聲光控樓道燈的設(shè)計(jì)與制作

陳亞婷

（江蘇省昆山第一中等專業(yè)學(xué)校，江蘇昆山，215300）

1 聲光控樓道燈控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本文所提出的聲光控樓道燈控制系統(tǒng)總體組成包括：感應(yīng)控制模塊、光源、光感模塊、開關(guān)模塊等。假設(shè)某居民樓有六層，且配有樓梯透光井（圖1）。其中每層樓有一個(gè)住戶。

圖1 聲光控樓道燈控制系統(tǒng)布局圖

在整個(gè)設(shè)計(jì)中，我們利用居民樓中的樓梯透光井所具有的透光性和連通性等特點(diǎn)，將一套含有兩組光源的聲光控樓道燈安裝于第三層樓梯的透光井所在處，其中，朝下的一組光源主要負(fù)責(zé)3層以下樓道的照明；朝上的一組光源主要負(fù)責(zé)3層以上樓道的照明。這樣既能為整個(gè)樓道照明，而且可以達(dá)到省材節(jié)能的效果。

同時(shí)，由于目前大多數(shù)樓道內(nèi)的安全扶手，基本是采用不銹鋼的中空管，這樣可以利用不銹鋼聲音的傳播性對(duì)傳統(tǒng)聲光控樓道系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，在本設(shè)計(jì)中，我們將聲光控開關(guān)傳感器安裝在三層樓和四層樓中間的扶手不銹鋼管內(nèi)，這樣居民在任意樓層，只要輕輕敲打不銹鋼管，就能啟動(dòng)整個(gè)樓層的照明系統(tǒng)。將聲音傳感器安裝于不銹鋼管內(nèi)，可以增強(qiáng)傳感器對(duì)外界聲音的抗干擾性。

該控制系統(tǒng)具有以下兩點(diǎn)顯著優(yōu)勢(shì)：

施工簡單、省材節(jié)能。在整個(gè)樓道中只安裝了一套含有兩組光源的聲光控樓道燈控制系統(tǒng)，兩組光源之間的距離在1.5米以上，兩組光源分別朝兩個(gè)方向照射，這樣通過墻壁的滿反射，就能照亮整個(gè)樓道，不僅施工簡單、省材節(jié)能，而且可以提高整個(gè)施工設(shè)計(jì)的觀賞效果。

使用方便、精準(zhǔn)有效。由于樓道中的扶手采用的是不銹鋼中空管材料，在設(shè)計(jì)中充分利用不銹鋼中空管聲音的傳播性，將其作為聲音傳感的連通管道。在增強(qiáng)對(duì)外界聲音抗干擾能力的同時(shí)，使用極為方便。圖2為聲光控樓道燈控制系統(tǒng)開關(guān)安裝示意圖。

圖2 聲光控樓道燈控制系統(tǒng)開關(guān)安裝示意圖

聲音在介質(zhì)中傳播聲強(qiáng)衰減公式為：

其中：α——聲強(qiáng)衰減系數(shù)；I0——聲音在入射介質(zhì)中的初始聲強(qiáng)；I 為聲音在介質(zhì)中傳播距離為x時(shí)的聲強(qiáng)。

聲音在空氣中和不銹鋼中傳播的速度分別為：340m/s和5900m/s；聲強(qiáng)衰減系數(shù)分別為α空=0.3dB/ m 和α鋼=0.02dB/ m 。所以根據(jù)公式1，可以計(jì)算出，在相同距離x 之下，聲音在鋼管中傳播聲強(qiáng)衰減量約比聲音在空氣中傳播聲強(qiáng)衰減量小17倍左右。相比于開放式的聲音傳播方式，聲音在鋼管中的傳播更為集中。所以，在本文的設(shè)計(jì)中，我們利用聲音在鋼管中的傳播優(yōu)勢(shì)，將聲光控樓道燈開關(guān)的傳感器放置于三樓到四樓中間的扶手鋼管內(nèi)，將鋼管作為聲音的傳輸介質(zhì)，可以減少非指令聲音造成的信號(hào)干擾，同時(shí)也對(duì)外界干擾起到一定衰減和阻礙作用。這樣居民在任意樓層位置、以任意方式敲打鋼管，就能觸發(fā)整個(gè)樓道燈點(diǎn)亮。

2 聲光控樓道燈控制電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)聲強(qiáng)投射計(jì)算公式可知，約有40%左右的外界干擾聲音能夠被隔離，相比于傳統(tǒng)的聲光控樓道燈控制系統(tǒng)抗干擾能力有一定程度的提升。同時(shí)，為了特提升聲光控樓道燈控制系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，我們對(duì)傳統(tǒng)的聲光控開關(guān)電路進(jìn)行了優(yōu)化與改善（圖3），通過增加聲光控樓道燈控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)功能，使其具有延時(shí)時(shí)間調(diào)節(jié)、聲控敏感度調(diào)節(jié)、光感亮度調(diào)節(jié)等多種功能，從而更好地適應(yīng)不同場所實(shí)際環(huán)境及功能需求。

考慮到系統(tǒng)抗干擾性，電路中元器件選擇目前應(yīng)用比較廣泛的數(shù)字IC CD4011，其內(nèi)部是由四個(gè)獨(dú)立的2輸入端與非門電路構(gòu)成的，所有輸出部分均帶有緩沖器，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，工作可靠性高。

聲光控樓道燈開關(guān)是用聲音來控制開關(guān)的開啟，在延時(shí)幾分鐘后就會(huì)自動(dòng)熄滅，所以，整個(gè)電路的功能就是將所接收到的聲音信號(hào)進(jìn)行處理后，轉(zhuǎn)化為樓道燈的開啟動(dòng)作。如圖3所示，在本文設(shè)計(jì)中，聲光空樓道燈開關(guān)的電路由單向可控硅、負(fù)載光源、橋式整流等部分組成，其中，主控芯片為CD4011，&a、&b、&c、&d是四個(gè)獨(dú)立的與非門電路，其功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)電路中各個(gè)功能模塊的控制。R1、DZ、C1等元器件構(gòu)成穩(wěn)壓電路，作用是為整個(gè)電路系統(tǒng)提供電源；單向可控硅導(dǎo)通為高電平觸發(fā)，其作用是對(duì)光源的通斷電狀態(tài)進(jìn)行控制。

2.1 延時(shí)時(shí)間調(diào)節(jié)功能

充放電電路是由R5、Rf2、VD2、C4等元器件組成，當(dāng)敲打鋼管時(shí)，聲光控樓道燈控制開關(guān)受到聲音的觸發(fā)，使得VD2導(dǎo)通，但由于VD2電阻的電阻比較小，可以忽略不計(jì)，因此，充放電電路中的常數(shù)很小，這樣電容C4就能在短時(shí)間內(nèi)充滿電壓，電壓大小為9V，此時(shí)，電容輸出為高電平，聲光控樓道燈中的2組光源通電，為整個(gè)樓道照明。在照明時(shí)，電容開始放電。放電電路是由R5、Rf2、C4三個(gè)元器件組成。根據(jù)放電回路特點(diǎn)，可以得出一階微分方程：

2.2 聲控敏感度調(diào)節(jié)功能

為了讓聲光控樓道燈控制系統(tǒng)適應(yīng)不同大小的敲擊聲音，在設(shè)計(jì)中增加了聲控敏感度調(diào)節(jié)功能。在圖3中，MIC、R2、C2構(gòu)成了拾音電路，MIC為駐極電容式聲音傳感器，其主要特點(diǎn)是體積小、線路簡單、價(jià)格便宜且靈敏度高、輸出阻抗高。駐極電容式聲音傳感器是目前比較常用的一種傳感器，廣泛地應(yīng)用于多種通信、聲控等設(shè)備中。MIC的作用是將周圍環(huán)境中的聲音轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后作為放大電路的輸入信號(hào)。MIC接收到外界聲音的大小，直接影響著C點(diǎn)兩端的電壓UC。

圖3 聲光控樓道燈開關(guān)的優(yōu)化電路設(shè)計(jì)

反向比例放大器是由R3、R4、&a、R1f等元器件組成，其放大比例是：

其中，Rf1為可調(diào)節(jié)電阻，當(dāng)改變Rf1大小時(shí)，放大電路的放大倍數(shù)也隨之發(fā)生改變，其范圍控制在667-2000倍。優(yōu)化后的電路，能夠有效提高電路中的聲控靈敏度。

2.3 光感亮度調(diào)節(jié)功能

3 結(jié)束語

在本文所設(shè)計(jì)的聲光控樓道燈控制系統(tǒng)中，改變了傳統(tǒng)一層樓安裝一套聲光控制系統(tǒng)的安裝模式，而是將聲音傳感器安裝在中間樓層不銹鋼的扶手內(nèi)部，讓不銹鋼扶手作為整個(gè)聲音觸發(fā)的連通管道，當(dāng)在任意樓層敲擊任意位置時(shí)，都能觸發(fā)聲光控樓道燈的開關(guān)，由于在系統(tǒng)中增添了聲光控延時(shí)功能，所以，樓道燈可以延時(shí)關(guān)閉。這樣相比于傳統(tǒng)的樓道燈控制系統(tǒng)，既能有效解決“長明燈”帶來的弊端，而且將傳感器安裝在不銹鋼內(nèi)，可以極大程度增加聲音傳播的抗干擾性，操作方便也非常實(shí)用。與此同時(shí)，在設(shè)計(jì)中將聲光控樓道燈與整個(gè)建筑融為一體，有利于增加設(shè)計(jì)的實(shí)用性、觀賞性。

此外，由于本設(shè)計(jì)利用了樓梯中透光井的透光連通性，所以該控制系統(tǒng)比較適用于一些設(shè)有透光井的場所。在這樣的場所中，只需要安裝一套聲光控樓道燈控制系統(tǒng)，就能實(shí)現(xiàn)整個(gè)樓道的照明功能，能夠在一定程度上降低建筑設(shè)施的施工成果及樓道燈的維修成本。相比于常見的聲光控開關(guān)，我們通過對(duì)聲光控開關(guān)電路的改良與優(yōu)化，使其具有延時(shí)調(diào)節(jié)功能、聲光靈敏度調(diào)節(jié)功能、亮度起控點(diǎn)調(diào)節(jié)功能等，功能更加齊全，也能滿足不同建筑對(duì)聲光控樓道燈的需求。因此，本文所設(shè)計(jì)的聲光控樓道燈控制系統(tǒng)具有一定的經(jīng)濟(jì)效益與推廣價(jià)值。