设计一款美观节能的楼道声光控制照明灯

　　一、引言

　　光控电路在城市路灯或楼道照明中有着至关重要的作用，采用光控电路，可以根据光线的强弱来自动开启和关闭照明灯，做到无人自动控制，可以减轻工人的劳动强度，有效的节约能源。但光控电路有其缺陷，就是夜晚无光线的时候，照明灯将一直工作着，这样会造成资源的浪费，也会缩短照明灯的寿命。

　　这时若在光控电路的基础上添加一个声控电路，使得照明电路在无光线的时候，只受声音的控制，当有脚步声或其它较强声响的时候，照明电路自动工作。当声音消失的时候，照明灯自动熄灭，这就需要在光控电路和声控电路联合工作的条件下添加一个延时电路，使照明灯点亮后，延时一定时间后自动熄灭。

　　本文设计的声光控制照明灯，该电路夜间有声音信号时，照明灯（用LED发光管模拟）点亮；无声时延迟5秒后熄灭；如声音间隔小于5秒，则LED持续点亮。白天有声无声均不点亮。这款小巧美观又实用节能，可以用蚊钉固定在自家门口也可以安装在走廊上，还可以用在厂房，建筑工地。

　　使用这种照明电路，人们就不必在黑暗中摸索开关，也不必再担心点长明灯费电和损坏灯泡了。夜间只要有脚步声或其它较强的声响时，灯便自动点亮，延时一定时间后自动熄灭。特别适用自动控制路灯照明以及走廊和楼道等处的短时照明。

　　二、 楼道声控灯电路设计

　　2.1楼道声控灯的基本原理

　　该电路由声控电路、光控电路及放大电路、单稳态延时电路组成，下面对其功能进行逐一分析并确定电路结构。

　　光控电路是根据光线的强弱来优先决定电灯的亮灭。声音信号由驻极体话筒BM接收，经过反比放大，放大的信号送到NE555定时器的2,6脚。该电路可以对声控延时电路进行控制，在白天光线较强时，该电路在光控电路的作用下，处于关闭状态，对任何声音信号都不响应，在晚上光线较弱时，光控电路将该电路的功能打开，使得该电路能根据外界声音信号做出相应的响应。NE555定时器的输出去控制74HC123声控延时电路。该电路主要在光线较弱时起作用。这主要是通过光控电路的输出来控制的。

图1 楼道声控灯电路图

　　2.2元器件的介绍

　　器件清单

表1  器件清单

　　2.2.1 电阻器

　　电阻器的种类有很多，通常分为三大类：固定电阻、可变电阻、特种电阻。

　　光敏电阻是一种电阻值随外界光照强弱（明暗）变化而变化的原件，光越强阻值越小，光越弱阻值越大。光敏电阻器又叫光敏电阻，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，一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转化为电的变化）。

　　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）内就激发出电子一空穴对，参与导电，使电路中电流增强。

　　2.2.2 驻极体话筒BM

　　驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点，广泛用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中。属于最常用的电容话筒。由于输入和输出阻抗很高，所以要在这种话筒外壳内设置一个场效应管作为阻抗转换器，为此驻极体电容式话筒在工作时需要直流工作电压。构造与原理驻极体话筒由声电转换和阻抗变换两部分组成。

　　声电转换的关键元件是驻极体振动膜。它是一片极薄的塑料膜片，在其中一面蒸发上一层纯金薄膜。然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷。膜片的蒸金面向外，与金属外壳相连通。膜片的另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离开。这样，蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容。当驻 极体膜片遇到声波振动时，引起电容 两端的电场 发生变化，从而产生了随声波变化而变化的交变电压。驻极体膜片与金属极板之间的电容量比较小，一般为几十pF。因而它的输出阻抗值很高（Xc＝1／2~tfc），约几十兆欧以上。这样高的阻抗是不能直接与音频放大器相匹配的。所以在话筒内接入一只结型场效应晶体三极管来进行阻抗变换。场效应管的特点是输入阻抗极高、噪声系数低。普通场效应管有源极（S）、栅极（G）和漏极（D）三个极。这里使用的是在内部源极和栅极间再复合一只二极管的专用场效应管。接二极管的目的是在场效应管受强信号冲击时起保护作用。场效应管的栅极接金属极板。这样，驻极体话筒的输出线便有三根。即源极S，一般用蓝色塑线，漏极D，一般用红色塑料线和连接金属外壳的编织屏蔽线。

图2 驻极体话筒

　　2.3、驻极体话筒工作原理

　　驻极体话筒体积小，结构简单，电声性能好，价格低廉，应用非常广泛。

　　高分子极化膜上生产时就注入了一定的永久电荷（Q），由于没有放电回路，这个电荷量是不变的，在声波的作用下，极化膜随着声音震动，因此和背极的距离也跟着变化，也就是锁极化膜和背极间的电容是随声波变化。

　　我们知道电容上电荷的公式是Q＝C×V，反之V＝Q/C也是成立的。驻极体总的电荷量是不变，当极板在声波压力下后退时，电容量减小，电容两极间的电压就会成反比的升高，反之电容量增加时电容两极间的电压就会成反比的降低。最后再通过阻抗非常高的场效应将电容两端的电压取出来，同时进行放大，我们就可以得到和声音对应的电压了。由于场效应管时有源器件，需要一定的偏置和电流才可以工作在放大状态，因此，驻极体话筒都要加一个直流偏置才能工作。

　　2.4、驻极体话筒选配注意

　　驻极体话筒价格很低，损坏后做更换处理，关于驻极体话筒选配要注意以下几点：

　　（1）两根和三根引脚的驻极体话筒之间不能直接替代，一般情况下也不做改动电路的代替。

　　（2）这种话筒没有型号之分，相同引脚数的话筒可以代替，只是存在性能上的差别。

　　2.5  555定时器电路

　　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5K电阻，故取名555电路。其电路类型有双极型和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电路构成单稳态触发器，如图3所示。

图3 单稳态触发器

　　555定时器内部电路见图4所示。

图4 555定时器的内部结构

　　2.6  74HC123

　　74HC123是单稳态触发器。其 RxCx （7,15） 和 Cx 端 （6,14） 接定时的电阻和电容， 即决定触发后 Q 端产生的单脉冲宽度。 Rbar （3,11） 是低电平复零， 不作复零时为高电平。Abar （1,9） 是下降沿触发输入端， 通过 Abar 用负脉冲触发， 不用时保持高电平。 B （2,10） 是上升沿触发输入端， 通过 B 用正脉冲触发， 不用时置低……Q （5,13） 与 Qbar （4,12） 分别输出正负定时单脉冲。

　　器件中单稳触发器作用是不管触发信号持续多长时间，只固定维持外围阻容给定的一段时间就恢复触发前状态，外围电阻电容决定单稳时间，因为触发是由边缘触发，上升或下降沿。可再触发单稳不同之处是前次触发后的单稳没有恢复触发前状态而又有触发信号时，可再触发单稳将在触发边缘开始继续维持阻容给定的单稳时间，而单稳是不理会在翻转后的触发信号的。此芯片也可做多谐振荡器用。

　　74HC123单稳态触发器。它有两种输入，A为低电平有效，B为高电平有效。有两种输出，正好相反。用外接的电阻电容作定时元件，时间自己定，比74LS电路易用。 单稳态触发器74HC123及外围电路来实现该功能。74HC123为双可重复触发的单稳态，其输出脉冲的宽度主要取决于定时电阻R与定时电容C，脉宽的计算为电容值与电阻值的乘积即：WP=R?C，在实际设计中R=5kW，C=80pF，输出脉宽为400ns、幅度约5V。脉冲快沿放大与射极跟随输出电路，主要作用是对整形与展宽后的触发脉冲进行加速和放大，以便得到有较高幅度和较快上升沿的脉冲信号去触发场效应管2SC3306。

　　2.7  LM358

　　LM358里面包括有两个高增益、独立的、内部频率补偿的双运放，适用于电压范围很宽的单电源，而且也适用于双电源工作方式，它的应用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运放的地方使用。

LM358引脚图及引脚功能

　　LM358封装有塑封8引线双列直插式和贴片式两种。

　　LM358的特点：

　　. 内部频率补偿

　　. 低输入偏流

　　. 低输入失调电压和失调电流

　　. 共模输入电压范围宽，包括接地

　　. 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围

　　. 直流电压增益高（约100dB）

　　. 单位增益频带宽（约1MHz）

　　. 电源电压范围宽：单电源（3-30V）；

　　. 双电源（±1.5 一±15V）

　　. 低功耗电流，适合于电池供电

　　. 输出电压摆幅大（0 至Vcc-1.5V）

　　三、 硬件电路安装及调试

　　在进行硬件安装的过程中，我们遇到了很多的问题。第一次使用电路板，对它内部的连接并不熟悉，从而出现了很多的错误。

　　首先是安装元件，把他们的位置摆放好。两两之间的关系在电路板上有一个好的体现，使人一目了然，而且要达到美观和线路连接简易，尽量用到最少的线，是它看起来不乱。

　　然后要做的就是分析电路图，在电路板上配线，用到的工具有各种钳子，镊子等。焊接，一般常用焊锡做焊料。它具有较好的流动性和附着性。在一定温度、湿度及振动冲击下有足够的机械强度。而且具有耐腐蚀性，使用方便等优点。

　　焊剂：作用是除去油污，防止焊件受热氧化，增强焊锡的流动性。

　　常用的电烙铁有外热式、内热式和速热式三种。一般功率不能过大，若选用的功率过大，不易掌握火候，很容易使元件过热而损坏。

　　焊点的质量直接关系到整块电路板能否正常工作，也是每个操作人员要学会并掌握的基本功。

　　焊接顺序及方法

　　先测量，作好记录、清洁、挂锡焊接、最后在检查测量。

　　焊接方法：

　　1、右手持电烙铁。左手用尖嘴钳或镊子夹持元件或导线。焊接前，电烙铁要充分预热。烙铁头刃面上要吃锡，及带上一定量焊锡。

　　2、将烙铁头刃面紧贴在焊点处。电烙铁与水平面大约成60度角。以便于熔化的锡从烙铁头上流到焊点上。烙铁头在焊点处停留的时间控制在2~3秒钟。

　　3、抬开烙铁头。左手仍持元件不动。待焊点处的锡冷却凝固后，才可松开左手。

　　4、用镊子转动引线，确认不松动，然后可用偏口钳剪去多余的引线。

　　待线路连接好了之后，进行调试。正确的现象是接通电源灯亮一会熄灭，将光敏电阻遮住，拍一下手，灯亮，过几秒之后灯灭。但在我们的设计过程中出现了错误：首先是线路有短路，没有测量好电路板的内部连接，接地线没有接到一起。