聲光控制延時開關電路系統(tǒng)設計

安徽巢湖學院機械與電子工程學院 李素平

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聲光控制延時開關電路系統(tǒng)設計

安徽巢湖學院機械與電子工程學院 李素平

【摘要】一個替代傳統(tǒng)手動開關的受聲、光雙重控制的電子開關主要由電源電路、檢音電路、感光電路、延時電路及控制電路組成。光控電路通過光敏電阻對外界光照強度進行檢測：白天或光線較亮時，光敏電阻阻值較高，通過控制電路使開關斷開。當聲音信號達到一定大小，且夜晚或光線比較暗時，燈會自動導通點亮，聲音信號消失后延時點亮一段時間再自動關斷。電路系統(tǒng)結構簡單，克服了現(xiàn)有聲光控制開關成本高、體積大等缺點，同時還大大減少了維修量，節(jié)約了資金是家庭及公共場所理想的照明開關，特別適用于樓梯、走廊、倉庫、廁所等公共場所的照明自動控制。

【關鍵詞】聲光控制；電子開關；檢音電路；感光電路；放大電路；延時電路

引言

聲光控制指利用聲音信號以及光照的變化來控制電路實現(xiàn)特定功能的一種電子學控制方法。聲光控制延時開關電路是一種內(nèi)無接觸點，當夜晚或光線較暗時，采用聲響效果激發(fā)駐極體話筒將聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號控制開關導通并延時一段時間的節(jié)能電子開關［1］。聲光控制延時開關電路具有體積較小，外形大方簡潔，制作簡單，工作穩(wěn)定等優(yōu)點，而且能耗低，節(jié)能環(huán)保是當今世界的主要潮流。

1.聲光控制原理

聲音控制系統(tǒng)就是通過線性元件（例如駐極體話筒）將采集到的外界聲音信號轉(zhuǎn)化為能夠檢測的電信號，再通過放大電路將微弱的聲音電信號放大，對放大后的信號進行處理從而控制其它裝置實現(xiàn)聲音控制的功能。本系統(tǒng)中，利用駐極體話筒將聲音信號轉(zhuǎn)化為電信號［2-3］，然后通過直接耦合放大器放大，與感光電路轉(zhuǎn)化來的電信號一起，通過開關電路控制開關的開啟或關閉。

光強控制系統(tǒng)就是通過線性元件（例如光敏電阻或光敏二極管）將采集到的外界光強信號轉(zhuǎn)化為能夠檢測的電信號，再通過放大電路將微弱的電信號放大，對放大信號進行處理從而控制其它裝置實現(xiàn)光強控制的功能。本系統(tǒng)中，利用光敏電阻將外界光強信號轉(zhuǎn)化為電信號，然后與聲控電路轉(zhuǎn)化來的電信號一起送入后續(xù)開關電路，通過開關電路達到控制開關的閉合或關斷的目的。

2.電路系統(tǒng)總體設計

2.1電路系統(tǒng)原理框圖

聲光控制延時節(jié)電開關電路就是利用聲音信號和光強來控制電路的導通和關斷，從而實現(xiàn)燈的亮和滅。整個系統(tǒng)的工作原理是：降壓整流電路將220V市電經(jīng)整流降壓濾波后輸出約為10V的直流電為其后的聲控電路、延時電路及整個電路系統(tǒng)提供所需的直流工作電壓。當聲音信號達到一定大小，且夜晚或光線比較暗時，檢音電路和感光電路將聲光信號轉(zhuǎn)換為相應的電信號傳送給控制電路，控制燈處于亮的狀態(tài)，同時送給延時電路延時信息，在聲音信號消失后延時點亮一段時間再自動關斷。白天或光照較強時，檢音電路和感光電路將聲光信號轉(zhuǎn)換為相應的電信號傳送給控制電路，控制燈處于滅的狀態(tài)。因此，聲光控制延時節(jié)電開關電路的功能就是通過專門的感應器件將聲音信號、光強信號分別轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，進而控制開關閉合與關斷［4-5］。該系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)原理框圖

2.2電路仿真原理圖（見圖2）

由于Proteus仿真軟件中沒有光敏電阻，因此利用100M和20K的兩個普通電阻和單刀雙擲開關代替光敏電阻。白天或光照較強時，光敏電阻阻值較小，開關接20K電阻。夜晚或光照較暗時，光敏電阻阻值較大，開關接100M電阻。駐極體話筒Proteus仿真軟件中也沒有，用信號源V1和開關代替，開關斷開，表征燈滅，表示聲音信號較小或沒有聲音信號輸入的狀態(tài)，開關閉合，表征燈亮，表示聲音信號較大或有聲音信號輸入，且夜晚或光線比較暗的狀態(tài)。

2.3電源電路設計

設計電源電路有很多種方法，常用的有橋式整流電路、三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓電路、穩(wěn)壓二極管電路、電容降壓整流電路等［6］。本設計目的是獲得10V的直流電壓，綜合電路復雜性、器材經(jīng)濟性等各方面的因素，本設計利用4個1N4007二極管搭建成橋式整流電路，如圖3所示。

圖2　電路仿真原理圖

圖3　橋式整流電路

圖4　延時電路

2.4延時電路設計

現(xiàn)實生活中，路燈應該點亮一段時間直到人走遠時才能熄滅，所以電路應該有延時部分。設計采用電容和電阻并聯(lián)組成的RC電路進行延時。當夜晚或光線較暗且有聲音時，電容充電，聲音信號消失后電容放電，燈繼續(xù)點亮一段時間，如此時開關閉合，電容迅速放電，燈很快熄滅。延時時間與電容容量和電阻阻值有關，為了可調(diào)解延時時間，可利用開關選擇不同阻值的電阻［7-8］。本設計為了簡便起見，只增加了一個2MΩ的電阻，當然也可多增加幾個不同阻值電阻的來獲得不同的延時時間。電阻延時時間理論值為：

延時電路圖如圖4所示。

2.5控制電路設計

開關控制電路如圖5所示，由集成電路CD4011、電阻R10和可控硅U3組成。可控硅的作用就是控制開關的通斷，其中CD4011為四-二輸入與非門集成電路。

控制電路工作原理：白天或光照較強時，此時即使有聲音信號輸入，通過CD4011后可控硅始終無正向門極觸發(fā)電流，可控硅不導通，燈不亮；晚上或光照較暗時，感光電路工作，當有聲音信號時，檢音電路也工作，二者共同作用使可控硅有正向門極觸發(fā)電流，可控硅導通，燈點亮［9-10］。

圖5　控制電路

3.印刷電路圖及調(diào)試

3.1印刷電路圖

繪制好電路原理圖并利用軟件檢查無誤后可轉(zhuǎn)換為印刷電路圖，為焊接實物或做成PCB提供條件。

列出元器件清單可為焊接實物采購做準備，省去不必要的麻煩。其中光敏電阻選用的是MG45，其亮電阻約為5.5K，暗電阻約2M；駐極體話筒型號是EM-B9760UL，靈敏度為-50dB±3dB，兩線制。

3.2實物調(diào)試

利用前面繪制的電路原理圖和印刷電路圖，就可以焊接實物。按照從左到右，自上而下的順序依次為檢音電路、放大電路、感光電路、控制電路、濾波穩(wěn)壓電路、延時電路、整流電路。焊接完成并經(jīng)過檢測后，進行功能測試達到設計指標：白天或光線較強時，不管有無聲音信號輸入，燈始終不亮；夜晚或光線較暗且沒有聲音信號時，燈不亮；夜晚或光線較暗且有聲音信號時，燈立即點亮，且當聲音信號消失后燈延時點亮一段時間才熄滅。

4.結束

本電路系統(tǒng)的目的是設計一個聲光控制延時開關電路，要求電路簡單、經(jīng)濟節(jié)能、具有可行性。電路的功能是：白天或光照較強時，不管有無聲音信號，燈都不亮；夜晚或光照較暗時，只要聲音足夠大就點亮，且聲息消失后仍持續(xù)一段時間燈才熄滅。電路系統(tǒng)設計達到了所有性能指標，但是本電路仍有一些地方有待改進。如該電路具有延時功能卻無法顯示延時時間，不過現(xiàn)在的電路比較實用，加上延時時間顯示裝置后系統(tǒng)的成本比較大，考慮成本因素的話可以不考慮此功能。

參考文獻

［1］康樹林，汪斌.聲光控延時開關性能分析［J］.科技資訊，2009，（31）：84.

［2］王兆安，黃俊.電力電子技術［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010，61-63.

［3］夏克祖，鄭兆聚.一種聲光雙控節(jié)能自動開關的研制［J］.中國照明電器，2001，（3）：16-17.

［4］劉秋霞.一種聲光雙控節(jié)能開關的研制［J］.數(shù)字技術與應用，2010，（4）：54.

［5］康華光.電子技術基礎模擬部分［M］.北京：高等教育出版社，2006，25-36.

［6］劉立財.用光敏二極管和微型話筒制作樓道燈的聲光控開關［J］.物理教學探討，2009，27（10）：57-58.

［7］陳爾紹.實用光電控制電路精選［M］.北京：電子工業(yè)出版社，1993，42-50.

［8］郭興軍.一種簡單聲光自控延時開關［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2006，（1）：44-45.

［9］郭瓊.聲光控延時開關的制作［J］.考試周刊，2011，（63）：167-168.

［10］盧敏，宮志中.聲光控節(jié)能自動開關實習教學方法探討［J］.江漢石油職工大學學報，2007，20（1）：34-37.