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罚恍枰_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。
1 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。
(2)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。
(3)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)。
(4)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。
2 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。
根據(jù)設(shè)計(jì)要求及原理,設(shè)計(jì)出龜路原理圖,如圖3所示。
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。
3 各組成電路韻設(shè)計(jì)與仿真
3.1 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。
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。
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3.2 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。
作為一個(gè)智能化聲控電路應(yīng)具有以下功能:
(1)能在聲音控制下實(shí)現(xiàn)電路的導(dǎo)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(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。
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 .
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(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。
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3.4 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。
3.5 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8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。
3.6 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(shí)器,一般是用改變R、C元件值控制定時(shí)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(shí)器是用執(zhí)行一段程序來實(shí)現(xiàn)定時(shí)的,其靈活性通用性較高,但效率較差;故現(xiàn)在設(shè)計(jì)定時(shí)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(shí)常數(shù),而由硬件控制定時(shí)過程,如大規(guī)模集成電路可編程計(jì)數(shù)器8253,51單片機(jī)通過編程構(gòu)成計(jì)數(shù)器等。
延時(shí)電路主要用于完善電路功能,因此在延時(shí)結(jié)束后應(yīng)發(fā)出一個(gè)結(jié)束信號(hào),控制電路是否繼續(xù)工作。
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