基于震动开关及JK触发器的小夜灯电路设计

陈思

摘  要：震动开关是一种机械式传感器，常用于检测物体是否因为受到外力而发生倾斜、震动的情况。JK触发器是数字电子技术中用于时序逻辑电路设计的经典芯片。在实际生活中，很多群体需要智能的小夜灯来进行照明。文章将时序逻辑电路设计的理论知识应用到解决实际生活问题的电路设计中，阐述了一种基于震动开关及JK触发器的小夜灯电路的设计，通过震动小夜灯来实现开启、关闭夜灯，及切换强、中、弱光挡位。

关键词：震动开关;JK触发器;小夜灯

中图分类号：TM923        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）21-0099-02

Abstract： Vibration switch is a kind of mechanical sensor， which is often used to detect whether objects tilt or vibrate due to external force. JK flip-flop is a classic chip used in the design of sequential logic circuit in digital electronic technology. In real life， many groups need intelligent night lights for lighting. In this paper， the theoretical knowledge of time sequence logic is applied to the circuit design of solving practical life problems. The design of a small night light circuit based on the vibration switch and JK flip-flop is described， which can turn on and off the night light by vibrating the night light， and switch between strong， medium and weak light blocks.

Keywords： vibration switch; JK Flip-flop; small night light

前言

夜里醒来处于半睡眠状态， 摸黑开灯比较不方便。[1]特别是在有婴幼儿的家庭里，夜里经常要起床冲牛奶、换尿裤给小孩，特别需要一个操作方便的小夜灯。孕妇摸黑起床活动，也是有一定危险的。[2]不同视力的人群，需要不同挡位的弱光照明。[3]本文设计一个通过震动感应来实现开启、关闭、调节亮度的小夜灯。只要把夜灯放在床上，不需要摸黑去寻找夜灯，不需要知道夜灯的具体位置，通过肢体敲打床使夜灯感应到震动，即可实现夜灯的控制。 智能小夜灯给人们的生活带来了很大的方便，具有良好的使用价值和市场前景。[4-5]

1 SW-420震动传感器的简介

SW-420震动传感器如图1所示，是由金属材料和塑料管制造，是属于单滚轴型滚珠开关，具有不受外来声音和光线干扰的特点，可以感应不同方向的震动及倾斜。当无震动或倾斜时，传感器内部为开路状态，处于稳态;当有震动或倾斜时，导电电阻随着外力的震动力度大小而变化，从而改变外部电路的参数。本传感器适用于小功率电路的检测，工作电流小于10mA，工作电压小于48V，工作环境温度小于105摄氏度。

2 整体设计

本设计主要包括震动传感器电路设计、时序逻辑控制电路设计、LED驱动电路设计及供电电源电路设计四个部分，如图2所示。本设计涉及的小夜灯，功耗比较小，供电电源使用3节7号的干电池串联供电;震动传感器电路设计部分，应用了灵敏度高、成本低的SW-420传感器来感应外界的震动;时序逻辑控制电路使用了经典的时序逻辑控制芯片JK触发器;在LED驱动电路设计中，考虑到供电电源电压在4.5V左右，每路照明电路使用两个LED串联，并使用小电感来保护LED。

3 电路设计

电路原理图如图3所示，由于SW-420震动传感器是一个机械传感器，在没有受到震动时相当于一断开的开关，在受到一定力度的震动时相当于一个闭合的开关，所以在绘制电路原理图的时候使用一个按钮开关SW来代替SW-420震动传感器。震动传感器与上拉电阻R3串联，在没有受到震动时，JK触发器A的CLK引脚的电位为高电平;在受到一定力度的震动时，CLK引脚得到低电平，由于SW-420震动传感器受到震动而使电路产生下降沿信号触发了JK触发器。

在LED驱动电路中，Q1三极管的基极串联了电阻R1，通过控制基极电流来控制D1、D2的工作电流;Q2三极管的基极串联了电阻R3，通过控制基极电流来控制D3、D4的工作电流。弱挡照明时，Q2截止而Q1工作在放大状态，只有D1和D2亮;中挡照明时，Q1截止而Q2工作在放大状态，只有D3和D4亮;强挡照明时，Q1和Q2都工作在放大狀态，四个LED都亮。电路各元件的工作状态分析如表1所示。LED驱动电路中的小电感防止电流发生突变，用于保护LED。

在逻辑控制电路中，选用了两个JK触发器来搭建时序逻辑控制电路。根据表1列出时序逻辑电路的状态转换真值表如表2所示。由状态转换真值表得到状态方程，再对比JK触发器的特征方程公式，设计了时序逻辑电路。

4 电路仿真

仿真电路如图4所示，使用Proteus软件对电路进行了仿真及调试，在两个三极管的基极和集电极添加了电流探针，用于测量基极和集电极的电流。如果通过LED的电流不符合LED的工作电流要求，需要调整电阻R1和R2的参数。从仿真结果来看，三极管Q1和Q2导通后，集电极电流分别是11.1mA和16.5mA左右，符合LED工作电流的要求。如果需要使弱挡照明和中挡照明的亮度差别更大一些，可以适当地增大电阻R1的电阻值，减小R2的电阻值。将电阻R1的电阻值增大至47K，将R2的电阻值减小至15K，仿真效果如图5所示，D1、D2的工作电流约为7.8mA，D3、D4的工作电流约为24mA，弱挡照明和中挡照明的亮度差别明显增大。

5 结束语

在实际生活中，智能小夜灯能给老人、小孩、孕妇等群体的生活带来很多方便，有一定的使用价值和市场需求。基于震动开关及JK触发器的小夜灯电路具有成本低，电路简单的特点，有一定的研究意义。

参考文献：

[1]陈余，王璇.家居智能小夜灯的设计[J].科技信息，2010（29）：734+738.

[2]龙涛元，庄武良，何观钰.一种新颖的小功率夜灯设计[J].电子世界，2019（10）：173-174.

[3]王仲夏，陈伟.基于单片机的智能小夜灯[J].电脑知识与技术，2019，15（05）：248-250.

[4]王富强，王丽娟，杨越，等.多功能小夜灯的设计[J].山西电子技术，2018（01）：18-19+24.

[5]张联.基于MCS-51单片机的小夜灯设计[J].职业技术，2017，16（09）：123-124.