一款新型聲光控LED節(jié)能燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

　　1 引言

　　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(hào)，經(jīng)放大、整形，輸出一個(gè)開關(guān)信號(hào)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。

　　（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(hào)，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。

　?。?）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(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，且電路是否接通，取決于聲音信號(hào)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。

　?。?）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(hào)觸發(fā)。

　?。?）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 系統(tǒng)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(hào)進(jìn)行放大，并轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)。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。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 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

　　4 各組成電路韻設(shè)計(jì)與仿真

　　4.1 電源電路

　　電路設(shè)計(jì)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(jí)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Rl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(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從而推動(dòng)觸發(fā)器觸發(fā)使電路導(dǎo)通工作。

　　作為~個(gè)智能化聲控電路應(yīng)具有以下功能：

　?。?）能在聲音控制下實(shí)現(xiàn)電路的導(dǎo)通與截止。

　?。?）聲音的發(fā)出應(yīng)是多方面的，如腳步聲，物體打擊聲等。

　?。?）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)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(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，Ⅸ觸發(fā)器等。

　　聲控電路由拾音電路，兩級(jí)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?，所以，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Ⅷc時(shí)，聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，拾音電路將聲音轉(zhuǎn)換成微弱的電壓信號(hào)。然后，微弱的電壓信號(hào)經(jīng)過兩級(jí)放大成伏特級(jí)的電壓，電壓通過遲滯比較器轉(zhuǎn)變成單片機(jī)識(shí)別的方波信號(hào)，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(hào)來替代人的聲音信號(hào)，輸入電壓的峰值為6mV，兩級(jí)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

　　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(hào)的強(qiáng)弱，再由傳感器將變化的電信號(hào)傳遞給觸發(fā)器，只要電信號(hào)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)放同向輸人端為低電平；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(hào)經(jīng)過電壓跟隨器后，將比較微弱的電流信號(hào)放大到單片機(jī)能夠識(shí)別的電流，然后由運(yùn)放輸出端將放大后的信號(hào)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i.，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(hào)的靈敏度。

　　4.4 單片機(jī)控制電路

　　5l單片機(jī)是對目前所有兼容Intel 803l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，803I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(hào)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(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。

　　圖8 光控電路圖

　　程序原理如下所示：

　　#include《re952.h》

　　#define uint unsigned int

　　sbit JD=P11：

　　sbit eM=P1^6：

　　void delay（uint z）；

　　main（）

　　{

　　TMOD=Oxl0：

　　EA=1：

　　ETl=1：

　　JD=O：

　　GM=O：

　　while（1）

　　{

　　if（JD= =1）

　　{

　　delay（10000）；

　　JD=O：

　　}

　　}

　　}

　　void counterl（）intemlpt 3

　　{

　　if（GM==1）

　　{JD=1;}}

　　void delay（uint z）

　　{

　　uint x，y;

　　for（x=110;x》O;x一一）

　　for（y=z;y》0;y一一）；

　　}

　　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)Io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