1 引言

聲光控電路是聲音和光控制電路工作的電子開關。它將聲音(如擊掌聲)和光轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)放大、整形，輸出一個開關信號去控制各種電器的工作，在自動控制工業(yè)電器和家用電器方面有著廣泛的用途。

2 總體電路設計

整個電路由電源電路、放大電路、聲控電路、光控電路及延時電路等部分組成。

(1)當白天或夜晚光線較亮時，整個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行檢測，輸出與光亮程度相對應的電壓信號，從而實現(xiàn)白天燈泡不亮。此時即便有聲音，燈泡也不亮。

(2)當光線較暗時，負載電路的通斷受控于聲控部分。聲控電路主要將聲音信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，且電路是否接通，取決于聲音信號的強度。當聲強達到一定程度時，電路自動接通，點亮燈泡。

(3)燈泡點亮后，延時電路控制延時36秒，當延時時間到時燈滅，再等待下一次聲音信號觸發(fā)。

(4)此外，電路帶強切功能，在特殊情況下強制切斷。

總體設計流程如圖1所示。

圖1 總體設計流程圖

3 電路原理設計

根據(jù)總體設計流程圖設計出原理框圖，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)原理框圖

根據(jù)設計要求及原理，設計出電路原理圖，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)，單片機控制電路(由延時電路和邏輯與電路構(gòu)成)，繼電器驅(qū)動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電路的核心部分，作用是將MIC輸出的微弱聲音信號進行放大，并轉(zhuǎn)換成方波信號。最后通過單片機的比較輸出來控制繼電器的導通，進而控制燈的亮滅。

4 各組成電路韻設計與仿真

4.1 電源電路

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)行機構(gòu)的不同和可靠、價廉、有效益等要求進行選用。根據(jù)安全、實用、廉價的要求，其電源的設計結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)設計結(jié)構(gòu)圖

電路設計使用的是±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;整流電路由一個橋式整流組成，將低壓交流電轉(zhuǎn)換成脈動直流電;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)壓器利用負反饋進一步穩(wěn)定經(jīng)過濾波后的電壓，輸出端電容用以改善負載的瞬態(tài)效應，消除電路的高頻噪聲，同時具有消振的作用; 發(fā)光二極管D2作為電源指示，電阻R1作為限流電阻保護發(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)聲學和電子學的原理，用聲音傳感器將聲音信號轉(zhuǎn)換成電信號，從而推動觸發(fā)器觸發(fā)使電路導通工作。

作為智能化聲控電路應具有以下功能：

(1)能在聲音控制下實現(xiàn)電路的導通與截止。

(2)聲音的發(fā)出應是多方面的，如腳步聲，物體打擊聲等。

(3)響應時間應越短越好。

為此在選擇電路元器件時應選擇靈敏度較高的聲音傳感器(本設計選擇駐極體話筒MIC)組成聲控電路的前端，同時還要為該傳感器設簧傳感條件如聲音響度必須在20DB以上才能響應等。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)的特點去推動照明電路工作，觸發(fā)器的選擇也應選擇靈敏度高，響應時間短的觸發(fā)器如D觸發(fā)器，JK觸發(fā)器等。

聲控電路由拾音電路，兩級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，因為光控電路阻斷，所以，無論多大聲，燈都不會亮。到夜晚，光控電路導通，當人走動的腳步、聲傳到傳聲器MIC時，聲波轉(zhuǎn)換為電信號，拾音電路將聲音轉(zhuǎn)換成微弱的電壓信號。然后，微弱的電壓信號經(jīng)過兩級放大成伏特級的電壓，電壓通過遲滯比較器轉(zhuǎn)變成單片機識別的方波信號，經(jīng)過雙向穩(wěn)壓管變成±5V 的方波，然后傳給單片機的外部中斷P3.4口 。

如圖7所示：第一條為50Hz的交流信號來替代人的聲音信號，輸入電壓的峰值為6mV，兩級放大后為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度的變化而阻抗發(fā)生變化的特點，去控制電信號的強弱，再由傳感器將變化的電信號傳遞給觸發(fā)器，只要電信號強度達到一定程度將觸發(fā)觸發(fā)器使其導通工作。

在這樣的電路設計中，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現(xiàn)的核心，必須保證其各項參數(shù)的精確、穩(wěn)定。

半導體光敏元件是基于半導體光電效應的光電轉(zhuǎn)換傳感器，又稱光電敏感器。采用光電技術能實現(xiàn)無接觸、遠距離、快速和精確測量，因此半導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量。半導體光敏元件按光電效應的不同而分為光導型和光生伏打型(見光電式傳感器)。光導型即光敏電阻，是一種半導體均質(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、光電場效應管和光控可控硅等，它們屬于半導體結(jié)構(gòu)型器件。

半導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、時間和頻率響應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。半導體光敏元件廣泛應用于精密測量、光通信、計算技術、攝像、夜視、遙感、制導、機器人、質(zhì)量檢查、安全報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，在設計時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，當光敏電阻受光照時，電阻減小。運放同向輸人端為低電平;當光照較弱時，電阻增加，運放同向輸入端為高電平。光控電路的輸出信號經(jīng)過電壓跟隨器后，將比較微弱的電流信號放大到單片機能夠識別的電流，然后由運放輸出端將放大后的信號傳給單片機的P1.6 口。電路圖中的集電極電阻R16作為限流電阻，保護三極管;調(diào)節(jié)變阻器R15能夠改變基極電流ib，從而控制發(fā)射極和集電極電流，進而控制整個光控電路對光信號的靈敏度。

圖8 光控電路圖

4.4 單片機控制電路

51單片機是對目前所有兼容Intel 803l指令系統(tǒng)的單片機的統(tǒng)稱。該系列單片機的始祖是Intel的8031單片機。后來隨著Flash Rom技術的發(fā)展，8031單片機取得了長足的進展，成為目前應用最廣泛的8位單片機之一，其代表型號是ATMEL公司的AT89系列，它廣泛應用于工業(yè)測控系統(tǒng)之中。目前很多公司都有51系列的兼容機型推出，在目前乃至今后很長的一段時間內(nèi)將占有大量市場。51單片機既是基礎入門的一個單片機，也是應用最廣泛的一種。本設計通過單片機來完成延時電路與其他電路的功能。

程序原理如下所示：

#include

#define uint unsigned int

sbit JD=P1^7;

sbit GM=P1^6;

void delay(uint z);

main()

{

TMOD=0x10;

EA=1;

ET1=1;

JD=0;

GM=0;

while(1)

{

if(JD= =1)

{

delay(10000);

JD=0;

}

}

}

void counter1()interrupt 3

{

if(GM==1)

{JD=1;}}

void delay(uint z)

{

uint x，y;

for(x=110;x>0;x - - )

for(y=z;y>0;y - - );

}

4.5 繼電器驅(qū)動及燈泡照明電路

將開關電路的負載改為繼電器，即變成繼電器驅(qū)動電路。如圖9所示，運放同相輸入端與單片機P1.7口相連，電壓跟隨器將微弱的單片機IO口輸出電流放大，提高帶負載能力，使電流能夠驅(qū)動三極管，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作用來驅(qū)動繼電器。當開關的負載為電動機或者繼電器等感性負載時，在截斷流過負載的電流時(晶體管進入截止狀態(tài)時)，會產(chǎn)生感應電動勢(楞次定律)。這時產(chǎn)生的電壓非常大。當這種電壓超過晶體管的VCBO，VCEO時，晶體管將會被擊穿。因此給繼電器并上一個二極管，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)動及照明電路圖

4.6 延時電路

延時電路的主要原理：利用電子計數(shù)器的原理實現(xiàn)定時功能。

延時電路的構(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)成的定時器，一般是用改變R、C元件值控制定時的，其效率較高，但靈活性，通用性較差;而由軟件構(gòu)成的定時器是用執(zhí)行一段程序來實現(xiàn)定時的，其靈活性通用性較高，但效率較差;故現(xiàn)在設計定時器一般都是采用軟硬相結(jié)合的方法，通過編程設定不同的延時常數(shù)，而由硬件控制定時過程，如大規(guī)模集成電路可編程計數(shù)器8253，51單片機通過編程構(gòu)成計數(shù)器等。

延時電路主要用于完善電路功能，因此在延時結(jié)束后應發(fā)出一個結(jié)束信號，控制電路是否繼續(xù)工作。

5 結(jié)束語

用聲光控延時開關代替住宅小區(qū)樓道上的開關，只有在天黑以后，當有人走過樓梯通道，發(fā)出腳步聲或其它聲音時，樓道燈才會自動點亮，提供照明，當人們進入家門或走出公寓，樓道燈延時幾分鐘后會自動熄滅。在白天，即使有聲音，樓道燈也不會亮，可以達到節(jié)能的目的。聲光控延時開關不僅適用于住宅區(qū)的樓道，而且也適用于工廠、辦公樓、教學樓等公共場所，它具有體積小、外形美觀、制作容易、工作可靠等優(yōu)點，適合于各種樓房走廊的照明設備。