智能紅外聲控走廊燈控制系統(tǒng)的設計

李慧元 孫 珂 姜心蕊 孟國營

（中國礦業(yè)大學〈北京〉 機電與信息工程學院，中國 北京 100083）

0 引言

當今時代的主題之一就是低碳、節(jié)能和環(huán)保，從目前我國的社會現(xiàn)狀來看，盡管人們已經(jīng)具有了一定的節(jié)能意識，但是技術(shù)手段和步伐并未同步跟進，很多公共場所的照明燈、走廊燈處于無人看管狀態(tài)，導致了電能過度消耗和浪費，而已經(jīng)采用的部分聲控裝置和光控裝置本身也存在著很多的弊端，智能控制程度不高，難以實現(xiàn)燈光照明的啟動與人同步，因此如何從聲控和紅外感應的雙重角度出發(fā)，對現(xiàn)有的燈光控制和電路系統(tǒng)進行改進，是我們目前需要開展的一項重要技術(shù)工作。 本文所設計的走廊燈一方面要提高靈敏度、加強對人的感應程度，即實現(xiàn)技術(shù)設計與人的活動更緊密的結(jié)合，提高便利性和實用性；另一方面要盡量使電路設計簡單易行，降低成本，且同時降低反復啟動聲音控制系統(tǒng)的噪音污染。主要實現(xiàn)當走廊內(nèi)遠距離有人出現(xiàn)的時候，聲音控制短時啟動，而當人體進入走廊內(nèi)部的時候，紅外感應系統(tǒng)開始發(fā)揮作用， 從而避免走廊內(nèi)反復發(fā)出聲音時燈光重復啟動，更好地提高聲控感應系統(tǒng)的人性化、智能化程度。

本文第一部分介紹了紅外聲控電路中的基本元器件及其功能，第二部分詳細闡述了紅外聲控電路系統(tǒng)的電路設計和工作原理，第三部分對電路系統(tǒng)的物理實現(xiàn)、注意事項和出現(xiàn)問題的應對措施進行了介紹，并具體分析了這種聲光控電路開關(guān)的實用性。

1 系統(tǒng)基本組成結(jié)構(gòu)及原理

1.1 紅外感應系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理

1.1.1 光敏電阻的原理與功能

光敏電阻能夠在光照變化的條件下發(fā)生電阻值的改變，與光線的強弱呈反比關(guān)系。 光敏電阻器在電路中的應用，能夠使電路有效地感應外界的亮度。

1.1.2 紅外被動感應的作用原理

在紅外感應元件中， 探測到溫度的變化會引起內(nèi)部電流發(fā)生相應改變。 當人體處在紅外探測區(qū)域覆蓋的范圍時，人體熱輻射會被光能裝置感應，并將這種探測溫度變化為電流，使得電路系統(tǒng)能夠及時地啟動。在電路設計中，我們希望實現(xiàn)人體進入感應區(qū)域即自動啟動，并持續(xù)保持電路連接，而人體離開以后，開關(guān)經(jīng)延時后自動關(guān)閉。

紅外熱傳感器原理如圖1 所示：兩個探測元可以放置在走廊的兩個方向上，不論人從哪個方向走近走廊都可以被感知。 D、G 極間要接12V 的外接電源，S 端為感應信號輸出端。

圖1 紅外熱傳感器原理圖

1.2 聲控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與作用

燈光的聲控系統(tǒng)是利用聲音產(chǎn)生的振動觸發(fā)聲控系統(tǒng)中的感應裝置，并且在放大電流信號的基礎上實現(xiàn)對燈光開關(guān)的控制。 駐極體話筒在聲控系統(tǒng)中具有最普遍的應用，它的優(yōu)勢在于制作簡單、體積小、性能穩(wěn)定等。駐極體話筒由兩個極面構(gòu)成，其中一面是單向金屬薄片，另外一面是設計有一些孔洞的背電極面，兩個極面之間有一定的距離，使兩極之間形成了電容結(jié)構(gòu)。當有聲音產(chǎn)生時，聲波就會帶動極面產(chǎn)生振動從而改變兩極面之間的距離，電容隨之改變，通過電流信號的變化和輸出，實現(xiàn)了從聲音的接收到電流的整體過程。

1.3 信號延時系統(tǒng)的設計與意義

信號延時系統(tǒng)的目的在于延長觸發(fā)信號持續(xù)時間。在信號延時工作系統(tǒng)中，RC 延時回路是核心部件，其作用在于當它受到光、聲音等轉(zhuǎn)換來的電流脈沖作用時，不會立刻發(fā)生狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

1.4 信號綜合處理的協(xié)調(diào)配置結(jié)構(gòu)

從紅外聲光控燈的整體系統(tǒng)來看， 要實現(xiàn)我們所提出的設計目標，就必須合理地配置聲控裝置與紅外光感應裝置，我們可以采用層級結(jié)構(gòu)對這一系統(tǒng)進行描述，形成一個接收——反應——輸出的完整電路鏈條。 系統(tǒng)整體作用效果如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)整體作用效果圖

2 系統(tǒng)具體電路設計及工作原理

2.1 系統(tǒng)電路控制邏輯原理圖

如圖3 所示，設定A 代表光控信號，有光照時邏輯A=0,無光照時A=1；B 代表聲控信號，有適當大小聲音時B=0，無有效聲音時B=1；C1和 C2代表接收到的紅外感應信號， 有紅外感應信號時C1=1 或C2=1；Y 表示輸出信號，走廊燈亮時Y=1，走廊燈不亮時Y=0。

圖3 電路控制邏輯原理圖

真值表界定如表1 所示：

表1 電路真值表

2.2 系統(tǒng)具體電路設計與原理分析

智能紅外聲控走廊燈控制系統(tǒng)的整體電路如圖4 所示：該電路分為低壓控制電路和高電壓工作電路部分， 通過低電壓控制電磁繼電器，從而間接控制高電壓工作電路。

圖4 控制系統(tǒng)電路設計

原理分析：

1） 電源部分： 利用一個開關(guān)控制的+6V 直流電源， 并聯(lián)一個100μF 的電容C1，用以改善電源的性能，在電池長時間使用后，電壓降低，C1 電容可以有效地使聲控放大電路發(fā)揮更好的作用。

2）聲控部分：聲控部分使用了小型駐極體話筒，在駐極體話筒之后接一個三極管起到電流放大作用。 三極管的C 極連接可變電阻W，調(diào)節(jié)這個電阻使C 極的起始電壓處在比與非門電路1A 輸入閥值略高一點的電位。由于兩個輸入端都是高電位，所以輸出端是低電位。當外界有一定聲響，C 極電位下降， 與非門輸出端變?yōu)楦唠娢唬?聲響消失，輸出端又回復到低電位。

3）光控部分：光控部分在圖中用光電三極管來表示，當環(huán)境中有光照時，光電三極管輸出電流，此時C 極處于高電位；沒有光照時，C極處于低電位。此時該電位與聲控電路中輸出的低電位共同作用在與或門上，其輸出為高電位。

4）熱釋電紅外控制：在電路圖中同樣使用光電三極管來表示。 為了防止自身散熱對實驗的影響，在實際電路制作中，可將兩個極性相反的電容串聯(lián)， 串聯(lián)后的電路可以接收來自兩個方向上的紅外輻射，可以有效地增強其接收角度。當其中任意一個紅外傳感器接收到紅外信號之后，與之連接的二極管即輸出高電位。

5）延時控制：當走廊燈亮時，輸出Y=1，電容器C2 下端的電位為低電平，但它是不能持久的，因為其連接電阻R7，R7 的上端連接電源正極，是高電位，它將會把下端電壓緩慢抬高，當電位達到和超過閾值時， 進行反轉(zhuǎn)， 輸出為低電位， 從而達到延時功能； 如果沒有C2（47μF），下端的低電位可以很快上升，電容使上升過程變慢，這就是電路延時功能。

6）電磁繼電器：當其輸出電位為高電位時，有電流流過電磁繼電器，從而使得電磁鐵產(chǎn)生磁性，將開關(guān)吸附到閉合位置，高電壓電路開始工作；直到延時電路中電流為0 時，開關(guān)才回到斷開位置。

7）高電壓電路：樓道照明電路經(jīng)常處于高電壓狀態(tài)，當燈泡點亮的一瞬間，會有較強的電流通過，使得燈泡極易被強燒壞。 在實際生活中，我們可以將兩個同樣規(guī)格的燈泡串聯(lián)，每個燈泡為其額定功率的1/4、電壓為1/2，燈泡可以被點亮，也時避免了由于強電流對其造成的損壞。

綜上，通過真值表及電路原理分析可知，該電路可以實現(xiàn)在白天時， 不論人有沒有發(fā)出聲音信號或者有沒有被紅外探測器感應到，走廊燈始終處于熄滅狀態(tài)；到晚上光照強度下降到一定程度后，只要人發(fā)出一定強度聲音，或者進入探測器的有效感應范圍，走廊燈就會變亮。 當人從遠處走向走廊燈時，只要發(fā)出一定聲音即可觸發(fā)電路使燈變亮，而進入樓道后即可被紅外探測器感應到使燈變亮，且當人在樓道內(nèi)活動一直需要光照時，紅外探測器可一直感應到人體發(fā)出的紅外線，走廊燈燈不會自動熄滅，不會在走廊中形成回音噪聲污染；人離開后，照明持續(xù)一定時間才會自動熄滅。 這樣就解決了現(xiàn)在已有走廊燈開啟時存在的噪聲污染，提高了走廊燈的人性化程度，達到了設計目的，具有一定的實用價值。

3 系統(tǒng)實際電路器件選型

在紅外聲光控走廊燈系統(tǒng)控制電路中，元器件的選擇直接關(guān)系到系統(tǒng)功能的實現(xiàn)和最終效果，因此我們必須對系統(tǒng)當中的器件進行認真選擇、檢驗。

3.1 紅外傳感器的采用與分析

紅外熱傳感器作為聲光控系統(tǒng)的核心部分，在工業(yè)電子應用當中通常有LHi74 型號、LHi878 以及LHi968 等型號。 總體來看，各種型號的熱紅外傳感器結(jié)構(gòu)與性能基本相同，我們應該選用具有工作噪聲低和高靈敏、高反應度特征的型號，以使其能夠供各種濾波器的窄帶和寬帶使用。

3.2 駐極體話筒的選用與要求

我們在實際使用過程中選用了內(nèi)置式的駐極體話筒，屏蔽線就是接地的端口，而單線則為輸出端口。 常用駐極體話筒型號有CRZ29 和CRZ215 等，我們在紅外聲光控電路的設計中可以采用CRZ29 型號。

3.3 電容器的選擇與要點

國內(nèi)通用的電容器型號有BSMJ 和BCMJ 等，電容器的正常工作必須在指定的溫度范圍內(nèi)，同時作用于電容器本身的直流電壓也必須保持在一定的范圍內(nèi)。

4 系統(tǒng)電路檢測與故障應對

在實際中我們可能會面臨許多問題， 最常見的問題是發(fā)出信號，但是燈泡沒有反應，或者燈泡不會自動關(guān)閉，以及信號反應時間拖滯，敏感度較低等。對此，我們要根據(jù)不同的情況進行相應地處理。如果燈泡沒有反應，首先要考慮是否燈泡損壞，其次要考慮是否是電路控制中產(chǎn)生了問題；對于光信號無正常反應的問題，我們應該考慮是否是光敏電阻中存在問題，如果是，則要及時更換。 在測試過程中，要采用儀器對輸出和輸入端口的電平進行檢測，看其是否正常。 在聲音感應方面，還要考慮是否是電壓發(fā)生問題導致話筒損壞。 如果燈泡不能及時地關(guān)閉， 就要考慮電路控制系統(tǒng)中是否有接線纏繞和干擾的情況，采用發(fā)出信號的方式對其加以檢驗。 如果燈泡發(fā)光時間低于設計時長，則要考慮是否存在漏電情況。

5 結(jié)束語

從智能紅外聲控走廊燈控制系統(tǒng)的整體設計來說，它能夠滿足人類對于節(jié)能和便利的雙重要求，因此具有較大的實用價值。 這種新型的電路智能控制系統(tǒng)充分地將聲音與紅外感應結(jié)合起來，能夠最大程度地實現(xiàn)燈光與人的在場性的協(xié)調(diào)配合，最大可能地實現(xiàn)了燈光控制節(jié)能環(huán)保的要求。 可以在學校、工廠、醫(yī)院等公共場合實現(xiàn)良好效果，克服了傳統(tǒng)聲控系統(tǒng)必須重復發(fā)出聲音進行燈光啟動的缺陷和不足，為人們的日常生活提供了極大的便利。

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