声光控制节能开关电路设计的研究与探索

摘 要：近年来，能源紧张的状况日益凸显，其实际情况令人担忧。节约能源是我国的一项长期战略方针，是落实科学发展观、实现经济社会可持续发展的要求。文章设计的照明自动控制电路，同时具有声控和光控功能。照明灯在白天（或光照度足够时）不亮，晚上（或光照度不足时）吹口哨或拍手即亮，延时30 s后自动熄灭（延时时间可根据不同的使用场所自行设定），节电又方便，简单易制、成本低、可靠性高，是各类场所照明自动控制的很好方案。

关键词：声控；光控；节能开关；电路设计

声音和光是我们最为熟知的。如今，对于这样用声音或光控制的电路设计我们已不必为其烦恼，因为有了声音传感器和光敏电阻器，可以直接将声音或光信号转换为电信号，大大简化了电路结构，使声、光控电路的设计显得更加容易。

下面就对用声音传感器或光敏电阻器设计的声控照明电路加以分析：

一、声控照明电路的主要原理

它主要利用了声学和电子学的原理，即用声音传感器将声音信号转换成电信号，从而推动触发器触发使电路导通工作。一个智能化声控照明电路应具有以下功能：

1.能在声音的控制下实现电路的导通与截止

2.声音的发出应是多方面的，如脚步声、物体打击声等

3.响应时间应越短越好

为此，在选择电路元器件时应选择灵敏度较高的声音传感器组成声控照明电路控制电路的前端，同时我们还要为该传感器设置传感条件，如声音响度必须在20 DB以上才能响应等。中间端采用触发器构成，利用触发器不触不发、一触即发的特点推动照明电路工作，触发器的选择也应选择灵敏度高且响应时间短的触发器，如D触发器、JK触发器等。

二、光控照明电路

在这样的电路设计中，对电路元器件的要求也极为高，尤其因为光敏元件是光控电路功能实现的核心，必须保证其各项参数的精确、稳定。故在选择这类元器件时一定要选择高灵敏度、工作稳定可靠的元件，当然电路工作的稳定是否、功能能否实现，并不仅仅只和电路元器件有关，外加电源也是不可忽视的，与声控电路一样最好也能给光控电路加上一个稳压电路以确保电路能正常工作。现就采用光敏元件设计光控照明电路作如下分析：

1.电路原理

利用光敏元件随光照强度的变化而阻抗发生变化的特点，控制电信号的强弱，再由传感器将变化的电信号传递给触发器，只要电信号强度达到一定程度就将触发触发器，使其导通工作。光控照明电路的主要功能是实现当外界光照强度降低到一定程度时，使照明电路导通工作。就其方案而言有多种多样，但我们在设计时必须要考虑方案的可行性、稳定性以及元器件的灵敏度，尤其是光敏元件必须选择灵敏度高的，这样电路功能才能较容易实现，为此我们在设计光控电路时，不但要尽量使电路结构简化，而且要使电路功能强，功能的实现要可靠稳定。

2．光控电路框图

3.延时电路

电子计数器出现之后，其形式各式各样，功能万千的定时、计数器层出不穷。定时、计数这一功能在电子电路中的应用，使智能化电路的设计更加名副其实。现就延时电路作如下分析：

（1）电路原理:利用电子计数器的原理实现定时功能。

（2）延时电路其构成方案：①硬件构成；②软件构成；③软硬相结合构成。

对于由硬件构成的定时器，一般是用改变R、C元件值控制定时的，其效率较高，但灵活性、通用性较差，如555定时器；而由软件构成的定时器是用执行一段程序来实现定时的，其灵活性、通用性较高，但效率较差。故现在设计定时器一般都是采用软硬相结合的方法集两者之长，通过编程设定不同的延时常数，而由硬件控制定时过程，其效率和灵活性都得到了较大的提高。如大规模集成电路可编程计数器8253，51单片机通过编程构成计数器等。在一个实际的电路中延时不是主要目的，而主要目的是为了完善电路功能。故作为一个延时电路，在整个电路中其应在延时结束后能发出一个结束信号，提示控制电路是否继续工作下去。

前述声控、光控电路尽管也能实现控制电路的功能，但其功能是不完善的，为此应对其进行改进，有三种可行方案：①声控延时；②光控延时；③声光联控延时。这三种方案可用于不同的场合。

三、单元电路设计

1.声音传感器

MIC把声音信号转化为电信号，当这类信号转化为电信号时，电信号一般较弱，可对其进行放大，对此可选择功放电路，经过这一步实现了声音信号到电信号的转换。有了电信号实现声控就容易了，我们可以让产生的电信号触发触发器以使电路导通。

2.光控部分

光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子——空穴对，并参与导电，使电路中电流增强。

可见光光敏电阻器包括：硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等，主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门、航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭、自动给水和自动停水装置、机械上的自动保护装置和“位置检测器”、极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置、光电计数器、烟雾报警器、光电跟踪系统等方面。本设计采用MG系列光敏电阻与91 K的电阻串联。

3.定时部分

集成定时器555电路，是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，应用十分广泛。它是一种产生时间延迟和多种脉冲信号的电路，由于内部电压标准使用了三个5 K电阻，故取名555电路。其电路类型有双极性和CMOS型两大类，二者的结构和工作原理类似，二者的逻辑功能和引脚排列完全相同，易于互换。

555电路的引脚排列（此处略）；555电路构成，单稳态触发器，如图2。

输出电压V0的脉宽t=RCln3；555定时器内部电路（此处略）。

4.降压整流部分

D1，D2，C5，MC78L05CP构成整流电路，为元件提供工作所需的直流电压。如图3。

四、总体电路设计

电路总体框架图：

该图是该声控照明节电开关电路原理方框，由话筒、电压比较器、光控、电子开关、延时和交流开关等部分电路组成。声光联控延时照明电路的主要原理就是利用光控部件控制电路白天不工作，而夜晚则由声控部件控制其工作，再由延时部件控制其工作时间。

在白天由光控部件控制电路，无论外界有无声音发出电路都不会工作，而到了夜晚光控部件就不再起作用，而由声控部件控制电路，只要在一定范围内有声音发出且达到一定响度，电路就会导通工作，又由延时部件控制其工作时间。由该事例可知声、光、延时三部分是相互联系的，没有光控电路则智能化实现将不完善，没有声控电路也就谈不上延时，而没有延时电路也就谈不上智能。该电路的设计较完备，在电能节约方面处理得较好，但该电路也存在一定的缺陷，如要使灯常亮则该电路无法实现；要对电路进行维护，在白天需要灯亮则该电路也无法实现。为此要对该电路进行升级，所谓升级就是对电路的功能进行进一步完善。我们可以为其添加一些硬件，使在不影响电路正常智能化实现的前提下，电路能受人为所控制，以便更好地为人们服务。

参考文献：

［1］康华光.电子技术基础.数字部分.4版.

［2］邱关源.电路.4版.高等教育出版社，1999.

［3］王成华.电子线路基础教程.科学出版社，2000.

［4］童诗白.模拟电子技术基础.高等教育出版社，2001.

（作者单位 浙江省衢州市工程技术学校）

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文