一种楼道声控照明系统的设计

2014-01-03孟召议

武汉船舶职业技术学院学报 2014年5期

孟召议

（商业职业技术学院，江苏无锡 214153）

能源资源是能源发展的基础；中国能源资源有以下特点：—是能源资源总量比较丰富；二是人均能源资源拥有量较低；三是能源资源赋存分布不均衡；四是能源资源开发难度较大。

能源匮乏是人类社会发展中面临的一个严重问题，目前世界上许多国家的政府都在制定政策，采取措施，鼓励人们改变高耗能的生活和生产方式，向节约型社会转变。楼道走廊照明中的电力资源浪费是生活中的常见问题，本文所设计的楼道声控照明系统能节约电能，避免浪费。

1 系统概述

本设计以单片机为核心，在有效的时间内，当声控电路接受到声音信号时，会传送一个信号给单片机，单片机输出信号点亮照明电路；当外界光照变弱达到设定值后，光敏传感器电路工作，传送信号给单片机，单片机同样输出信号点亮照明电路，系统设计框图如图1所示。

图1 系统设计框图

2 硬件电路

2.1 单片机AT89C52

AT89C52是51 系列单片机的一个型号，它是ATMEL 公司生产的一个低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可提供许多较复杂的系统控制应用场合。

AT89C52是51 系列单片机的一个型号，是一种带8K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，共有40 个引脚，32个外部双向输入／输出（I／O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线，引脚图见图2所示。

在本设计中，光控电路的输出连接到单片机的P2.3，声控电路的输出连接到单片机的P2.4，当单片机对信号处理后将P3.5 引脚有效，启动照明电路。

2.2 光控电路设计

2.2.1 光控电路工作原理

光控电路的作用是根据光照的强弱来决定是否启动声控电路，在此电路中光敏元件跟随光照的强度来改变其阻值，电路如图3所示，运算放大器LM324 处于非线性工作状态，其连接到单片机P2.3 的输出只能为高电平或低电平，为低电平时声控电路才可以工作。

图2 AT89C52引脚图

由图3可知，运放的3脚的电压为RP2的电压，可通过调节RP2给3脚一个合适的电压，2脚的电压为光敏电阻的电压；当有光照时，光敏电阻阻值会下降，使2脚电压下降并且小于3脚电压，LM324输出高电平，当无光照时，光敏电阻的阻值很大，光敏电阻上的电压也很大，即运放的2脚电压大于3脚电压，LM324输出低电平，此时为声控电路工作准备好条件，调节图中的滑动变阻器RP1，相当于改变声控的有效时间。

图3 光控电路

2.2.2 光敏电阻的工作原理

光敏电阻又称光导管，它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减少，电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级，亮电阻在几千欧以下。图4 为光敏电阻的原理结构。它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质，半导体的两端装有金属电极，金属电极与引出线端相连接，光敏电阻就通过引出线端接入电路。为了防止周围介质的影响，在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜，漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。

图4 光敏电阻的结构图

2.2.3 运算放大器LM324

LM324是四运放集成电路，它采用14 脚双列直插塑料封装，外形如图5所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。

图5 LM324的引脚图

由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用等特点而获得广泛应用。

在集成运放的非线性应用电路中，运放一般工作在开环或正反馈状态，而运放的增益很高，在非负反馈状态下，其线性区的工作状态是极不稳定的，因此集成运放的非线性应用电路主要工作在非线性区。当运放工作在非线性区时，若uP＞uN，输出为高电平UoH；若uP＜uN，输出为低电平UoL。

2.3 声控电路设计

2.3.1 声控电路工作原理

声控电路如图6所示，通过调节滑动变阻器RP3使LM324 的5 脚电压有一个合适的电压，电容起到“隔直通交”的作用，当驻极体传声器没有信号输入时，电路中的直流电不能通过电容，三极管基极没有电压，LM324的6脚电压也没有电压，所以LM324 的6 脚电压小于5 脚电压，LM324输出高电平；而当驻极体传声器接收到声音信号时，会输出一个交流信号使电容导通，从而使三极管的基极有电压输入，再经三极管放大后通过电容送到LM324的6脚，这时6脚电压会大于5脚电压，LM324输出低电平，运放的7 脚连接到单片机的P2.4脚。

图6 声控电路

2.3.2 驻极体话筒简介

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，应用非常广泛。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，因此，驻极体电容式话筒在工作时需要直流工作电压。

驻极体话筒与电路的接法有两种：源极输出与漏极输出。

漏极输出的驻极体话筒有两根引出线。漏极D 与电源正极间接一漏极电阻RD，信号由漏极D经电容C输出，源极S与编织线一起接地。漏极输出有电压增益，因而话筒灵敏度比源极输出时要高，但电路动态范围略小。

RS和RD 的大小要根据电源电压大小来决定。一般可在2.2～5.1k间选用。例如电源电压为4.5-6V 时，RS为4.7k，RD 为2.2k。

2.4 照明电路的设计

2.4.1 照明电路工作原理

照明电路如图8所示，当光控和声控电路有效，单片机输出一个低电平（P3.5）给光电耦合器，光电耦合器的1、2脚上的发光二极管会发光，这时会使3、4脚上的光电三极管导通，使三极管导通，这时使得继电器的常开触点闭合，灯泡电路闭合，灯泡发光，当P3.5 输出为高电平时，灯泡则不能点亮。

图7 漏极输出的驻极体话筒工作电路

图8 照明电路图

2.4.2 PC817光电耦合器和继电器

光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电-光-电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为光电二极管，受光器为光敏三极管。光电耦合器的种类较多，常见的有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、集成电路型等。光电耦合器的结构图如图9所示。

继电器是一种电子控制器件，由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。