【導讀】光控電路已經(jīng)成為生活中的必需品，照明工程師根據(jù)聲光控原理設(shè)計出聲光控LED燈，能夠自動控制燈光的亮滅。本文依據(jù)聲光控的原理設(shè)計出LED節(jié)能燈的設(shè)計方案，通過光敏電阻來實現(xiàn)，受到振動時自動亮，人走燈熄。有效的實現(xiàn)了節(jié)能的目的，延長了燈的壽命。
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)實現(xiàn)燈的自動滅亮、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罚恍枰_關(guān)，當有人經(jīng)過時會自動亮起來，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，輸出一個開關(guān)信號去控制各種電器的工作，在自動控制工業(yè)電器和家用電器方面有著廣泛的用途。
1 總體電路設(shè)計
整個電路由電源電路、放大電路、聲控電路、光控電路及延時電路等部分組成。
(1)當白天或夜晚光線較亮時，整個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行檢測，輸出與光亮程度相對應(yīng)的電壓信號，從而實現(xiàn)白天燈泡不亮。此時即便有聲音，燈泡也不亮。
(2)當光線較暗時，負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度。當聲強達到一定程度時，電路自動接通，點亮燈泡。
(3)燈泡點亮后，延時電路控制延時36秒，當延時時間到時燈滅，再等待下一次聲音信號觸發(fā)。
(4)此外，電路帶強切功能，在特殊情況下強制切斷。
總體設(shè)計流程如圖1所示。
圖1 總體設(shè)計流程圖
2 電路原理設(shè)計
根據(jù)總體設(shè)計流程圖設(shè)計出原理框圖，如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)原理框圖
[page] 根據(jù)設(shè)計要求及原理，設(shè)計出龜路原理圖，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)，單片機控制電路(由延時電路和邏輯與電路構(gòu)成)，繼電器驅(qū)動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電路的核心部分，作用是將MIc輸出的微弱聲音信號進行放大，并轉(zhuǎn)換成方波信號。最后通過單片機的比較輸出來控制繼電器的導通，進而控制燈的亮滅。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)行機構(gòu)的不同和可靠、價廉、有效益等要求進行選用。根據(jù)安全、實用、廉價的要求，其電源的設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)圖
3 各組成電路韻設(shè)計與仿真
3.1 電源電路
電路設(shè)計使用的是±12V雙電源和+5V單電電源電路的種類繁多，如變壓器降壓：橋式整流源兩級電路。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;整流電路由一個橋式整流組成，將低壓交流電轉(zhuǎn)換成脈動直流電;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)壓器利用負反饋進一步穩(wěn)定經(jīng)過濾波后的電壓，輸出端電容用以改善負載的瞬態(tài)效應(yīng)，消除電路的高頻噪聲，同時具有消振的作用; 發(fā)光二極管D2作為電源指示，電阻Rl作為限流電阻保護發(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。
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3.2 聲控電路
聲控電路的主要原理：根據(jù)聲學和電子學的原理，用聲音傳感器將聲音信號轉(zhuǎn)換成電信號，從而推動觸發(fā)器觸發(fā)使電路導通工作。
作為一個智能化聲控電路應(yīng)具有以下功能：
(1)能在聲音控制下實現(xiàn)電路的導通與截止。
(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)時間應(yīng)越短越好。
為此在選擇電路元器件時應(yīng)選擇靈敏度較高的聲音傳感器(本設(shè)計選擇駐極體話筒MIc)組成聲控電路的前端，同時還要為該傳感器設(shè)簧傳感條件如聲音響度毖須在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)的特點去推動照明電路工作，觸發(fā)器的選擇也應(yīng)選擇靈敏度高，響應(yīng)時間短的觸發(fā)器如D觸發(fā)器，Ⅸ觸發(fā)器等。
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，因為光控電路阻斷，所以，無論多大聲，燈都不會亮。到夜晚，光控電路導通，當人走動的腳步、聲傳到傳聲器Ⅷc時，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，然后傳給單片機的外部中斷P3.4口 .
3.3光控電路
光控電路的主要原理：利用光敏元件隨光照強度的變化而阻抗發(fā)生變化的特點，去控制電信號的強弱，再由傳感器將變化的電信號傳遞給觸發(fā)器，只要電信號強度達到一定程度將觸發(fā)觸發(fā)器使其導通工作。
在這樣的電路設(shè)計中，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現(xiàn)的核心，必須保證其各項參數(shù)的精確、穩(wěn)定。
半導體光敏元件是基于半導體光電效應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換傳感器，又稱光電敏感器。采用光電技術(shù)能實現(xiàn)無接觸、遠距離、快速和精確測量，因此半導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量。半導體光敏元件按光電效應(yīng)的不同而分為光導型和光生伏打型(見光電式傳感器)。光導型即光敏電阻，是一種半導體均質(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，它們屬于半導體結(jié)構(gòu)型器件。
半導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。半導體光敏元件廣泛應(yīng)用于精密測量、光通信、計算技術(shù)、攝像、夜視、遙感、制導、機器人、質(zhì)量檢查、安全報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)計時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，當光敏電阻受光照時，電阻減小。運放同向輸人端為低電平;當光照較弱時，電阻增加，運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能夠識別的電流，然后由運放輸出端將放大后的信號傳給單片機的P1.6口。電路圖中的集電極電阻R16作為限流電阻，保護三極管;調(diào)節(jié)變阻器R15能夠改變基極電流i.,從而控制發(fā)射極和集電極電流，進而控制整個光控電路對光信號的靈敏度。
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3.4 單片機控制電路
5l單片機是對目前所有兼容Intel 803l指令系統(tǒng)的單片機的統(tǒng)稱。該系列單片機的始祖是Intel的8031單片機。后來隨著Flash Rom技術(shù)的發(fā)展，803I單片機取得了長足的進展，成為目前應(yīng)用最廣泛的8位單片機之一，其代表型號是ATMEL公司的A髑9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5l系列的兼容機型推出，在目前乃至今后很長的一段時間內(nèi)將占有大量市場。51單片機既是基礎(chǔ)入門的一個單片機，也是應(yīng)用最廣泛的一種。本設(shè)計通過單片機來完成延時電路與其他電路的功能。
圖7 光控電路圖
3.5 繼電器驅(qū)動及燈泡照明電路
將開關(guān)電路的負載改為繼電器，即變成繼電器驅(qū)動電路。如圖8所示，運放同相輸入端與單片機P1.7口相連，電壓跟隨器將微弱的單片機Io口輸出電流放大，提高帶負載能力，使電流能夠驅(qū)動三極管，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)動繼電器。當開關(guān)的負載為電動機或者繼電器等感性負載時，在截斷流過負載的電流時(晶體管進入截止狀態(tài)時)，會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢(楞次定律)。這時產(chǎn)生的電壓非常大。當這種電壓超過晶體管的VCBO,VCEO時，晶體管將會被擊穿。因此給繼電器并上一個二極管，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8 繼電器驅(qū)動及照明電路圖
3.6 延時電路
延時電路的主要原理：利用電子計數(shù)器的原理實現(xiàn)定時功能。
延時電路的構(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)成的定時器，一般是用改變R、C元件值控制定時的，其效率較高，但靈活性，通用性較差;而由軟件構(gòu)成的定時器是用執(zhí)行一段程序來實現(xiàn)定時的，其靈活性通用性較高，但效率較差;故現(xiàn)在設(shè)計定時器一般都是采用軟硬相結(jié)合的方法，通過編程設(shè)定不同的延時常數(shù)，而由硬件控制定時過程，如大規(guī)模集成電路可編程計數(shù)器8253,51單片機通過編程構(gòu)成計數(shù)器等。
延時電路主要用于完善電路功能，因此在延時結(jié)束后應(yīng)發(fā)出一個結(jié)束信號，控制電路是否繼續(xù)工作。
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