基于EWB的新型聲光控LED節(jié)能燈設(shè)計(jì)

黃仕凰，吳文龍

(韓山師范學(xué)院物理與電子工程系，潮州521041)

1 引言

在廣州亞運(yùn)會(huì)的開幕式上，大家感受到的是高速發(fā)展的現(xiàn)代科技。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，尤其是數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，用數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)燈的自動(dòng)滅亮、節(jié)能節(jié)電、延長燈的壽命變得越來越重要，而且貼近大家的實(shí)際生活。聲光控電路的產(chǎn)品已成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚谋匦杵?，它不需要開關(guān)，當(dāng)有人經(jīng)過時(shí)會(huì)自動(dòng)亮起來，廣泛應(yīng)用于走廊、樓道招待所等公共場所，給人們的生活帶來極大的方便，因此得到了廣泛應(yīng)用。聲光控電路是聲音和光控制電路工作的電子開關(guān)。它將聲音(如擊掌聲)和光轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)放大、整形，輸出一個(gè)開關(guān)信號去控制各種電器的工作，在自動(dòng)控制工業(yè)電器和家用電器方面有著廣泛的用途。

2 總體電路設(shè)計(jì)

整個(gè)電路由電源電路、放大電路、聲控電路、光控電路及延時(shí)電路等部分組成［10］。

(1)當(dāng)白天或夜晚光線較亮?xí)r，整個(gè)電路由光控部分控制，聲控部分不起作用。光控電路對外界光亮程度進(jìn)行檢測，輸出與光亮程度相對應(yīng)的電壓信號，從而實(shí)現(xiàn)白天燈泡不亮。此時(shí)即便有聲音，燈泡也不亮。

(2)當(dāng)光線較暗時(shí)，負(fù)載電路的通斷受控于聲控部分。聲控電路主要將聲音信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，且電路是否接通，取決于聲音信號的強(qiáng)度。當(dāng)聲強(qiáng)達(dá)到一定程度時(shí)，電路自動(dòng)接通，點(diǎn)亮燈泡。

(3)燈泡點(diǎn)亮后，延時(shí)電路控制延時(shí)36秒，當(dāng)延時(shí)時(shí)間到時(shí)燈滅，再等待下一次聲音信號觸發(fā)。

(4)此外，電路帶強(qiáng)切功能，在特殊情況下強(qiáng)制切斷。

總體設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)流程圖

3 電路原理設(shè)計(jì)

根據(jù)總體設(shè)計(jì)流程圖設(shè)計(jì)出原理框圖，如圖2所示。

圖2 原理框圖

根據(jù)設(shè)計(jì)要求及原理，設(shè)計(jì)出電路原理圖，如圖3所示。

圖3 電路原理圖

由圖可知，聲光控節(jié)能燈電路由聲控電路(由聲音拾取電路、放大電路、滯回比較器構(gòu)成)，光控電路(電壓跟隨器)，單片機(jī)控制電路(由延時(shí)電路和邏輯與電路構(gòu)成)，繼電器驅(qū)動(dòng)電路及電源電路等部分組成。其中聲控電路和光控電路是整個(gè)電路的核心部分，作用是將MIC輸出的微弱聲音信號進(jìn)行放大，并轉(zhuǎn)換成方波信號。最后通過單片機(jī)的比較輸出來控制繼電器的導(dǎo)通，進(jìn)而控制燈的亮滅。

4 各組成電路的設(shè)計(jì)與仿真

4.1 電源電路［11］

電源電路的種類繁多，如變壓器降壓;橋式整流全波整流;Lc、Rc濾波;三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓等。具體采用什么電路合適，則根據(jù)主體電路及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不同和可靠、價(jià)廉、有效益等要求進(jìn)行選用。

根據(jù)安全、實(shí)用、廉價(jià)的要求，其電源的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

電路設(shè)計(jì)使用的是±12V雙電源和+5V單電源兩級電路。如圖5所示。

圖5 直流電源電路圖

電源電路由變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓四部分構(gòu)成。變壓電路由普通的電源變壓器組成，將220V的交流電轉(zhuǎn)換成低壓交流電;整流電路由一個(gè)橋式整流組成，將低壓交流電轉(zhuǎn)換成脈動(dòng)直流電;濾波電路由濾波電容C1和C2構(gòu)成，濾除交流成分，增加直流成分;穩(wěn)壓電路主要由7812，7912及7805三個(gè)集成穩(wěn)壓器，輸入端電容C5、C6及輸出端電容C3，C4，C7，C8構(gòu)成。集成穩(wěn)壓器利用負(fù)反饋進(jìn)一步穩(wěn)定經(jīng)過濾波后的電壓，輸出端電容用以改善負(fù)載的瞬態(tài)效應(yīng)，消除電路的高頻噪聲，同時(shí)具有消振的作用;發(fā)光二極管D2作為電源指示，電阻R1作為限流電阻保護(hù)發(fā)光二極管。除此之外，單排J1，J2，J3和J4作為電源和地的輸出端。

4.2 聲控電路

聲控電路的主要原理:根據(jù)聲學(xué)和電子學(xué)的原理，用聲音傳感器將聲音信號轉(zhuǎn)換成電信號，從而推動(dòng)觸發(fā)器觸發(fā)使電路導(dǎo)通工作。

作為一個(gè)智能化聲控電路應(yīng)具有以下功能:

(1)能在聲音控制下實(shí)現(xiàn)電路的導(dǎo)通與截止。

(2)聲音的發(fā)出應(yīng)是多方面的，如腳步聲，物體打擊聲等。

(3)響應(yīng)時(shí)間應(yīng)越短越好。

為此在選擇電路元器件時(shí)應(yīng)選擇靈敏度較高的聲音傳感器(本設(shè)計(jì)選擇駐極體話筒MIC)組成聲控電路的前端，同時(shí)還要為該傳感器設(shè)置傳感條件如聲音響度必須在20DB以上才能響應(yīng)等。中間端采用觸發(fā)器構(gòu)成，利用觸發(fā)器不觸不發(fā)，一觸即發(fā)的特點(diǎn)去推動(dòng)照明電路工作，觸發(fā)器的選擇也應(yīng)選擇靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短的觸發(fā)器如D觸發(fā)器，JK觸發(fā)器等［12］。

聲控電路由拾音電路，兩級放大電路和遲滯比較器構(gòu)成，如圖6所示。

圖6 聲控電路圖

白天，因?yàn)楣饪仉娐纷钄啵?，無論多大聲，燈都不會(huì)亮。到夜晚，光控電路導(dǎo)通，當(dāng)人走動(dòng)的腳步聲傳到傳聲器MIC時(shí)，聲波轉(zhuǎn)換為電信號，拾音電路將聲音轉(zhuǎn)換成微弱的電壓信號。然后，微弱的電壓信號經(jīng)過兩級放大成伏特級的電壓，電壓通過遲滯比較器轉(zhuǎn)變成單片機(jī)識別的方波信號，經(jīng)過雙向穩(wěn)壓管變成±5V的方波，然后傳給單片機(jī)的外部中斷P3.4口。

如圖7所示:第一條為50Hz的交流信號來替代人的聲音信號，輸入電壓的峰值為6mV，兩級放大后為4V，放大倍數(shù)為667倍，經(jīng)過遲滯比較器后輸出的方波，完全符合要求。在失真情況下，電路所消耗的能量最小。

圖7 聲控電路仿真

4.3 光控電路［13］

光控電路的主要原理:利用光敏元件隨光照強(qiáng)度的變化而阻抗發(fā)生變化的特點(diǎn)，去控制電信號的強(qiáng)弱，再由傳感器將變化的電信號傳遞給觸發(fā)器，只要電信號強(qiáng)度達(dá)到一定程度將觸發(fā)觸發(fā)器使其導(dǎo)通工作。

在這樣的電路設(shè)計(jì)中，對電路元器件的要求也很高，尤其是光敏元件。光敏元件是光控電路功能實(shí)現(xiàn)的核心，必須保證其各項(xiàng)參數(shù)的精確、穩(wěn)定。

半導(dǎo)體光敏元件是基于半導(dǎo)體光電效應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換傳感器，又稱光電敏感器。采用光電技術(shù)能實(shí)現(xiàn)無接觸、遠(yuǎn)距離、快速和精確測量，因此半導(dǎo)體光敏元件還常用來間接測量能轉(zhuǎn)換成光量的其他物理或化學(xué)量。半導(dǎo)體光敏元件按光電效應(yīng)的不同而分為光導(dǎo)型和光生伏打型(見光電式傳感器)。光導(dǎo)型即光敏電阻，是一種半導(dǎo)體均質(zhì)結(jié)構(gòu)。光生伏打型包括光電二極管、光電三極管、光電池、光電場效應(yīng)管和光控可控硅等，它們屬于半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)型器件。半導(dǎo)體光敏元件的主要參數(shù)和特性有靈敏度、探測率、光照率、光照特性、伏安特性、光譜特性、時(shí)間和頻率響應(yīng)特性以及溫度特性等，它們主要由材料、結(jié)構(gòu)和工藝決定。半導(dǎo)體光敏元件廣泛應(yīng)用于精密測量、光通信、計(jì)算技術(shù)、攝像、夜視、遙感、制導(dǎo)、機(jī)器人、質(zhì)量檢查、安全報(bào)警以及其他測量和控制裝置中。常見的光敏元件有:光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等。

因此，在設(shè)計(jì)時(shí)不僅須考慮方案的可行性、穩(wěn)定性，還必須充分考慮元器件的靈敏度，尤其是光敏元件必須選擇靈敏度高的，這樣電路的功能才能較容易實(shí)現(xiàn)。

所謂光控就是利用光敏器件對不同光照呈現(xiàn)的阻抗不同，當(dāng)光敏電阻受光照時(shí)，電阻減小，運(yùn)放同向輸入端為低電平;當(dāng)光照較弱時(shí)，電阻增加，運(yùn)放同向輸入端為高電平。光控電路的輸出信號經(jīng)過電壓跟隨器后，將比較微弱的電流信號放大到單片機(jī)能夠識別的電流，然后由運(yùn)放輸出端將放大后的信號傳給單片機(jī)的P1.6口。電路圖中的集電極電阻R16作為限流電阻，保護(hù)三極管;調(diào)節(jié)變阻器R15能夠改變基極電流ib，從而控制發(fā)射極和集電極電流，進(jìn)而控制整個(gè)光控電路對光信號的靈敏度。

4.4 單片機(jī)控制電路

51單片機(jī)是對目前所有兼容Intel 8031指令系統(tǒng)的單片機(jī)的統(tǒng)稱。該系列單片機(jī)的始祖是Intel的8031單片機(jī)。后來隨著Flash Rom技術(shù)的發(fā)展，8031單片機(jī)取得了長足的進(jìn)展，成為目前應(yīng)用最廣泛的8位單片機(jī)之一，其代表型號是ATMEL公司的AT89系列，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)測控系統(tǒng)之中。目前很多公司都有51系列的兼容機(jī)型推出，在目前乃至今后很長的一段時(shí)間內(nèi)將占有大量市場。51單片機(jī)既是基礎(chǔ)入門的一個(gè)單片機(jī)，也是應(yīng)用最廣泛的一種。本設(shè)計(jì)通過單片機(jī)來完成延時(shí)電路與其他電路的功能［1］。

圖8 光控電路圖

程序原理如下所示:

4.5 繼電器驅(qū)動(dòng)及燈泡照明電路

將開關(guān)電路的負(fù)載改為繼電器，即變成繼電器驅(qū)動(dòng)電路。如圖9所示，運(yùn)放同相輸入端與單片機(jī)P1.7口相連，電壓跟隨器將微弱的單片機(jī)I0口輸出電流放大，提高帶負(fù)載能力，使電流能夠驅(qū)動(dòng)三極管，但為防止電流過大燒壞三極管，因此加上限流電阻R13，從而通過三極管的開關(guān)作用來驅(qū)動(dòng)繼電器。

當(dāng)開關(guān)的負(fù)載為電動(dòng)機(jī)或者繼電器等感性負(fù)載時(shí)，在截?cái)嗔鬟^負(fù)載的電流時(shí)(晶體管進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)時(shí))，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(楞次定律)。這時(shí)產(chǎn)生的電壓非常大。當(dāng)這種電壓超過晶體管的VCBO，VCEO時(shí)，晶體管將會(huì)被擊穿。因此給繼電器并上一個(gè)二極管，將集電極的電位鉗制在(VCC+0.5)V左右，防止三極管被擊穿。

圖9 繼電器驅(qū)動(dòng)及照明電路圖

4.6 延時(shí)電路

延時(shí)電路的主要原理:利用電子計(jì)數(shù)器的原理實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能。

延時(shí)電路的構(gòu)成方案一般有三種:①硬件構(gòu)成;②軟件構(gòu)成;③軟硬相結(jié)合構(gòu)成。

對于由硬件構(gòu)成的定時(shí)器，一般是用改變R、C元件值控制定時(shí)的，其效率較高，但靈活性，通用性較差;而由軟件構(gòu)成的定時(shí)器是用執(zhí)行一段程序來實(shí)現(xiàn)定時(shí)的，其靈活性通用性較高，但效率較差;故現(xiàn)在設(shè)計(jì)定時(shí)器一般都是采用軟硬相結(jié)合的方法，通過編程設(shè)定不同的延時(shí)常數(shù)，而由硬件控制定時(shí)過程，如大規(guī)模集成電路可編程計(jì)數(shù)器8253，51單片機(jī)通過編程構(gòu)成計(jì)數(shù)器等。

延時(shí)電路主要用于完善電路功能，因此在延時(shí)結(jié)束后應(yīng)發(fā)出一個(gè)結(jié)束信號，控制電路是否繼續(xù)工作。

5 結(jié)束語

用聲光控延時(shí)開關(guān)代替住宅小區(qū)樓道上的開關(guān)，只有在天黑以后，當(dāng)有人走過樓梯通道，發(fā)出腳步聲或其它聲音時(shí)，樓道燈才會(huì)自動(dòng)點(diǎn)亮，提供照明，當(dāng)人們進(jìn)入家門或走出公寓，樓道燈延時(shí)幾分鐘后會(huì)自動(dòng)熄滅。在白天，即使有聲音，樓道燈也不會(huì)亮，可以達(dá)到節(jié)能的目的。聲光控延時(shí)開關(guān)不僅適用于住宅區(qū)的樓道，而且也適用于工廠、辦公樓、教學(xué)樓等公共場所，它具有體積小、外形美觀、制作容易、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，適合于各種樓房走廊的照明設(shè)備。降低能耗、節(jié)約能源、注重環(huán)保是當(dāng)今世界的主潮流，高能耗且會(huì)加劇溫室效應(yīng)的白熾燈越來越不受歡迎。繼公布“歐盟后年封殺白熾燈”的時(shí)間表后，世界各地陸續(xù)拋棄白熾燈已成定局，環(huán)保型節(jié)能熒光燈是白熾燈的替代者。

按目前的發(fā)展趨勢，節(jié)能熒光燈取代白熾燈已經(jīng)毫無置疑，但樓道照明卻限制了熒光燈的使用，因?yàn)闃堑勒彰魇欠浅掷m(xù)性的，有人經(jīng)過才需要光亮，而不斷的開關(guān)通斷會(huì)影響熒光燈的使用壽命，所以聲光控白熾燈在樓道照明領(lǐng)域還將得到廣泛應(yīng)用。

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