走廊自动照明灯设计[1]

　　1 引言

　　走廊自动照明灯，集声控、光控和触摸控制于一身，使公共场所和居民居住区的公共楼道灯在白天时不亮，晚上闻声自亮，待人走后，几分钟(时间可调节)后自动关闭，既方便，又省电。公共场所和居民居住区的公共楼道普遍使用机械手动开关,由于各种原因往往出现许多灯泡点亮长明的现象,故使灯泡寿命短,浪费电量,为国家、单位、个人造成经济损失。另外，由于频繁开关或其他人为因素，墙壁开关的损坏率很高，既增大了维修量、浪费了资金，又容易造成事故隐患。因此，设计研制一种电路新颖、安全节电、结构简单、安装方便的声光触摸三控白炽灯节能自动开关显得相当有必要。以往的声控开关大多都是应用模拟电子技术进行设计，分立元件多，不可靠，如今单片机技术已经相当成熟，运用单片机可以设计出智能型的声控开关，电路设计好后，运用软件编程来实现其功能，灵活方便，修改简单。目前许多声控开关的平均使用寿命不长，主要是因为电路作频繁的开关，启动电流非常大，导致功率元件可控硅由于过载而损坏。本文中采用开关电压过零保护技术，可消除白炽灯开启瞬间的大电流冲击，有效地防止可控硅元件启动时的电流过载，大大的延长了开关的使用寿命，并且可以起到保护灯泡的作用。

　　2 走廊自动照明灯概述

　　运用声控传感器、光控传感器和触摸控制技术来控制等的点亮和熄灭。声、光、触摸三控照明灯是一款简单、实用的照明灯控制电路，即可以由声、光控制，也可以由人体触摸控制。将该装置安装在走廊，楼道等场所，在夜间光线暗时，有人走动或发声时，灯会自动点亮并延时数分钟(时间可调节)后方自动熄灭。在白天，若触摸电极片，则照明灯也会受触发而点亮。

　　3 方案的论证

　　声、光、触摸三控照明灯的电路原理图如图1所示，整个控制电路由电源、声控制、光控制、触摸控制、延时、继电器驱动等电路部分组成。

　　交流220V电压经电源变压器T降压、整流桥堆UR整流、C4滤波及IC1稳压后，在C5两端产生5V直流电压，供给继电器和整个控制电路使用。

　　图1 声、光、触摸三控照明灯电路原理图

　　接通电源后，整个控制电路工作在待机状态，非门D5输出低电平，使晶体管VT截止，继电器K的常开触点不吸合，照明灯EL不亮。

　　当有人走近照明灯或有声响发出时，传声器BM将声音信号变换成电信号，此电信号经非门D1构成的交流线性放大器放大后，经非门D2反相后输出高电平，使非门D3的输出端变为低电平，二极管VDl导通，非门D5的输出端变为高电平，使晶体管VT饱和导通，继电器K的常开触点K1吸合，照明灯EL发光。

　　在白天，即使有人脚步声或其他声响，也不会有高电平加人非门D3的输人端，因为光敏电阻器RL受光照而电阻值变小，非门D3的输人端始终为低电平，输出端也保持高电平，二极管VD1和晶体管VT均处于截止状态，照明灯EL不亮。夜晚，光敏电阻器RL的电阻值变大，此时若传声器BM拾取到声音信号，则会有高电平加至非门D3的输人端，使二极管VD1和晶体管VT导通，继电器K的常开触点吸合，照明灯EL点亮。

　　不管白天和夜间，只要用手触摸电极片M后，人体感应信号将使非门D4的输人端变为高电平，其输出端变为低电平，又使二极管VD2导通，非门D5的输人端变为低电平，输出端变为高电平，晶体管VT饱和导通，K1吸合，照明灯EL点亮。

　　在二极管VD1或VD2导通瞬间，电容器C3通过VD1或VD2被迅速充电，非门D5的输入端立即为低电平;当非门D3或D4的输出端由低电平变为高电平(随后又同时变为低电平)使VD1或VD2截止时，电容器C3通过电阻器R5缓慢放电，使非门D5的输人端仍维持一段时间的低电平，照明灯EL不会马上熄灭，直到C3放电结束，D5输入端变为高电平，输出端变为低电平，晶体管VT截止，继电器K释放，照明灯EL才熄灭。

　　元器件选择:

　　IC1选用LM7805型三端集成稳压器;

　　IC2选用CD4069型六非门数字集成电路。

　　VT选用9013或8050型硅NPN中功率晶体管，要求电流放大系数β>100。

　　UR选用2A, 50V整流桥堆，或用四只1N5401硅整流二极管桥式连接后代替。

　　VD1一VD3均选用1N4148开关二极管。

　　C1和C2选用CL11-63V型涤纶电容器;C3一C5均选用CD11-16V型电解电容器。

　　RL选用MG45-13或MG45-33型光敏电阻器。其余各电阻器选用RTX-1/4W碳膜电阻器。

　　RPl选用WH7-A型立式微调电位器。

　　BM选用CM-18W型高灵敏度驻极体传声器。

　　T选用220V/6V、low优质成品电源变压器，要求长时间空载运行不过热。

　　4 走廊自动照明灯工作原理

　　4.1 声控自动照明灯原理

　　4.1.1 声控自动照明灯原理图

　　图2 声控电路

　　图3 声音感应、放大电路

　　图4 单稳态电路

　　4.1.2 声控自动照明灯原理分析

　　图2为声控电路部分，由图3声音感应、放大电路和图4单稳态电路构成。图4中三极管VT2、VT3及其电阻、电容器组成了单稳态电路。电阻R3为三极管VT2提供了基极电流;而三极管VT3的基极电流则是从三极管VT2的集电极电阻R4上得到的。三极管VT2集电极与三极管VT3基极之间是直接耦合的;而三极管VT3集电极与三极管VT2基极之间的耦合则是由电容器C2来完成的。电阻R4是三极管VT2的集电极负载,三极管VT3的集电极负载是电阻R5。单稳态电路的特点是它只有一个稳定状态。电路在没有信号输入时,选择合理的R3使三极管VT2稳定在饱和状态,此时它的集电极电压约为0.3V以下。这样使三极管VT3稳定在截止状态。这就是单稳态电路的稳定状态。当一个负脉冲通过C1到达三极管VT2的基极时,三极管VT2开始趋向截止,它的集电极电流减小,集电极电压升高;经过直接耦合,使三极管VT3的基极电压升高,三极管VT3开始导通,它的集电极电压下降;经电容C2的藕合又使三极管VT2的基极电压进一步下降(虽然这时负脉冲已经不再存在),形成一个正反馈,很快达到一个新的状态。此时三极管VT2截止,三极管VT3饱和导通。这就是单稳态电路的暂稳态现象。单稳态电路的暂稳态是不能持久的。在暂稳态期间,电容器C2通过电阻R3进行放电,随着放电的进行,三极管VT2的基极电压逐渐升高,当它达到0.5V以上时,三极管VT2开始导通,正反馈现象再次发生,整个电路很快又回到VT2饱和导通,VT3截止的稳定状态。电容C2通过电阻R3的放电过程决定了电路暂稳态的维持时间。根据计算,这个时间t =0.7×R3×C2。在本电路中电阻R3为510KΩ,电容C2为47μF,所以t≈17s.根据这个公式改变电阻R3或电容C2的参数,可以延长或缩短电路的延迟时间。电路复原后,电容器C2通过电阻R5和三极管VT2的发射结进行充电。充电完成后电路才可以接收下一次的触发。电路中的B是一只驻极体传声器,它能将声音信号转变为电信号。驻极体传声器压所转换的电信号较微弱,只有通过由三极管VT1组成的放大器把微弱的信号进行放大后,才能去触发单稳态电路。放大后信号中的负脉冲作用在三极管VT2的基极上时,可以使单稳态电路翻转。

　　在电路稳态过程下,单稳态电路三极管VT2导通,三极管VT3截止。三极管VT3的集电极为高电平,接在它上面的三极管VT4是PNP型三极管,所以三极管VT4没有导通,继电器不工作。一旦外界的声音来触发电路,单稳态电路中三极管VT2基极受到负脉冲的作用而截止,单稳态电路处在了暂态的过程中。这时三极管VT3导通,它的集电极电压下降,导致与它连接的三极管VT4导通,继电器吸合，LED电路导通从而灯亮。