安徽巢湖學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院 李素平

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聲光控制延時(shí)開關(guān)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

安徽巢湖學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院 李素平

【摘要】一個(gè)替代傳統(tǒng)手動(dòng)開關(guān)的受聲、光雙重控制的電子開關(guān)主要由電源電路、檢音電路、感光電路、延時(shí)電路及控制電路組成。光控電路通過光敏電阻對(duì)外界光照強(qiáng)度進(jìn)行檢測：白天或光線較亮?xí)r，光敏電阻阻值較高，通過控制電路使開關(guān)斷開。當(dāng)聲音信號(hào)達(dá)到一定大小，且夜晚或光線比較暗時(shí)，燈會(huì)自動(dòng)導(dǎo)通點(diǎn)亮，聲音信號(hào)消失后延時(shí)點(diǎn)亮一段時(shí)間再自動(dòng)關(guān)斷。電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，克服了現(xiàn)有聲光控制開關(guān)成本高、體積大等缺點(diǎn)，同時(shí)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(guān)，特別適用于樓梯、走廊、倉庫、廁所等公共場所的照明自動(dòng)控制。

【關(guān)鍵詞】聲光控制；電子開關(guān)；檢音電路；感光電路；放大電路；延時(shí)電路

引言

聲光控制指利用聲音信號(hào)以及光照的變化來控制電路實(shí)現(xiàn)特定功能的一種電子學(xué)控制方法。聲光控制延時(shí)開關(guān)電路是一種內(nèi)無接觸點(diǎn)，當(dāng)夜晚或光線較暗時(shí)，采用聲響效果激發(fā)駐極體話筒將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)控制開關(guān)導(dǎo)通并延時(shí)一段時(shí)間的節(jié)能電子開關(guān)［1］。聲光控制延時(shí)開關(guān)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(diǎn)，而且能耗低，節(jié)能環(huán)保是當(dāng)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(hào)轉(zhuǎn)化為能夠檢測的電信號(hào)，再通過放大電路將微弱的聲音電信號(hào)放大，對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行處理從而控制其它裝置實(shí)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(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)［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(hào)一起，通過開關(guān)電路控制開關(guān)的開啟或關(guān)閉。

光強(qiáng)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(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為能夠檢測的電信號(hào)，再通過放大電路將微弱的電信號(hào)放大，對(duì)放大信號(hào)進(jìn)行處理從而控制其它裝置實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)控制的功能。本系統(tǒng)中，利用光敏電阻將外界光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后與聲控電路轉(zhuǎn)化來的電信號(hào)一起送入后續(xù)開關(guān)電路，通過開關(guān)電路達(dá)到控制開關(guān)的閉合或關(guān)斷的目的。

2.電路系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1電路系統(tǒng)原理框圖

聲光控制延時(shí)節(jié)電開關(guān)電路就是利用聲音信號(hào)和光強(qiáng)來控制電路的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)燈的亮和滅。整個(gè)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(shí)電路及整個(gè)電路系統(tǒng)提供所需的直流工作電壓。當(dāng)聲音信號(hào)達(dá)到一定大小，且夜晚或光線比較暗時(shí)，檢音電路和感光電路將聲光信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)傳送給控制電路，控制燈處于亮的狀態(tài)，同時(shí)送給延時(shí)電路延時(shí)信息，在聲音信號(hào)消失后延時(shí)點(diǎn)亮一段時(shí)間再自動(dòng)關(guān)斷。白天或光照較強(qiáng)時(shí)，檢音電路和感光電路將聲光信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)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(shí)節(jié)電開關(guān)電路的功能就是通過專門的感應(yīng)器件將聲音信號(hào)、光強(qiáng)信號(hào)分別轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，進(jìn)而控制開關(guān)閉合與關(guān)斷［4-5］。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(gè)普通電阻和單刀雙擲開關(guān)代替光敏電阻。白天或光照較強(qiáng)時(shí)，光敏電阻阻值較小，開關(guān)接20K電阻。夜晚或光照較暗時(shí)，光敏電阻阻值較大，開關(guān)接100M電阻。駐極體話筒Proteus仿真軟件中也沒有，用信號(hào)源V1和開關(guān)代替，開關(guān)斷開，表征燈滅，表示聲音信號(hào)較小或沒有聲音信號(hào)輸入的狀態(tài)，開關(guān)閉合，表征燈亮，表示聲音信號(hào)較大或有聲音信號(hào)輸入，且夜晚或光線比較暗的狀態(tài)。

2.3電源電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)目的是獲得10V的直流電壓，綜合電路復(fù)雜性、器材經(jīng)濟(jì)性等各方面的因素，本設(shè)計(jì)利用4個(gè)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(shí)電路

2.4延時(shí)電路設(shè)計(jì)

現(xiàn)實(shí)生活中，路燈應(yīng)該點(diǎn)亮一段時(shí)間直到人走遠(yuǎn)時(shí)才能熄滅，所以電路應(yīng)該有延時(shí)部分。設(shè)計(jì)采用電容和電阻并聯(lián)組成的RC電路進(jìn)行延時(shí)。當(dāng)夜晚或光線較暗且有聲音時(shí)，電容充電，聲音信號(hào)消失后電容放電，燈繼續(xù)點(diǎn)亮一段時(shí)間，如此時(shí)開關(guān)閉合，電容迅速放電，燈很快熄滅。延時(shí)時(shí)間與電容容量和電阻阻值有關(guān)，為了可調(diào)解延時(shí)時(shí)間，可利用開關(guān)選擇不同阻值的電阻［7-8］。本設(shè)計(jì)為了簡便起見，只增加了一個(gè)2MΩ的電阻，當(dāng)然也可多增加幾個(gè)不同阻值電阻的來獲得不同的延時(shí)時(shí)間。電阻延時(shí)時(shí)間理論值為：

延時(shí)電路圖如圖4所示。

2.5控制電路設(shè)計(jì)

開關(guān)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?？煽毓璧淖饔镁褪强刂崎_關(guān)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(qiáng)時(shí)，此時(shí)即使有聲音信號(hào)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(dǎo)通，燈不亮；晚上或光照較暗時(shí)，感光電路工作，當(dāng)有聲音信號(hào)時(shí)，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(dǎo)通，燈點(diǎn)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(shí)物或做成PCB提供條件。

列出元器件清單可為焊接實(shí)物采購做準(zhǔn)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(hào)是EM-B9760UL，靈敏度為-50dB±3dB，兩線制。

3.2實(shí)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(shí)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(shí)電路、整流電路。焊接完成并經(jīng)過檢測后，進(jìn)行功能測試達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)：白天或光線較強(qiáng)時(shí)，不管有無聲音信號(hào)輸入，燈始終不亮；夜晚或光線較暗且沒有聲音信號(hào)時(shí)，燈不亮；夜晚或光線較暗且有聲音信號(hào)時(shí)，燈立即點(diǎn)亮，且當(dāng)聲音信號(hào)消失后燈延時(shí)點(diǎn)亮一段時(shí)間才熄滅。

4.結(jié)束

本電路系統(tǒng)的目的是設(shè)計(jì)一個(gè)聲光控制延時(shí)開關(guān)電路，要求電路簡單、經(jīng)濟(jì)節(jié)能、具有可行性。電路的功能是：白天或光照較強(qiáng)時(shí)，不管有無聲音信號(hào)，燈都不亮；夜晚或光照較暗時(shí)，只要聲音足夠大就點(diǎn)亮，且聲息消失后仍持續(xù)一段時(shí)間燈才熄滅。電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到了所有性能指標(biāo)，但是本電路仍有一些地方有待改進(jìn)。如該電路具有延時(shí)功能卻無法顯示延時(shí)時(shí)間，不過現(xiàn)在的電路比較實(shí)用，加上延時(shí)時(shí)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。

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