声光控延时开关设计

Design of Acousto-optic Delay Control Switch and Sound-control Switch ABSTRACT: The application of ordinary acousto-optic delay switches is limited. Acousto-optic delay switches are combined with sound-control switches in this design. The circuit functions, circuit analysis unit, working principle of machine, Multisim simulation, production, circuit debugging and testing, data and analysis, circuit of the production process was introduced in this paper. Acousto-optic delay control and sound-control switches are suitable for installed and used in variety of places.

KEY WORDS：sound control; light control; delay; switch 摘要：普通的声光延时开关适用范围有限，本文将声光延时开关与声控开关进行有效的整合。本文从电路功能、单元电路分析、整机工作原理、制作、电路调试与检测、数据与分析等几个方面介绍了声光延时控制电路的制作过程。产品适合在多种场所安装和使用，适用范围广。 关键词：声控；光控；延时；开关

1 引言

根据国内外市场需求预测，照明电器行业的高速增长还将继续。与此同时，随着生活水平逐步提高，人们将对照明电器产品提出更高的要求。我国已成为世界照明电器产品的生产大国，但与发达国家相比在节约能源降低能耗方面却有着明显差距。对此方面的研究将成为我国乃至世界的主潮流[1]。

随着照明电器行业的高速发展，声光控灯在楼道照明领域已得到了广泛的应用。其工作原理是在满足了无光线且有声音的条件时开关方可启动并使灯泡点亮一段时间，无需人亲自手动打开和关闭电源开关。其优点是方便，同时避免了灯泡在无人的情况下常亮从而达到了节电的目的。但是单纯的声光延时开关适用范围较窄，无法满足多种公共场所的照明需求。本文设计了一种可以在两种模式下工作的声光延时控制开关。工作在声光延时模式下可以用在楼道照明等公共场所，工作在声光控制模式下可以应用到家庭、办公等场所。设计具有，电路新颖、安全节电、结构简单、适用范围广的优点。

2 工作原理

本文声光控延时及声控电路如图1所示。

图1 整机电路原理图 Fig. 1 Schematic diagram for complete system

2.1 声光延时模式

如图1所示，当开关S1的触点2与3导通时，工作在声光延时模式。

光敏电阻R6和R4分压后将光信号送入2脚。光敏电阻R6的阻值随着光照强度的变化而变化。当白天或夜晚光线较亮时，光照达到一定强度，R6阻值变小。与R4分压后使CD4011B的2号引脚为低电平，2号引脚所在的与非门输出始终为低电平，这时不管有没有声音信号，CD4011B的11号引脚始终为低电平，可控硅正相阻断，灯泡不亮。随着光照强度的减弱，R6阻值逐渐增大，2号引脚电位逐渐上升，当2号引脚上升到逻辑高电平后，满足了开门条件，3号引脚的翻转取决于1号引脚是否达到逻辑高电平，此时声控起作用。当环境声音信号达到一定强度时，驻极体麦克风将声音信号转换为电信号经过C1隔直耦合后送到TR1进行放大，放大后的信号经过C2隔直后送入CD4011B的1脚，此时3号引脚为低电平，4号引脚高电平，并经D3向C4充电，C4电压不断升高，当C4电压升到逻辑高电平时，10号引脚变为低电平，11号引脚输入高电平，可控硅被触发导通，灯泡变亮。声音信号消失后，4号引脚为低电平，由于D3的隔离作用，C4上的电压仍维持8、9号脚高电平，11号脚也为高电平。C4上充得的电压通过R7放电，直至C4上的电压降至逻辑低电平时， 11号脚变为低电平，可控硅V5在正、负极间的电压过零时被正向阻断，灯泡熄灭。CD4011B的8、9号引脚电位从高电平降低为低电平的时间，即为开关接通的维持时间，由C4和R7的数值确定[2]

。

2.2 声控开关模式

当开关S1的触点2与1连通时，工作在声控开关模式。

无声音信号时：CD4011B的1号引脚为低电平，低电压输入触发端CL后触发器不工作。Q

2

引脚原始状态为低电压不能触发可控硅，灯泡不亮。有声音信号时：CD4011B的1号引脚为高电平。脉冲信号输入触发端CL后，触发器将 D 端高电平送入触发器，触发器翻转，Q端输出高电压并一直保持，经过10电阻生成电流信号，触发可控硅灯泡亮。当再有声音信号时，1号引脚输出脉冲信号。脉冲信号输入出发端CL后，触发器将D端低电平送入触发器，触发器翻转，Q端输出低电平，可控硅关断，灯泡灭。

3 器件选型

根据声光延时控制电路的工作过程可以将该电路分解为电源电路、声控电路、光控电路、延时电路、逻辑转换电路五个单元电路。 3.1 电源电路设计

电源电路如图2所示，一般是由整流、降压、滤波、稳压电路组成。 图2 电源电路原理图 Fig. 2 Schematic diagram for power circuit

电容降压电路与二极管D1将市电转变成脉动的直流电，再经过电容C3、R9滤波得到直流电，然后通过稳压二极管D2得到一个电压稳定在12 V的直流电[3]。

电路计算参数如下：

因控制回路采用VCC=12V直流电源，选用12V稳压管1N4742A，测试电流为21mA。

由于后级的负载电阻RL大约为1.5KΩ，

IIIVCCC5D2IRLD2RL (1)21mA12V

1.5k29mAC5在电路中的容抗Xc为：

XC1（/2fC) (2)

流过电容器C5的充电电流（Ic）为：

I市电CUX (3)

C由以上两式得C5≈0.478 F,电路取C5=1 F。电容的耐压一般要求大于输入电源电压的峰值﹐在220V,50Hz的交流电路中时﹐可以选择耐压为400伏以上的涤纶电容或纸介质电容。电阻R8主要作用是不工作时，把电容的残余电量释放，一般470K-2M欧姆，本电路取470K[4]。 3.2 声控电路设计

声控电路如图3所示，由驻极体麦克风、电

阻R1、R2、R3，三极管TR1、电容C1、C2组成如图所示。驻极体麦克风将声音信号转化为微弱的电信号，微弱的电信号经C1滤波后导入由三极管TR1组成的共射放大器进行放大，放大后的电信号经C2隔直后输出。

声控电路参数计算如下： 静态时，

IVCC0.7VBQ(1)R3R2 (4)

ICQIBQ (5) UCEQVA(1)IBQR3 (6)

假设三极管的100，根据图中参数可知TR1，工作在饱和区[5]。动态时，如果环境的声音信号很弱，三极管TR1仍处于饱和状态，a点为低电平。当环境声音信号达到一定强度时，通过MIC拾音输出经C3耦合到TR1的基极，使集电极亦即a点电位随着声强而高低变化，当声音达到一定强度时，B点输出高电平。

C1、C2都是起隔直作用，C1为防止信号衰减，取值要尽量大些，取1F。C2为防止震荡并快速充电形成高电平，取值要尽量小些，取0.01F。R5取4M电阻，在三极管关断时形成高电位。

图3 声音放大电路

Fig. 3 Sound amplification circuit

3.3 光控电路设计

光控制电路如图4所示，由电阻R4和光敏电阻R6组成。电路选用光敏电阻5516，其参数如表1所示。

表1 光敏电阻5516参数

Tab.1 Parameter of photoresistors 5516

参数名称 典型值 单位 最大电压 150 VDC 最大功耗 90 mW 环境温度 -30～+70 ℃ 亮电阻 5～10 k 暗电阻

0.5

M

光控电路参数计算如下：

R412URR6 (7) 6UR6R12VR6UR64R6U0.7 MΩ (8) R6

白天光照较强时，光敏电阻R6的阻值较低（约为5KΩ），这时它和R4（0.7MΩ)的阻值相比较，R4远大于R6，R6上分的电压基本上为0 V，此时b点输出电压为0 V（低电平）。晚上光线较暗时，光敏电阻R6的阻值变大（约为0.5M），R4、R6串联对12 V电压进行分压，此时b点输出电压为5 V（高电位）。只有在晚上且有声音时灯才会亮，其他情况下灯泡都不会亮。

图4 光控电路

Fig. 4 Light amplification circuit

3.4 延时电路

延时电路如图5所示，由D3、C4、R7组成。刚接通的瞬间UC4=0，如果VD=0时，D3截止，由于CMOS与非门的输入电流近似为0，所以UC4=0；当D点为高电平时，D3导通，VD通过D3给C4充电，充电时间常数，由τ充RD3C4于D3导通时RD30，所以C4瞬间充电结束，即CD4011B的8、9号引脚均为高电平。此时即使高电平消失，由于电容两端电压不能突变，UC4随着C4的放电(C4通过R7放电)缓慢下降，放电时间常数为放R7C4，C4放电使UC4下降至VTH所需的时间就是白炽灯亮的时间，由0．7放估算。根据图中R7的阻值为2M，C4为10μF，可知灯亮的时间约为

t0.70.72放0.7R7C4 MΩ10 μF14 s (9) 所以电路延迟时间为14s，改变R7和C4时，可以调整灯亮的时间[6]

。

图5 延时电路 Fig. 5 Time delay circuit

3.5 逻辑转换电路设计

逻辑转换电路如图6所示，主要由四输入与非门CD4011BE与双上升沿D触发器CD4013BE构成。这两款主控芯片为COMS类型，这种类型集成电路的电源电压范围为3～18V。为了方便电灯控制，选用如图所示的单向可控硅作为负载（灯

泡）的控制开关，且用于交流电路[7]

。

MCR处于截止状态，这是MCR两端电压峰值可达310V（2220V），该电压经过阻容降压限流，加在稳压二极管D2并经过C3滤波，产

3

生直流电压，供其他电路使用。输出电压由稳压二极管D2的值决定；由于是并联稳压，其输出电流取决于稳压管的工作电流、可控硅两端的电压以及R的值。之所以延时控制电路选择CD4011与CD4013，是因为其静态功耗非常低，+15V供电时，只有1μA；同时，电路选择触发电流非常小的可控硅，如MCR-8，触发电流仅为200mA，耐压600V。

MCR导通。其阳极对阴极相当于一个二极管，压降为0.7V左右。当触发信号下降到工作延时电路不能触发可控硅工作时，MCR在交流电半

个周期过零时截止[8]

。 图6 控制电路原理图

Fig. 6 Schematic diagram for control circuit

4 实验研究

4.1 电路仿真

根据整机电路图绘制仿真电路，如图7所示。绘制好仿真电路后打开电路仿真的电源开关，通

过调节电路图中的开关来进行仿真。实验证明，

仿真电路在两种模式下均能实现电路的功能。

图7 仿真电路图

Fig. 7 Simulation Circuit 4.2 实物制作

根据电路原理图1，焊接电路板如图8所示。焊接好电路板后进行调试。

4

图8 开关电路板 Fig. 8 Switch circuit board

图9 开关外形

Fig. 9 Switch Shape

4.3数据与分析

图1所示电路中各关键点在不同工作状态下所测数据如表1所示。

表2 测试数据

Tab.2 Test data

电路工作状态

测试点

c

d

a b e f g h 灯灭无声

234.4 11.5

0

0 0 0 0 0 白天

灯灭有声 234.4 11.5 3.2 0 0 0 0.7 0 灯亮无声 234.4 3.2

0

0 0 0 0.7 0 灯亮有声 234.4 3.2 1.7 0 0 0 0 0 灯灭无声

234.4 11.5

0

10.6

0

0

0

0

夜晚 灯灭有声

234.4 11.5 3.2 10.6 3.2 3.2 0.7 3.2

灯亮延时某瞬间 234.4 3.2 0 0 0 1.3 0.7 1.3 灯亮无声 234.4 3.2

0

0 0 0 0.7 0 灯亮有声

234.4 3.2 1.7

0

0

0

0

0

由上述测试数据分析可知图1电路完全能够实现声控模式下无论光线强弱都能控制开关；声光延时模式下只有在光线较弱，有声音时灯亮并延时约14s的控制要求。

5 结论

本设计是“声光延时及声控开关”。这是一种声音和光照双控制的照明开关，可以用于楼梯、过道、库房，家庭、办公室等场所。延时模式下若光照好，不管周围环境如何嘈杂，都不会触发开关使灯泡发亮。与此相反，在光线较暗或无光照的环境下，麦克风只要检测到有碎发声音，就会自动照明，延时一定时间后便会自动熄灭。声控模式下不论光线强弱，有声音即亮，再有声音即灭。设计具有电路新颖、安全节电、结构简单、适用范围广的优点。

参考文献

[1] 康树林．声光控延时开关性能分析[J]．科技资

讯．2009：:31．

[2] 董茜．电灯延时开关设计原理[J]．电子技术．2008：

35-37．

[3] 徐福成，王亚新．简单实用的半波声控开关[J]．电子

制作，1995-08-15．

[4] 电子文献：华为．电容降压式电源．http://cxjr.21ic.org [5] 康光华，陈大钦，张林．模拟电子技术．北京：高等

教育出版社，2006：101-185．

[6] 王晓静．声光控延时控制电路的制作[J]．电子测

试．2009-4：90-94．

[7] 康华光．电子技术基础数字部分（第五版）[M]．北

京：高等教育出版社，2005

[8] 王兆安，黄俊．电力电子技术．北京：机械工业出版

社，2010：8-97．