智能控制的日光灯电路

吴传平 李茂晖 陈姝雨

摘要：本文在传统的日光灯电路的基础上，引入了智能控制技术，提出了基于智能控制技术的日光灯电路。将电工学的基本理论和智能控制技术结合起来，使电工学实验变得智能化，具有创新性，这样可以大大提高学生的学习热情和积极性，使学生既能够掌握传统的电工学知识，又能够学习到现代化的智能控制技术，为培养创新型的实践能力强的高素质人才打下了坚实的基础。

关键词：教学改革;智能控制;日光灯电路

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2016）08-0125-02

传统的电工学实验主要是一些验证性实验，譬如，基尔霍夫定律、叠加定理、日光灯电路等，这些实验都属于传统理论和方法的验证，实验内容陈旧乏味，不能调动学生的学习热情和兴趣[1]。为了培养学生的实践创新能力，本文提出了基于智能控制技术的日光灯电路。在传统的日光灯电路实验的基础上，引入了智能控制技术，使电工学实验变得智能化，具有创新性，能够极大地调动学生的学习热情和积极性。

一、传统的日光灯电路

传统的日光灯电路由镇流器、启辉器、日光灯管组成。

日光灯管：它是一根玻璃管，内壁涂有一层荧光粉，不同的荧光粉可发出不同颜色的光。灯管内充有稀薄的惰性气体和水银蒸汽，灯管两端有由钨制成的灯丝，灯丝涂有受热后易于发射电子的氧化物[2]。

当灯丝有电流通过时，使灯管内灯丝发射电子，还可使管内温度升高，水银蒸发。这时，若在灯管的两端加上足够的电压，就会使管内氩气电离，从而使灯管由氩气放电过渡到水银蒸气放电。放电时发出不可见的紫外光线照射在管壁内的荧光粉上面，使灯管发出各种颜色的可见光线。

镇流器：镇流器是与日光灯管相串联的一个元件，实际上是绕在硅钢片铁心上的电感线圈，其感抗值很大。镇流器的作用是：①限制灯管的电流;②产生足够的自感电动势，使灯管容易放电起燃。镇流器一般有两个出头，但有些镇流器为了在电压不足时容易起燃，就多绕了一个线圈，因此也有四个出头的镇流器。

启辉器：启辉器是一个小型的辉光管，在小玻璃管内充有氖气，并装有两个电极。其中一个电极是用线膨胀系数不同的两种金属组成（通常称双金属片），冷态时两电极分离，受热时双金属片会因受热而变弯曲，使两电极自动闭合[3]。

日光灯电路的工作原理：当接通电源时，由于日常灯没有点亮，电源电压全部加在启辉光管的两个电极之间，启辉器内的氩气发生电离。电离的高温使倒“U”型电极受热趋于伸直，两电极接触，使电流从电源一端流向镇流器→灯丝→启辉器→灯丝→电源的另一端，形成通路并加热灯丝。灯丝因有电流（称为启辉电流或预热电流）通过而发热，使氧化物发射电子。同时，辉光管两个电极接通时，电极间电压为零，启辉器中的电离现象立即停止，“U”型金属片因温度下降而复原，两电极离开。在离开的一瞬间，使镇流器流过的电流发生突然变化（突降至零），由于镇流器铁心线圈的高感作用，产生足够高的自感电动势作用于灯管两端。这个感应电压连同电源电压一起加在灯管的两端，使灯管内的惰性气体电离而产生弧光放电。随着管内温度的逐渐升高，水银蒸汽游离，碰撞惰性气体分子放电，当水银蒸汽弧光放电时，就会辐射出不可见的紫外线，紫外线激发灯管内壁的荧光粉后发出可见光。灯丝受热时发射出来的大量电子，在灯管两端高电压作用下，以极大的速度由低电势端向高电势端运动。在加速运动的过程中，碰撞管内氩气分子，使之迅速电离。氩气电离生热，热量使水银产生蒸气，随之水银蒸气也被电离，并发出强烈的紫外线。在紫外线的激发下，管壁内的荧光粉发出近乎白色的可见光。

二、智能控制的日光灯电路

智能控制的日光灯电路主要由智能控制电路、场效应管、镇流器、启辉器、日光灯管构成。

系统功能：当有人进入房间时，红外检测电路会检测到有人进入，然后，智能控制电路输出控制信号，控制场效应管导通，日光灯点亮;当有人离开房间时，红外检测电路会检测到有人离开，智能控制电路输出控制信号，控制场效应管关断，日光灯熄灭。这样，不需要人亲自动手去打开或关闭日光灯，既节省了人力，为人们带来了极大的便利，同时又避免了忘记关灯所造成的电能浪费，节约了能源。整个系统主要由红外检测电路、单片机控制电路、驱动电路、日光灯主电路组成。智能控制的日光灯电路的系统结构框图如图1所示。

1.红外检测电路。红外发射管和红外接收管统称为红外对管。红外对管的极性不能弄错，通常较长的引脚为正极，较短的引脚为负极[4]。

红外检测电路的工作原理：当红外对管间无障碍物时，红外接收管能够接收到红外发射管发出的红外光，此时红外接收管的等效阻值会变得很小，相当于短路;当红外对管间有障碍物时，红外线被遮挡，红外接收管不能接收到红外发射管发出的红外光，此时红外接收管的等效阻值会变得很大，相当于断路[5]。另外，还需要结合比较器LM393才能实现红外检测电路的设计。当比较器LM393的同相输入端电压大于基准电压+2.5V时，比较器输出高电平;当同相输入端电压小于基准电压+2.5V时，比较器输出低电平。

2.单片机控制电路。本系统采用单片机PIC5015作为核心芯片。本系统主要需要用到单片机中断引脚和通用IO引脚[6]。

中断引脚的作用是用来接收红外检测电路的输出信号，将红外检测电路的输出信号连接到单片机的中断引脚。这样，当有人进入房间时，红外检测电路就会输出信号，该信号会触发单片机产生中断，告知单片机有人进入房间，然后单片机通过控制通用IO引脚输出控制信号，经过驱动电路，控制日光灯电路中的场效应管K2225的导通，进而点亮日光灯;当有人离开房间时，红外检测电路就会输出信号，该信号会触发单片机产生中断，告知单片机有人离开房间，然后单片机通过控制通用IO引脚输出控制信号，经过驱动电路，控制日光灯电路中的场效应管K2225的关断，进而熄灭日光灯。

3.驱动电路。驱动电路既起到隔离保护的作用，又能够提供控制信号的驱动能力。本系统的驱动电路主要由光耦6N137、驱动芯片IR2110等组成[7]。单片机输出0～5V的方波信号经过驱动电路后会变为0～15V的方波型号。

4.日光灯主电路。本系统的日光灯主电路由场效应管、镇流器、启辉器、日光灯管组成。

本系统采用的场效应管是K2225，当场效应管的栅极和漏极之间电压为+15V时，场效应管导通，日光灯点亮;当场效应管的栅极和漏极之间电压为0V时，场效应管关断，日光灯熄灭。这样，单片机通过输出控制信号，经过驱动电路，就可以控制场效应管的导通与关断，进而控制日光灯的亮灭。

三、教学实施

1.实验内容与要求。（1）要求学生掌握红外发射管和红外接收管的工作特点，会使用比较器，设计一个红外检测电路。设计出电路图，并在万用板上完成焊接和调试。（2）要求学生熟悉PIC单片机最小系统开发板，会编写简单的C语言程序，会下载程序。（3）要求学生理解驱动电路的工作原理，并在万用板上完成焊接和调试。（4）要求学生在熟悉传统的日光灯电路的工作原理的基础上，掌握基于智能控制的日光灯主电路的工作原理。（5）将红外检测电路模块、单片机控制电路模块、驱动电路模块、日光灯主电路模块逐级连接起来，逐级调试，最终实现系统功能。

2.实验考核。（1）使用示波器测量红外检测电路的输出端波形。当有人进出房间时，观测输出端的波形是否正确。（2）使用电压表或者示波器观测单片机的输出控制信号。如果单片机接收到红外检测电路的输出信号后，单片机能够输出正确的控制信号，则说明单片机模块工作正常。（3）使用示波器观测驱动电路的输出端波形。驱动电路的输出端波形应该与单片机的输出控制信号反相，幅值为15V。（4）验证系统功能。当有人进入房间时，观察日光灯能否自动点亮;当有人离开房间时，观察日光灯能否自动熄灭。（5）实验报告，以论文的形式书写实验报告，让学生尽早掌握科学论文的书写，从格式到参考文献。

最终，根据学生对各个模块电路的完成情况、电路的焊接质量、课堂表现和实验报告的书写，综合地评定学生的实验成绩。

四、结语

本文在传统的日光灯电路的基础上，提出了智能控制的日光灯电路，将电工学知识和智能控制技术结合起来，使电工学实验变得智能化，更具创新性，大大提高了学生的学习热情和积极性。通过本次实验的训练，学生掌握了一定的智能控制技术，同时学会了用模块化思想去完成一个实验项目，大大提高了学生的工程实践能力，为培养创新型的实践能力强的高素质人才打下了坚实的基础。

参考文献：

[1]张美生.高等院校电工学实验教学改革探究[J].山东建筑大学学报，2013，28（4）：37-39.

[2]吴春俐，孙静，申燕.电工学实验教程[M].北京：机械工业出版社，2011：75-76.

[3]向琴，孙宁，陈文红.日光灯电路实验常见故障及排查[J].教育教学，2014，（315）：65-66.

[4]吴玉宝.红外检测电路的设计与制作[J].电子制作，2010，（8）：51-52.

[5]瞿贵荣.多功能红外检测电路[J].电子制作，2011，（2）：10-11.

[6]李荣正.PIC单片机原理及应用[M].北京：航空航天大学出版社，2014：8-12.

[7]刘力涛.IGBT驱动电路研究[J].电焊机，2011，（6）：83-85.