趙瑞林，趙妮娜

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 咸陽(yáng) 712000）

隨著人們生活現(xiàn)代化水平不斷提高，國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力的供需矛盾日益加劇，生產(chǎn)更多的電即意味著要消耗更多的煤、石油、天然氣、核原料等不可再生資源，還會(huì)帶來(lái)許多相應(yīng)的環(huán)境問(wèn)題。為此，我們應(yīng)該從身邊做起，珍惜并節(jié)約每一度電。所以，現(xiàn)在很多住宅樓道都安裝了自動(dòng)控制樓道燈。本設(shè)計(jì)安全節(jié)電、使用壽命長(zhǎng)且成本低，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了聲光雙控且能自動(dòng)延時(shí)，可廣泛使用于公共場(chǎng)所的照明控制，在日常生活中具有很大的實(shí)用性[1]。

1 總體方案設(shè)計(jì)

一個(gè)聲光雙控開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)，使得該開(kāi)關(guān)滿足以下要求：1）白天不亮，晚上亮；2）晚上一有聲音便能亮燈，并且時(shí)間持續(xù)在20 秒內(nèi)燈是亮的；3）該開(kāi)關(guān)適用于人們活動(dòng)時(shí)能發(fā)出聲響的場(chǎng)合，保證人們?cè)诠饬翖l件下活動(dòng)，人走或休息后燈即熄滅[2]。

1.1 總體方案與原理說(shuō)明

本設(shè)計(jì)主要由橋式整流電路、降壓濾波電路、聲音信號(hào)輸入電路、光信號(hào)輸入電路、延時(shí)控制電路以及外接電路6部分組成[3]，如圖1 所示。

圖1 聲光雙控電路框圖Fig.1 Double acousto-optic control circuit diagram

1.2 橋式整流電路

整流電路的工作原理：橋式整流電路是最基本的將交流轉(zhuǎn)換為直流的電路，如圖2 所示。整流電路中的二極管是作為開(kāi)關(guān)運(yùn)用，具有單向?qū)щ娦浴蚴秸麟娐穼?20 V 市電變成脈動(dòng)直流電壓，再經(jīng)過(guò)限流，穩(wěn)壓，濾波輸出12 V 直流電壓，為集成塊及三極管提供電源。聲音信號(hào)和光敏電阻感受到的光信號(hào)以“與”的關(guān)系來(lái)控制集成塊輸出高低電平，構(gòu)成的延時(shí)電路，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)延時(shí)，然后集成塊的輸出控制晶閘管的導(dǎo)通和斷開(kāi)，從而控制燈泡的亮與滅。

二極管橋式整流電路輸入、輸出之間的數(shù)量關(guān)系及二極管選擇的條件：

輸出電壓VO、輸出電流IO與輸入電壓V2的關(guān)系：

二極管所承受的電流及耐壓值

圖2 橋式二極管整流電路Fig.2 Diode bridge rectifier circuit

單向橋式整流電路二極管選擇條件：

1.3 降壓濾波電路

電路中燈泡也起到了很重要的降壓作用。橋式整流電路輸出的脈動(dòng)直流電壓經(jīng)過(guò)R7限流降壓，電容C2濾波，從而得到比較小的直流電壓加到穩(wěn)壓管D6 上，獲得12 V 的直流電壓，作為控制電路的直流電源。由圖3 中的電阻R7、電容C2和穩(wěn)壓管D6 組成。

圖3 降壓濾波電路Fig.3 Buck filter circuit

1.4 聲音信號(hào)輸入電路

駐極體話筒的基本結(jié)構(gòu)是由一片單面涂有金屬的駐極體薄膜與一個(gè)上面有若干小孔的金屬電極（背電極）構(gòu)成。駐極體面與背電極相對(duì)，中間有一個(gè)極小的空氣隙，形成一個(gè)以空氣隙和駐極體作絕緣介質(zhì)，以背電極和駐極體上的金屬層作為兩個(gè)電極構(gòu)成一個(gè)平板電容器。電容的兩極之間有輸出電極。由于駐極體薄膜上分布有自由電荷。當(dāng)聲波引起駐極體薄膜振動(dòng)而產(chǎn)生位移時(shí)；改變了電容兩極板之間的距離，從而引起電容的容量發(fā)生變化，由于駐極體上的電荷數(shù)始終保持恒定，根據(jù)公式：

所以當(dāng)C 變化時(shí)必然引起電容器兩端電壓U 的變化，從而輸出電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)聲—電的變換。由于實(shí)際電容器的電容量很小，輸出的電信號(hào)極為微弱，輸出阻抗極高，可達(dá)數(shù)百兆歐以上。因此，它不能直接與放大電路相連接，必須連接阻抗變換器。通常用一個(gè)專用的場(chǎng)效應(yīng)管和一個(gè)二極管復(fù)合，組成阻抗變換器。聲音信號(hào)輸入電路的工作原理：當(dāng)沒(méi)有聲音時(shí)，三極管Q1 工作在飽和狀態(tài)，CD4011 的2腳為低電平；當(dāng)有聲音時(shí)，聲音信號(hào)經(jīng)話筒MIC 轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后經(jīng)C1 耦合至三極管Q1 放大，Q1 由飽和進(jìn)入放大狀態(tài)，其集電極由低電平轉(zhuǎn)變成高電平并送入集成電路CD4011 的2腳。由圖4中的駐極體話筒MIC、電阻R1、R2、R3、電容C1和三極管Q1組成[4]。

1.5 光信號(hào)輸入電路

圖4 聲音信號(hào)電路Fig.4 Sound signal circuit

光信號(hào)輸入電路的工作原理：光的強(qiáng)弱經(jīng)光敏電阻RG轉(zhuǎn)換為高、低電平后送入集成電路CD4011 的1腳。由降壓濾波電路知，光敏電阻和R4的總電壓U為12 V，白天光線射到光敏電阻RG上時(shí)，其阻值變得很小，約為20 kΩ，則光敏電阻的電壓U1為：

CD4011 的1腳為低電平，則3腳被鎖定為高電平，與2腳的輸入高低電平無(wú)關(guān)，所以電路封鎖了聲音通道，使聲音信號(hào)不能通過(guò)，即燈泡亮滅不受聲音控制。這時(shí)，門(mén)U1A 的3腳輸出的高電平經(jīng)過(guò)門(mén)U1B、U1C、U1D 3 次反相后成低電平，晶閘管D7 無(wú)觸發(fā)信號(hào)不導(dǎo)通，燈不亮。夜晚，RG因無(wú)光線照射呈高阻，約為10 M。則光敏電阻的電壓U2為：

則與非門(mén)U1A 的輸入端1腳變成高電平，門(mén)U1A 的3腳輸出狀態(tài)受2腳輸入電平的控制，這為聲音通道的開(kāi)通創(chuàng)造了條件。它是由圖5 中的電阻R4和光敏電阻RG 組成。

圖5 光信號(hào)輸入電路Fig.5 Optical signal input circuit

光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成光敏電阻。為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。構(gòu)成光敏電阻的材料有金屬的硫化物、硒化物、碲化物等半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于半導(dǎo)體導(dǎo)帶內(nèi)載流子數(shù)目的多少。當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，價(jià)帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導(dǎo)帶，成為自由電子，同時(shí)產(chǎn)生空穴，電子—空穴對(duì)的出現(xiàn)使電阻率變小。光照愈強(qiáng)，光生電子—空穴對(duì)就越多，阻值就愈低。當(dāng)光敏電阻兩端加上電壓后，流過(guò)光敏電阻的電流隨光照增大而增大。入射光消失，電子-空穴對(duì)逐漸復(fù)合，電阻也逐漸恢復(fù)原值，電流也逐漸減小。

1.6 延時(shí)控制電路

延時(shí)控制電路的工作原理：如圖6 的電路圖，在白天時(shí)，與非門(mén)U1A 的輸入端1腳為低電平，則3腳被鎖定為高電平，與2腳的輸入高低電平無(wú)關(guān)，所以電路封鎖了聲音通道，使聲音信號(hào)不能通過(guò)，即燈泡亮滅不受聲音控制[5]。這時(shí)，門(mén)U1A 的3腳輸出的高電平經(jīng)過(guò)門(mén)U1B、U1C、U1D 3 次反相后成低電平，晶閘管D7 無(wú)觸發(fā)信號(hào)不導(dǎo)通，燈不亮。當(dāng)在夜晚同時(shí)有聲音信號(hào)時(shí)，與非門(mén)U1A 的輸入端1腳和2腳都為高電平，則其輸出為低電平，再經(jīng)與非門(mén)U1B 反相輸出高電平，通過(guò)隔離二極管D1 給電容C3充電，當(dāng)C3充電電壓達(dá)到與非門(mén)U1C 的閾值電平時(shí)，使與非門(mén)U1D 輸出高電平，通過(guò)R5觸發(fā)可控硅D7 使其導(dǎo)通，主回路便有較大的電流通過(guò)白熾燈使其發(fā)光。當(dāng)聲音消失后，與非門(mén)U1A 的輸入端的2腳變?yōu)榈碗娖?，則其輸出端為高電平，從而使與非門(mén)U1B 輸出為低電平，因D1 的阻斷作用，電容C2只能通過(guò)R5緩慢放電，經(jīng)過(guò)大約1 分鐘下降到與非門(mén)U1C 的閾值電壓以下，使與非門(mén)U1D 輸出低電平，當(dāng)交流電過(guò)零點(diǎn)時(shí)，可控硅自動(dòng)關(guān)斷，白熾燈熄滅。延時(shí)時(shí)間理論值為[6]：

圖6 延時(shí)控制電路Fig.6 The delay control circuit

2 總體電路設(shè)計(jì)及其原理相關(guān)說(shuō)明

系統(tǒng)采用CD4011為核心控制晶閘管的通斷。工作電路如圖7 所示。二極管D2-D5 組成橋式整流電路將220 V 市電變成脈動(dòng)直流電壓，再經(jīng)過(guò)R7限流，D6 穩(wěn)壓，C2濾波輸出12 V直流電壓，為集成塊CD4011 及三極管Q1 提供電源。話筒MIC 聲音信號(hào)和光敏電阻RG 感受到的光信號(hào)以“與”的關(guān)系來(lái)控制CD4011 輸出高低電平，經(jīng)過(guò)C3和R6構(gòu)成的延時(shí)電路，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)延時(shí)，然后CD4011 的輸出控制晶閘管的導(dǎo)通和斷開(kāi)，從而控制燈泡亮與滅[7]。

圖7 總體電路原理圖Fig.7 The overall circuit principle diagram

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本次設(shè)計(jì)，使學(xué)生熟練應(yīng)用電工電子技術(shù)，進(jìn)一步掌握了各元器件的工作原理及功能，比如駐極體話筒和可控硅的管腳分布、參數(shù)及工作原理，進(jìn)一步掌握了原理圖的設(shè)計(jì)與電路板的焊接。在電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試過(guò)程中也遇到了很多問(wèn)題，在面包板上調(diào)試時(shí)，由于電路的一根線短路而導(dǎo)致調(diào)試失敗，這使學(xué)生明白了在調(diào)試電路時(shí)必須先仔細(xì)檢查各部分電路的連接情況，明白每一個(gè)元器件的工作原理及各管腳的功能。

本次設(shè)計(jì)讓學(xué)生成功地制作出了一個(gè)節(jié)能的聲光雙控電子開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)以下功能：1）白天正常光照下，無(wú)論有無(wú)聲音，燈泡不亮；2）夜晚無(wú)聲音的時(shí)候，燈不亮；有聲音觸發(fā)時(shí)，燈亮；3）燈亮一定時(shí)間以后，自動(dòng)熄滅且延時(shí)20 s 左右；4）靈敏度較高。

本設(shè)計(jì)安全節(jié)電、使用壽命長(zhǎng)且成本低。達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了聲光雙控且能自動(dòng)延時(shí)，可廣泛使用于公共場(chǎng)所的照明控制，在日常生活中具有很大的實(shí)用性。

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