声光控制延时开关电路系统设计

安徽巢湖学院机械与电子工程学院 李素平



声光控制延时开关电路系统设计

安徽巢湖学院机械与电子工程学院 李素平

【摘要】一个替代传统手动开关的受声、光双重控制的电子开关主要由电源电路、检音电路、感光电路、延时电路及控制电路组成。光控电路通过光敏电阻对外界光照强度进行检测：白天或光线较亮时，光敏电阻阻值较高，通过控制电路使开关断开。当声音信号达到一定大小，且夜晚或光线比较暗时，灯会自动导通点亮，声音信号消失后延时点亮一段时间再自动关断。电路系统结构简单，克服了现有声光控制开关成本高、体积大等缺点，同时还大大减少了维修量，节约了资金是家庭及公共场所理想的照明开关，特别适用于楼梯、走廊、仓库、厕所等公共场所的照明自动控制。

【关键词】声光控制；电子开关；检音电路；感光电路；放大电路；延时电路

引言

声光控制指利用声音信号以及光照的变化来控制电路实现特定功能的一种电子学控制方法。声光控制延时开关电路是一种内无接触点，当夜晚或光线较暗时，采用声响效果激发驻极体话筒将声音信号转换为电信号控制开关导通并延时一段时间的节能电子开关［1］。声光控制延时开关电路具有体积较小，外形大方简洁，制作简单，工作稳定等优点，而且能耗低，节能环保是当今世界的主要潮流。

1.声光控制原理

声音控制系统就是通过线性元件（例如驻极体话筒）将采集到的外界声音信号转化为能够检测的电信号，再通过放大电路将微弱的声音电信号放大，对放大后的信号进行处理从而控制其它装置实现声音控制的功能。本系统中，利用驻极体话筒将声音信号转化为电信号［2-3］，然后通过直接耦合放大器放大，与感光电路转化来的电信号一起，通过开关电路控制开关的开启或关闭。

光强控制系统就是通过线性元件（例如光敏电阻或光敏二极管）将采集到的外界光强信号转化为能够检测的电信号，再通过放大电路将微弱的电信号放大，对放大信号进行处理从而控制其它装置实现光强控制的功能。本系统中，利用光敏电阻将外界光强信号转化为电信号，然后与声控电路转化来的电信号一起送入后续开关电路，通过开关电路达到控制开关的闭合或关断的目的。

2.电路系统总体设计

2.1电路系统原理框图

声光控制延时节电开关电路就是利用声音信号和光强来控制电路的导通和关断，从而实现灯的亮和灭。整个系统的工作原理是：降压整流电路将220V市电经整流降压滤波后输出约为10V的直流电为其后的声控电路、延时电路及整个电路系统提供所需的直流工作电压。当声音信号达到一定大小，且夜晚或光线比较暗时，检音电路和感光电路将声光信号转换为相应的电信号传送给控制电路，控制灯处于亮的状态，同时送给延时电路延时信息，在声音信号消失后延时点亮一段时间再自动关断。白天或光照较强时，检音电路和感光电路将声光信号转换为相应的电信号传送给控制电路，控制灯处于灭的状态。因此，声光控制延时节电开关电路的功能就是通过专门的感应器件将声音信号、光强信号分别转变为电信号，进而控制开关闭合与关断［4-5］。该系统结构图如图1所示。

图1　系统原理框图

2.2电路仿真原理图（见图2）

由于Proteus仿真软件中没有光敏电阻，因此利用100M和20K的两个普通电阻和单刀双掷开关代替光敏电阻。白天或光照较强时，光敏电阻阻值较小，开关接20K电阻。夜晚或光照较暗时，光敏电阻阻值较大，开关接100M电阻。驻极体话筒Proteus仿真软件中也没有，用信号源V1和开关代替，开关断开，表征灯灭，表示声音信号较小或没有声音信号输入的状态，开关闭合，表征灯亮，表示声音信号较大或有声音信号输入，且夜晚或光线比较暗的状态。

2.3电源电路设计

设计电源电路有很多种方法，常用的有桥式整流电路、三端稳压器稳压电路、稳压二极管电路、电容降压整流电路等［6］。本设计目的是获得10V的直流电压，综合电路复杂性、器材经济性等各方面的因素，本设计利用4个1N4007二极管搭建成桥式整流电路，如图3所示。

图2　电路仿真原理图

图3　桥式整流电路

图4　延时电路

2.4延时电路设计

现实生活中，路灯应该点亮一段时间直到人走远时才能熄灭，所以电路应该有延时部分。设计采用电容和电阻并联组成的RC电路进行延时。当夜晚或光线较暗且有声音时，电容充电，声音信号消失后电容放电，灯继续点亮一段时间，如此时开关闭合，电容迅速放电，灯很快熄灭。延时时间与电容容量和电阻阻值有关，为了可调解延时时间，可利用开关选择不同阻值的电阻［7-8］。本设计为了简便起见，只增加了一个2MΩ的电阻，当然也可多增加几个不同阻值电阻的来获得不同的延时时间。电阻延时时间理论值为：

延时电路图如图4所示。

2.5控制电路设计

开关控制电路如图5所示，由集成电路CD4011、电阻R10和可控硅U3组成。可控硅的作用就是控制开关的通断，其中CD4011为四-二输入与非门集成电路。

控制电路工作原理：白天或光照较强时，此时即使有声音信号输入，通过CD4011后可控硅始终无正向门极触发电流，可控硅不导通，灯不亮；晚上或光照较暗时，感光电路工作，当有声音信号时，检音电路也工作，二者共同作用使可控硅有正向门极触发电流，可控硅导通，灯点亮［9-10］。

图5　控制电路

3.印刷电路图及调试

3.1印刷电路图

绘制好电路原理图并利用软件检查无误后可转换为印刷电路图，为焊接实物或做成PCB提供条件。

列出元器件清单可为焊接实物采购做准备，省去不必要的麻烦。其中光敏电阻选用的是MG45，其亮电阻约为5.5K，暗电阻约2M；驻极体话筒型号是EM-B9760UL，灵敏度为-50dB±3dB，两线制。

3.2实物调试

利用前面绘制的电路原理图和印刷电路图，就可以焊接实物。按照从左到右，自上而下的顺序依次为检音电路、放大电路、感光电路、控制电路、滤波稳压电路、延时电路、整流电路。焊接完成并经过检测后，进行功能测试达到设计指标：白天或光线较强时，不管有无声音信号输入，灯始终不亮；夜晚或光线较暗且没有声音信号时，灯不亮；夜晚或光线较暗且有声音信号时，灯立即点亮，且当声音信号消失后灯延时点亮一段时间才熄灭。

4.结束

本电路系统的目的是设计一个声光控制延时开关电路，要求电路简单、经济节能、具有可行性。电路的功能是：白天或光照较强时，不管有无声音信号，灯都不亮；夜晚或光照较暗时，只要声音足够大就点亮，且声息消失后仍持续一段时间灯才熄灭。电路系统设计达到了所有性能指标，但是本电路仍有一些地方有待改进。如该电路具有延时功能却无法显示延时时间，不过现在的电路比较实用，加上延时时间显示装置后系统的成本比较大，考虑成本因素的话可以不考虑此功能。

参考文献

［1］康树林，汪斌.声光控延时开关性能分析［J］.科技资讯，2009，（31）：84.

［2］王兆安，黄俊.电力电子技术［M］.北京：机械工业出版社，2010，61-63.

［3］夏克祖，郑兆聚.一种声光双控节能自动开关的研制［J］.中国照明电器，2001，（3）：16-17.

［4］刘秋霞.一种声光双控节能开关的研制［J］.数字技术与应用，2010，（4）：54.

［5］康华光.电子技术基础模拟部分［M］.北京：高等教育出版社，2006，25-36.

［6］刘立财.用光敏二极管和微型话筒制作楼道灯的声光控开关［J］.物理教学探讨，2009，27（10）：57-58.

［7］陈尔绍.实用光电控制电路精选［M］.北京：电子工业出版社，1993，42-50.

［8］郭兴军.一种简单声光自控延时开关［J］.中国现代教育装备，2006，（1）：44-45.

［9］郭琼.声光控延时开关的制作［J］.考试周刊，2011，（63）：167-168.

［10］卢敏，宫志中.声光控节能自动开关实习教学方法探讨［J］.江汉石油职工大学学报，2007，20（1）：34-37.