李慧元 孫 珂 姜心蕊 孟國營

（中國礦業(yè)大學(xué)〈北京〉 機(jī)電與信息工程學(xué)院，中國 北京 100083）

0 引言

當(dāng)今時(shí)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(huì)現(xiàn)狀來看，盡管人們已經(jīng)具有了一定的節(jié)能意識(shí)，但是技術(shù)手段和步伐并未同步跟進(jìn)，很多公共場(chǎng)所的照明燈、走廊燈處于無人看管狀態(tài)，導(dǎo)致了電能過度消耗和浪費(fèi)，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(shí)現(xiàn)燈光照明的啟動(dòng)與人同步，因此如何從聲控和紅外感應(yīng)的雙重角度出發(fā)，對(duì)現(xiàn)有的燈光控制和電路系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，是我們目前需要開展的一項(xiàng)重要技術(shù)工作。 本文所設(shè)計(jì)的走廊燈一方面要提高靈敏度、加強(qiáng)對(duì)人的感應(yīng)程度，即實(shí)現(xiàn)技術(shù)設(shè)計(jì)與人的活動(dòng)更緊密的結(jié)合，提高便利性和實(shí)用性；另一方面要盡量使電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易行，降低成本，且同時(shí)降低反復(fù)啟動(dòng)聲音控制系統(tǒng)的噪音污染。主要實(shí)現(xiàn)當(dāng)走廊內(nèi)遠(yuǎn)距離有人出現(xiàn)的時(shí)候，聲音控制短時(shí)啟動(dòng)，而當(dāng)人體進(jìn)入走廊內(nèi)部的時(shí)候，紅外感應(yīng)系統(tǒng)開始發(fā)揮作用， 從而避免走廊內(nèi)反復(fù)發(fā)出聲音時(shí)燈光重復(fù)啟動(dòng)，更好地提高聲控感應(yīng)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(xì)闡述了紅外聲控電路系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)和工作原理，第三部分對(duì)電路系統(tǒng)的物理實(shí)現(xiàn)、注意事項(xiàng)和出現(xiàn)問題的應(yīng)對(duì)措施進(jìn)行了介紹，并具體分析了這種聲光控電路開關(guān)的實(shí)用性。

1 系統(tǒng)基本組成結(jié)構(gòu)及原理

1.1 紅外感應(yīng)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(qiáng)弱呈反比關(guān)系。 光敏電阻器在電路中的應(yīng)用，能夠使電路有效地感應(yīng)外界的亮度。

1.1.2 紅外被動(dòng)感應(yīng)的作用原理

在紅外感應(yīng)元件中， 探測(cè)到溫度的變化會(huì)引起內(nèi)部電流發(fā)生相應(yīng)改變。 當(dāng)人體處在紅外探測(cè)區(qū)域覆蓋的范圍時(shí)，人體熱輻射會(huì)被光能裝置感應(yīng)，并將這種探測(cè)溫度變化為電流，使得電路系統(tǒng)能夠及時(shí)地啟動(dòng)。在電路設(shè)計(jì)中，我們希望實(shí)現(xiàn)人體進(jìn)入感應(yīng)區(qū)域即自動(dòng)啟動(dòng)，并持續(xù)保持電路連接，而人體離開以后，開關(guān)經(jīng)延時(shí)后自動(dòng)關(guān)閉。

紅外熱傳感器原理如圖1 所示：兩個(gè)探測(cè)元可以放置在走廊的兩個(gè)方向上，不論人從哪個(gè)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(yīng)信號(hào)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(dòng)觸發(fā)聲控系統(tǒng)中的感應(yīng)裝置，并且在放大電流信號(hào)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yīng)用，它的優(yōu)勢(shì)在于制作簡(jiǎn)單、體積小、性能穩(wěn)定等。駐極體話筒由兩個(gè)極面構(gòu)成，其中一面是單向金屬薄片，另外一面是設(shè)計(jì)有一些孔洞的背電極面，兩個(gè)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(dāng)有聲音產(chǎn)生時(shí)，聲波就會(huì)帶動(dòng)極面產(chǎn)生振動(dòng)從而改變兩極面之間的距離，電容隨之改變，通過電流信號(hào)的變化和輸出，實(shí)現(xiàn)了從聲音的接收到電流的整體過程。

1.3 信號(hào)延時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與意義

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

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

從紅外聲光控?zé)舻恼w系統(tǒng)來看， 要實(shí)現(xiàn)我們所提出的設(shè)計(jì)目標(biāo)，就必須合理地配置聲控裝置與紅外光感應(yīng)裝置，我們可以采用層級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)這一系統(tǒng)進(jìn)行描述，形成一個(gè)接收——反應(yīng)——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(shè)計(jì)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(shè)定A 代表光控信號(hào)，有光照時(shí)邏輯A=0,無光照時(shí)A=1；B 代表聲控信號(hào)，有適當(dāng)大小聲音時(shí)B=0，無有效聲音時(shí)B=1；C1和 C2代表接收到的紅外感應(yīng)信號(hào)， 有紅外感應(yīng)信號(hào)時(shí)C1=1 或C2=1；Y 表示輸出信號(hào)，走廊燈亮?xí)rY=1，走廊燈不亮?xí)rY=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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

原理分析：

1） 電源部分： 利用一個(gè)開關(guān)控制的+6V 直流電源， 并聯(lián)一個(gè)100μF 的電容C1，用以改善電源的性能，在電池長時(shí)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(gè)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(gè)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(diǎn)的電位。由于兩個(gè)輸入端都是高電位，所以輸出端是低電位。當(dāng)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(fù)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(dāng)環(huán)境中有光照時(shí)，光電三極管輸出電流，此時(shí)C 極處于高電位；沒有光照時(shí)，C極處于低電位。此時(shí)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(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，在實(shí)際電路制作中，可將兩個(gè)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(gè)方向上的紅外輻射，可以有效地增強(qiáng)其接收角度。當(dāng)其中任意一個(gè)紅外傳感器接收到紅外信號(hào)之后，與之連接的二極管即輸出高電位。

5）延時(shí)控制：當(dāng)走廊燈亮?xí)r，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?yàn)槠溥B接電阻R7，R7 的上端連接電源正極，是高電位，它將會(huì)把下端電壓緩慢抬高，當(dāng)電位達(dá)到和超過閾值時(shí)， 進(jìn)行反轉(zhuǎn)， 輸出為低電位， 從而達(dá)到延時(shí)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(shí)功能。

6）電磁繼電器：當(dāng)其輸出電位為高電位時(shí)，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(shí)電路中電流為0 時(shí)，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(dāng)燈泡點(diǎn)亮的一瞬間，會(huì)有較強(qiáng)的電流通過，使得燈泡極易被強(qiáng)燒壞。 在實(shí)際生活中，我們可以將兩個(gè)同樣規(guī)格的燈泡串聯(lián)，每個(gè)燈泡為其額定功率的1/4、電壓為1/2，燈泡可以被點(diǎn)亮，也時(shí)避免了由于強(qiáng)電流對(duì)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(shí)現(xiàn)在白天時(shí)， 不論人有沒有發(fā)出聲音信號(hào)或者有沒有被紅外探測(cè)器感應(yīng)到，走廊燈始終處于熄滅狀態(tài)；到晚上光照強(qiáng)度下降到一定程度后，只要人發(fā)出一定強(qiáng)度聲音，或者進(jìn)入探測(cè)器的有效感應(yīng)范圍，走廊燈就會(huì)變亮。 當(dāng)人從遠(yuǎn)處走向走廊燈時(shí)，只要發(fā)出一定聲音即可觸發(fā)電路使燈變亮，而進(jìn)入樓道后即可被紅外探測(cè)器感應(yīng)到使燈變亮，且當(dāng)人在樓道內(nèi)活動(dòng)一直需要光照時(shí)，紅外探測(cè)器可一直感應(yīng)到人體發(fā)出的紅外線，走廊燈燈不會(huì)自動(dòng)熄滅，不會(huì)在走廊中形成回音噪聲污染；人離開后，照明持續(xù)一定時(shí)間才會(huì)自動(dòng)熄滅。 這樣就解決了現(xiàn)在已有走廊燈開啟時(shí)存在的噪聲污染，提高了走廊燈的人性化程度，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

3 系統(tǒng)實(shí)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(shí)現(xiàn)和最終效果，因此我們必須對(duì)系統(tǒng)當(dāng)中的器件進(jìn)行認(rèn)真選擇、檢驗(yàn)。

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(yīng)用當(dāng)中通常有LHi74 型號(hào)、LHi878 以及LHi968 等型號(hào)。 總體來看，各種型號(hào)的熱紅外傳感器結(jié)構(gòu)與性能基本相同，我們應(yīng)該選用具有工作噪聲低和高靈敏、高反應(yīng)度特征的型號(hào)，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?cè)趯?shí)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(hào)有CRZ29 和CRZ215 等，我們?cè)诩t外聲光控電路的設(shè)計(jì)中可以采用CRZ29 型號(hào)。

3.3 電容器的選擇與要點(diǎn)

國內(nèi)通用的電容器型號(hào)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(shí)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(cè)與故障應(yīng)對(duì)

在實(shí)際中我們可能會(huì)面臨許多問題， 最常見的問題是發(fā)出信號(hào)，但是燈泡沒有反應(yīng)，或者燈泡不會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，以及信號(hào)反應(yīng)時(shí)間拖滯，敏感度較低等。對(duì)此，我們要根據(jù)不同的情況進(jìn)行相應(yīng)地處理。如果燈泡沒有反應(yīng)，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(duì)于光信號(hào)無正常反應(yīng)的問題，我們應(yīng)該考慮是否是光敏電阻中存在問題，如果是，則要及時(shí)更換。 在測(cè)試過程中，要采用儀器對(duì)輸出和輸入端口的電平進(jìn)行檢測(cè)，看其是否正常。 在聲音感應(yīng)方面，還要考慮是否是電壓發(fā)生問題導(dǎo)致話筒損壞。 如果燈泡不能及時(shí)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(hào)的方式對(duì)其加以檢驗(yàn)。 如果燈泡發(fā)光時(shí)間低于設(shè)計(jì)時(shí)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(shè)計(jì)來說，它能夠滿足人類對(duì)于節(jié)能和便利的雙重要求，因此具有較大的實(shí)用價(jià)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(yīng)結(jié)合起來，能夠最大程度地實(shí)現(xiàn)燈光與人的在場(chǎng)性的協(xié)調(diào)配合，最大可能地實(shí)現(xiàn)了燈光控制節(jié)能環(huán)保的要求。 可以在學(xué)校、工廠、醫(yī)院等公共場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)良好效果，克服了傳統(tǒng)聲控系統(tǒng)必須重復(fù)發(fā)出聲音進(jìn)行燈光啟動(dòng)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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