鋁基板，通過鏡頭框把熱量傳遞到鏡頭，傳熱過程須防止鏡頭因局部受熱過高而損壞。

為了保證加熱效率和鏡頭均勻受熱，把加熱模塊環(huán)繞在鏡頭框的外壁貼合安裝，加熱模塊的鋁基板加工成圓筒狀后套裝在鏡頭框。鋁基板部件的加工和安裝工藝難度大、成本高，不利于產(chǎn)品批量化生產(chǎn)。改進(jìn)鋁基加熱板結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 加熱模塊結(jié)構(gòu)示意圖

在鏡頭框底部設(shè)計(jì)凸緣，凸緣上開安裝孔，加熱模塊的鋁基板設(shè)計(jì)為中心開有與鏡頭框直徑一致或稍大一點(diǎn)的通光孔的平板，平板上分布加熱電阻，鏡頭框通過安裝孔與加熱模塊固定連接，并在接觸面涂上導(dǎo)熱膠，增強(qiáng)熱傳導(dǎo)效率。該方案實(shí)現(xiàn)工藝簡(jiǎn)單，成本低，且不增加燈具體積。另外，為了使鏡頭均勻受熱，在鋁基板圓圈周圍均勻分布多個(gè)加熱電阻，可把電能轉(zhuǎn)換成均勻的加熱鏡頭熱量。

2 除霧系統(tǒng)原理

2.1 控制原理

溫度采用單片機(jī)閉環(huán)控制，調(diào)節(jié)方便、控制效果好[4]。除霧裝置的控制系統(tǒng)采用已有的單片機(jī)，組成如圖2所示的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)包括加熱模塊、單片機(jī)、基準(zhǔn)溫度模塊、環(huán)境溫度傳感模塊、鏡頭溫度傳感模塊、濕度檢測(cè)模塊、驅(qū)動(dòng)模塊等。其中單片機(jī)自帶的基準(zhǔn)溫度模塊產(chǎn)生基準(zhǔn)溫度信號(hào)，用于校準(zhǔn)檢測(cè)的溫度；2個(gè)溫度檢測(cè)模塊傳輸溫度信號(hào)給單片機(jī)，一個(gè)檢測(cè)環(huán)境溫度，另一個(gè)檢測(cè)當(dāng)前鏡頭表面溫度；濕度檢測(cè)用于檢測(cè)鏡頭外表面的濕度。單片機(jī)采集各種傳感器的信號(hào)，并進(jìn)行信息融合，當(dāng)鏡頭溫度低于環(huán)境溫度、濕度大于設(shè)定值時(shí)，通過PWM輸出控制驅(qū)動(dòng)模塊，使鋁基板電阻器加熱，傳遞到鏡頭，消除水霧；當(dāng)鏡頭溫度高于基準(zhǔn)溫度、濕度小于設(shè)定值時(shí)，斷開加熱模塊供電。根據(jù)舞臺(tái)燈的實(shí)際使用情況，要求除霧系統(tǒng)在燈具預(yù)熱時(shí)啟動(dòng)，除霧時(shí)間控制在 10 min以內(nèi)。被加熱鏡頭、鏡頭框、鋁基板的材料、大小及溫差決定加熱的電流和時(shí)間。

控制電路原理圖如圖3所示，除霧系統(tǒng)的單片機(jī)型號(hào)為 STM32F051C8T6X，用于存儲(chǔ)程序、收集各種采集電路的數(shù)據(jù)和對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷處理。單片機(jī)內(nèi)部自帶基準(zhǔn)溫度模塊，可以通過程序設(shè)置基準(zhǔn)溫度值。溫度檢測(cè)模塊主要是利用NTC熱敏電阻對(duì)溫度的敏感特性，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，熱敏電阻的阻值發(fā)生變化，熱敏電阻在分壓電路的電壓也會(huì)發(fā)生變化，從而通過計(jì)算電壓的變化獲得溫度值。

圖3 控制電路原理圖

2.2 加熱和驅(qū)動(dòng)電路

加熱和驅(qū)動(dòng)電路原理如圖4所示，單片機(jī)分析溫度采集的結(jié)果后，采用PWM輸出控制電子開關(guān)Q1，使電阻工作在相應(yīng)電流下產(chǎn)生熱量。Q2采用場(chǎng)效應(yīng)管，可以減少功耗，并且采用PWM輸出控制，加熱功率大小可控，大大減少輸出級(jí)功耗。

圖4 加熱和驅(qū)動(dòng)電路原理圖

除霧系統(tǒng)的加熱模塊底板為一鋁基板，便于均勻散熱，在圓環(huán)狀鋁基板表面均勻分布多個(gè)加熱電阻，通過電阻電路把電能轉(zhuǎn)換成熱量。物體受熱吸收熱量的公式

其中，c為被控物體材料的比熱；m為質(zhì)量；t為設(shè)定的基準(zhǔn)溫度；t0為初始溫度。

根據(jù)式(1)可算出在一定溫差情況下需要吸收的總熱量。如果忽略熱輻射，則其中，Q為純電阻電路產(chǎn)生的熱量；W為加熱電路的功率；T為除霧時(shí)間。

由于加熱電路的電壓采用燈具原有的風(fēng)扇電壓28 V為已知，由此可算出電阻值R。

根據(jù)鏡頭大小和外徑電阻以及加熱電阻的阻值，把若干個(gè)電阻均勻分布在鋁基板上，以便鏡頭受熱均勻。此外為防止鏡頭因局部受熱而損壞和提高系統(tǒng)可靠性，采用串并聯(lián)的電阻連接方式。有兩路并聯(lián)電路，每路并聯(lián)電路由若干電阻串聯(lián)而成，每路電路的電阻分別均勻分布在鋁基板上。這樣即使分支電路有故障，也不影響其他分支的正常工作。但如果局部損壞的電阻過多，則會(huì)造成鏡頭的加熱不均勻，甚至損壞鏡頭。

3 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)除霧效果，選用大功率LED聚光電腦搖頭燈BLS300L進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該搖頭燈在環(huán)境溫度30℃，濕度45%的情況下，測(cè)得其2.5 m時(shí)的最大照度為27430 lx。模擬環(huán)境采用可程式恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)箱FTH-1000-CC，將實(shí)驗(yàn)箱溫度設(shè)定為與外部環(huán)境一致，測(cè)試搖頭燈的光束透過恒溫恒濕箱的玻璃后參考照度為25236 lx。實(shí)驗(yàn)過程中，測(cè)得的照度值越接近參考照度，說明除霧效果越好。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：把斷開電源的搖頭燈放入恒溫恒濕箱；把恒溫恒濕箱溫度設(shè)定為 25℃、濕度設(shè)定為90% RH；當(dāng)恒溫恒濕箱運(yùn)行到設(shè)定值后繼續(xù)運(yùn)行 1小時(shí)，搖頭燈上的玻璃鏡頭凝結(jié)了大量水汽，此時(shí)給搖頭燈通電，開啟加熱除霧系統(tǒng)。

表1 不同時(shí)間點(diǎn)溫度和照度測(cè)試數(shù)據(jù)

從表1可以看出，開啟除霧器5 min后鏡頭中心溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度40℃，此時(shí)測(cè)得照度輸出值僅為參考照度的64%。此后鏡頭中心溫度趨于穩(wěn)定。開啟除霧器8 min后測(cè)得搖頭燈的最大照度達(dá)到24730 lx，為參考照度的98%。燈具繼續(xù)運(yùn)行1小時(shí)后，對(duì)各功能模塊進(jìn)行測(cè)試，均能正常使用，說明該除霧系統(tǒng)不影響其他內(nèi)部元器件的正常使用。

鏡頭中心溫度隨時(shí)間變化曲線見圖5，經(jīng)過5 min后，加熱溫度基本保持穩(wěn)定。照度隨時(shí)間變化曲線圖如圖6所示，比溫度響應(yīng)的時(shí)間滯后。實(shí)驗(yàn)表明：開啟除霧系統(tǒng)8 min后燈具可正常使用，除霧效果良好。

圖5 鏡頭中心溫度隨時(shí)間變化曲線圖

圖6 照度隨時(shí)間變化曲線圖

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的LED舞臺(tái)燈具的鏡頭除霧系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、成本較低，不需要額外加大燈具的體積，不影響燈具內(nèi)部原有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)已獲得中國發(fā)明專利[4]，產(chǎn)品已通過CE和ETL認(rèn)證，銷往全球多個(gè)國家和地區(qū)。通過較長(zhǎng)時(shí)間跟蹤使用驗(yàn)證，在周圍環(huán)境濕度很大、燈具較長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)后等情況重新啟動(dòng)時(shí)，都能迅速去除燈具鏡頭霧氣，很好地輸出額定光通量，滿足舞臺(tái)燈光亮度和清晰度的要求，得到用戶好評(píng)，具有良好的實(shí)用價(jià)值。

[1] 李勝有.LED舞臺(tái)燈技術(shù)及發(fā)展前景[J].硅谷,2013,142(22): 88,91.

[2] 中國演藝設(shè)備技術(shù)協(xié)會(huì).中國演藝設(shè)備行業(yè)發(fā)展概覽[M].北京:文化藝術(shù)出版社,2011.

[3] 趙南,田鈞.基于 H2TG3551濕度傳感器的汽車自動(dòng)防霧系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)[J].傳感器世界, 2011(9):37-40.

[4] 彭穎茹,蔣偉楷.一種用于舞臺(tái)燈鏡頭的除霧系統(tǒng): 中國, 201210406696.9 [P]. 2013-02-06.

[5] 關(guān)平,劉紅,林強(qiáng),等. 可實(shí)現(xiàn)的基于MCS-51單片機(jī)的恒溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用, 2008,27(10): 108-110.

The Lens Demisting System for LED Stage Illumination

Peng Yingru
(Guangzhou Haoyang Electronic Co., Ltd.)

This paper presents a new compact structure of lens demisting control system used in LED stage illuminations, which has lower internal temperature than the tradition ones, to prevent or eliminate the condensation buildup in lens, which seriously affects the light efficiency and spot definition of illumination devices when there is high humidity. The new structure arranges in the lens evenly heating the lens according to temperature and humidity with lightweight aluminum substrate resistance heaters inside, and controlled by microcomputer. The experimental results show that system can eliminate water mist within 8 minutes when humidity of the environment is 90% and temperature is 25℃.

LED Stage Illumination; Demisting System; Heating Resistor

彭穎茹，女，1971年生，高級(jí)工商管理碩士，工程師，研究領(lǐng)域：舞臺(tái)燈具。E-mail: pengyingru@126.com