0 前言

医用头灯在对患者进行检查或手术时起到了重要作用，特别在对患者深层狭窄部位进行检查时，要求点光源和医生的视线处在同一角度。传统头灯采用大功率 LED 灯为电光源，采用干电池供电，这样头灯耗电量大，续航时间短，而且外观比较笨重，使用很不方便 ；而采用立灯作为电光源，额带反光镜进行反光，聚焦效果差，色温高，照度不够，影响医生的诊断结果。

基于上述情况，我们设计一种新型医用头灯。以AT89S52 为处理芯片，采用大功率 LED 为点光源，通过可编程控制技术对医用头灯进行智能控制，保持其亮度稳定。通过头灯外观设计，整个头灯重量轻，佩戴轻松舒适，电源装置与头带连在一起，实现无线化，方便使用 ；通过头灯光学系统设计，使整个头灯聚光效果好，能够满足深度清晰照明的需要及不同医疗条件下对光照的要求 ；通过头灯电路设计，包括 LED 驱动电路、调光电路、锂电池电量监测电路等，实现头灯亮度可调，保证头灯安全方便的使用。

1 路线设计与实现

本次新型医用头灯设计由3部分组成 ：外观设计、光学系统设计和电路系统设计。

设计目标：经过新型医用头灯外观设计，实现了整个医用头灯重量轻，便于携带 ；通过光学系统设计，实现了新型医用头灯光斑均匀明亮、色温低、照度高；通过电路系统设计，实现新型医用头灯亮度调节和电量显示等功能。

1.1 新型医用头灯外观设计

整个新型医用头灯包括：万向 LED 灯头、可伸缩头带、可拆装电源。整个新型头灯重量轻，不会给医务人员造成头脑压迫，佩戴舒适 ；将电源和头带结合在一起，实现无线化 ；万向灯头可根据医务人员按照自己的意愿调节头灯方向，方便使用。灯头设计成圆柱体，采用铝合金材料，整个灯头重量轻。头灯通过包塑金属软管与可伸缩头带相连，包塑金属软管内层采用镀锌软管及特殊绝缘处理，外层采用 PVC 塑料，且 PVC 塑料中添加了防火阻燃剂。包塑金软管结构为单扣型，增加抗拉强度，不容易折断或变形、弯曲性能好，内部平滑构造，在穿引电线电缆时容易通过。头灯通过包塑金属软管组成的万向灯头，可根据医务人员的意愿调节视角，实现同轴照明，定位稳固，长期使用不松动。可伸缩头带采用独特的 PVC 高分子材料材质轻，在头带使用伸缩过程中不变形，易折叠，便于随身携带，适合于寒暑极限环境使用。整个头带采用人体工学设计，分布两排透气小孔，使医务人员长时间佩戴无疲劳感。可拆装电源采用的是聚合物锂电池，重量轻，可直接拆装，不会给头脑造成压迫感，且绿色环保、安全可靠。

1.2 新型医用光学系统设计

新型医用光学系统设计采用具有特殊的封装光学结构大功率 LED 灯为点光源，让 LED 灯发出的光具有很强的指向性。为了提升光能利用率，根据新型医用光学系统需求的光强分布，采取合理的反光碗张角、插入深度、环氧树脂的折射率和透镜的曲率半径，让 LED 发出的光具有最合理的光强分布。通过光学系统的二次设计，采用非对称配光的自由曲面透镜，实现最大可能的提高光的利用效率，理论计算的效率超过 98%，但是由于透镜材料本身的投射率约为92%，实际的透镜效率约 90%。LED 灯发出的光经过透镜，光线进行折射后聚光，输出强劲的完美光斑，这样高质量的光强分布和高透射率，可以使整个光学系统达到很高的照度。透镜和 LED 灯的透镜距离可使聚光角度发生变化（成反比），在设计时调节好 LED 与透镜之间的距离，可使 LED 发出的光线集中在空间角≤ 5°的照明区域内，这样的光路设计大幅度缩减了灯头尺寸，以比较小的灯头直径实现卓越的无遮拦同轴照明。本次设计选用的LED 最大功率可达 3W，额定工作条件下（电压 3 V、电流 350 mA）有效光通量可达 60 LM。经测试，在照明光束未被遮挡的情况下，距灯头 0.5 m 处聚焦的光斑直径可达40 mm，则此处的中心照度E ：

式中 Φ 为光通量，S 为光斑直径所对应的面积。

由于采用的是大功率 LED，又采用小灯头，在长时间使用时芯片内部热量聚集。本设计的散热系统把 LED 的铝基板直接和灯头外壳镶嵌为一体，并对芯片外延结构优化设计和使用表面粗化设计，这样 LED 头灯在长时间使用中能够保持灯头的温度。

1.3 新型医用头灯电路系统设计

新型医用头灯电路系统包括外部充电电路和主控制电路。 主控电路包括主芯片（AT89S52）控制电路、按键电路、电量显示电路、调光电路、LED驱动电路等。其结构框图，见图1。

本次设计的新型医用头灯采用的是 3.6 V、1200 mA 锂电池，最长续航时间可达 12 h，放电时间短、可长时间存放，无记忆效应并且可以快速充电。在整个充电器设计中，充电过程中分为 3 个阶段，在电池过度放电，电压偏低的状态下，采用涓流充电 ；电池从过放状态恢复到了正常状态后，采用恒流充电；已经充满 85% 以上，再慢慢的进行补充，采用恒压充电。

在整个电路系统中，通过按键电路控制 LED 医用头灯的开启，调光电路可以分为 5 档，控制头灯的照度。电量显示电路可以随时检查锂电池电量，提醒医务人员及时充电；LED 驱动电路采用脉宽调整，使 LED 头灯的照度不会随着电量的降低而变暗，实现智能锁定工作功率。整个电路系统镶嵌在头带中，实现了精巧简洁的无线设计，并采用了低功耗恒流控制实现了超长续航能力，在使用过程中照度始终恒定如一。

2 新型医用头灯功能设计

基于AT89S52 芯片的新型 LED 医用头灯的外观功能设计，见图 2。

在医用 LED 头灯运用过程中，在关闭状态下，长按主控制电路电源开关键 2 s 开启照明 ；在开启状态下，长按主控制电路电源开关键 2 s 关闭照明。在亮度调节状态下，每按 1 次加亮键，亮度增加 1 档，亮度指示灯相应增加 1 格 ； 每按 1 次减量键，亮度降低 1 档，亮度指示灯相应减少 1 格。5级电量显示通过 5 个指示灯来显示电量，当电池电量不足以正常工作时，5 个指示灯同时闪烁，提示为电池充电。

3 结束语

针对目前传统手术头灯外观比较笨重、结构比较复杂、使用不方便等特点，设计了基于 AT89S52 的新型医用头灯。采用了结构精巧的外观设计、精密的光学系统设计和性能稳定的电路系统设计，使新型手术头灯重量轻、使用方便、性能优越、性价比高，非常适合医院的各种外科手术。

作者：周文光 魏培德 许新建 孔悦