客厅照明自动控制电路设计

摘要介绍一种采用分类元件来组成的客厅照明自动控制电路，该照明自动控制电路要求，天黑时，主人下班归来开门后，客厅灯自动点亮，关门后，在2分钟以内，主人可以打开墙上的电灯开关开灯照明。若主人没有开此灯，灯亮2分钟后又能自动关闭。其主要元器件有：555定时器、热释电元件电路或磁控继电器、光控电路、强弱电结合电路、点灯控制电路、交直流电源供给电路。关键词:555定时器热释电元件电路或磁控继电器光控电路强弱电结合电路点灯控制电路交直流电源供给电路。目录1引言.22555定时器的应用.221单稳态触发器.221.1暂稳态时间的求取：.321.2几点需要注意的问题：.32.2多谐振荡器.42.3施密特触发器.52.4压控振荡器.63热释电元件.73.1热释电效应.73.2被动式热释电红外传感器的工作原理与特性.83.3被动式热释电红外探头的优缺点.83.4热释电红外探头处理芯片原理及应用.84光控电路.94.1介绍.94.2光控电路的元器件与作用.104.3光控电路的原理图.115延时电路.116客厅照明自动控制电路图.127电路工作原理.13结论.14致谢.15参考文献.16第0页共18页1引言随着科技的发展和人民生活水平的提高，人们对家庭的照明系统提出了新的要求，它不仅要控制照明光源的发光时间、亮度，而且与家居子系统来配合不同的应用场合做出相应的灯光场景，而且还要考虑到管理智能化和操作简单化以及灵活性来适应未来照明布局和控制方式变更等要求。客厅照明智能化是今后几年的主要方向,以下是我对客厅照明电路的基本特点,电路的工作原理及所涉及元件的进一步阐述。第1页共18页2555定时器的应用2.1单稳态触发器555定时器构成单稳态触发器如图1所示，该电路的触发信号在2脚输入，R是外接定时电路。单稳态电路的工作波形如图2所示。在未加入触发信号时，因ui=H，所以uo=L。当加入触发信号时，ui=L，所以uo=H，7脚内部的放电管关断，电源经电阻R向电容C充电，uC按指数规律上升。当uC上升到2VCC/3时，相当输入是高电平，555定时器的输出uo=L。同时7脚内部的放电管饱和导通是时，电阻很小，电容C经放电管迅速放电。从加入触发信号开始，到电容上的电压充到2VCC/3为止，单稳态触发器完成了一个工作周期。输出脉冲高电平的宽度称为暂稳态时间，用tW表示。图1单稳态触发器电路图图2单稳态触发器的波形图2.1.1暂稳态时间的求取：暂稳态时间的求取可以通过过渡过程公式，根据图2可以用电容器C上的电压曲线确定三要素，初始值为uc(0)=0V，无穷大值uc()=VCC，=RC，设暂稳态的时间为tw，当t=tw时，uc(tw)=2VCC/3时。代入过渡过程公式第2页共18页21.2几点需要注意的问题：这里有三点需要注意，一是触发输入信号的逻辑电平，在无触发时是高电平，必须大于2VCC/3，低电平必须小于VCC/3，否则触发无效。二是触发信号的低电平宽度要窄，其低电平的宽度应小于单稳暂稳的时间。否则当暂稳时间结束时，触发信号依然存在，输出与输入反相。此时单稳态触发器成为一个反相器。三是R的取值不能太小，若R太小，当放电管导通时，灌入放电管的电流太大，会损坏放电管。图3是555定时器单稳态触发器的示波器波形图，从图中可以看出触发脉冲的低电平和高电平的位置，波形图右侧的一个小箭头为0电位。图3555定时器单稳态触发器的示波器波形图2.2多谐振荡器555定时器构成多谐振荡器的电路如图4所示，其工作波形如图5所示。与单稳态触发器比较，它是利用电容器的充放电来代替外加触发信号，所以，电容器上的电压信号应该在两个阈值之间按指数规律转换。充电回路是RA、RB和C，此时相当输入是低电平，输出是高电平；当电容器充电达到2VCC/3时，即输入达到高电平时，电路的状态发生翻转，输出为低电平，电容器开始放电。当电容器放电达到2VCC/3时，电路的状态又开始翻转。如此不断循环。电容器之所以能够放电，是由于有放电端7脚的作用，因7脚的状态与输出端一致，7脚为低电平电容器即放电。第3页共18页图4多谐振荡器电路图图5多谐振荡器的波形图震荡周期的确定：根据uc(t)的波形图可以确定振荡周期，T=T1+T2先求T1，T1对应充电，时间常数1=(RA+RB)C，初始值为uc(0)=VCC/3，无穷大值uc()=VCC，当t=T1时，uc(T1)=2VCC/3，代入过渡过程公式，可得T1=ln2(RA+RB)C0.7(RA+RB)C求T2，T2对应放电，时间常数2=RBC，初始值为uc(0)=2VCC/3，无穷大值uc()=0,t=T2时，uc(T2)=VCC/3，代入过渡过程公式，可得T2=ln2RBC0.7RBC振荡周期T=T1+T2=0.693(RA+2RB)C振荡频率占空比图6是555定时器多谐振荡器的示波器波形图，多谐振荡器的供电电压为5V。图中上面的波形是输出波形，幅度382.5mV，示波器探头有10倍衰减，实际幅度是3.8V；下面的一个是定时电容器上的波形，图中显示充放电波形的峰峰值是1.625V，波谷距零线的距离大约也是1.61.7V，正好是555定时器的二个阈值的数值。图6555定时器多谐振荡器的示波器波形图占空比可调的多谐振荡器：对于图4所示的多谐振荡器，因T1T2，它的占空比大于50%，要想使占空比可调，应如何办？当然应该从能调节充、放电通路上想办法。图7是一种占空比可调的电路方案，该电路因加入了二极管，使电容器的充电和放电回路不同，可以调节电位器使充、放电时间常数相同。如果调节电位器使RA=RB，可以获得50%的占空比。不难看懂该电路的充、放电通路以及充、放电时间常数的大小。第4页共18页图7占空比可调的多谐振荡器2.3施密特触发器555定时器构成施密特触发器的电路图如图8所示，波形图如图9所示。施密特触发器的工作原理和多谐振荡器基本一致，无原则不同。只不过多谐振荡器是靠电容器的充放电去控制电路状态的翻转，而施密特触发器是靠外加电压信号去控制电路状态的翻转。所以，在施密特触发器中，外加信号的高电平必须大于2VCC/3，低电平必须小于VCC/3，否则电路不能翻转。图8施密特触发器电路图图9施密特触发器的波形图由于施密特触发器采用外加信号，所以放电端7脚就空闲了出来。利用7脚加上上拉电阻，就可以获得一个与输出端3脚一样的输出波形。如果上拉电阻接的电源电压不同，7脚输出的高电平与3脚输出的高电平在数值上会有所不同。施密特触发器的主要用于对输入波形的整形。图10表示的是将三角波整形为方波,其它形状的输入波形也可以整形为方波.。在放电端7脚加一个上拉电阻，接10V电源，可以获得一个高、低电平与3脚输出不同，但波形的高、低电平宽度完全一样的第二个输出波形，这个波形可以用于不同逻辑电平的转换。当输入信号的幅度太小时，施密特触发器将不能工作。第5页共18页图10施密特触发器的示波器波形图2.4压控振荡器一般的振荡器改变振荡频率，是通过改变谐振回路或选频网络的参数实现的。压控振荡器是通过改变一个控制电压来实现对振荡器频率的改变，因此压控振荡器特别适合用于控制电路之中。利用555定时器的5脚，可以方便实现这一功能。由于555定时器是一种低价格通用型的电路，其压控非线性较大，性能较差，只能满足一般技术水平的需要。如果需要高的性能指标，可采用专用的压控振荡器芯片，555定时器构成的压控振荡器如图11所示，波形图如图12所示。555定时器做压控振荡器，其工作原理与多谐振荡器无本质不同。在压控振荡器中，实质上是通过5脚加入一个控制电压u5，u5的加入使555定时器的阈值随之改变，从而可以改变多谐振荡器的振荡频率。为了使u5的控制作用明显，u5应是一个低阻的信号源。因为555定时器内部的阈值是由三个5kW的电阻分压取得，u5的内阻大或串入较大的电阻，压控作用均不明显。图11压控振荡器电路图图12压控振荡器波形图第6页共18页3热释电元件3.1热释电效应当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度，下图表示了热释电效应形成的原理。易受射频辐射的干扰；环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵；被动红外探测器的主要检测的运动方向为横向运动方向，对径向方向运动的物体检测能力比较差。能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电元件，其常用的材料有单晶(LiTaO3等)、压电陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等）2菲涅耳透镜（图3）根据菲涅耳原理制成，把红外光线分成可见区和盲区，同时又有聚焦的作用，使热释电人体红外传感器(PIR)灵敏度大大增加。菲涅耳透镜折射式和反射式两种形式，其作用一是聚焦作用，将热释的红外信号折射（反射）在PIR上；二是将检测区内分为若干个明区和暗区，使进入检测区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号，这样PIR就能产生变化电信号。如果我们在热电元件接上适当的电阻，当元件受热时，电阻上就有电流流过，在两端得到电压信号。3.2被动式热释电红外传感器的工作原理与特性在自然界，任何高于绝对温度（-273K）的物体都将产生红外光谱，不同温度的物体释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低是相关的，而且辐射能量的大小与物体表面温度有关。人体都有恒定的体温，一般在37C左右，会发出10mm左右特定波长的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的红外线而进行工作的。红外线通过菲涅耳滤光片增强后聚集到热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后经检测处理后就能产生报警信号。被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元件，而且制成的两个电极化方向正好相反（如图2侧视图C），环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出3。第7页共18页3.3被动式热释电红外探头的优缺点不同于主动式红外传感器，被动红外传感器本身不发任何类型的辐射，隐蔽性好，器件功耗很小，价格低廉。但是，被动式热释电传感器也有缺点，如：信号幅度小，容易受各种热源、光源干扰；被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收；3.4热释电红外探头处理芯片原理及应用虽然被动式热释电红外探头有些缺点，但是利用特殊信号处理方法后，仍然使它在某些领域具有广阔的应用前景。因此，有很多生产商根据PIR传感器的特性设计了专用信号处理器，比如HOLTEKHT716X、PTIPT8A26XXP、WELTRENDWT8072,BISS0001。本文对PTI（百利通电子有限公司）专用芯片PT8A26XXP作一个应用实例的介绍。图4阴影部分是PIR信号处理部分，有两个运算放大器、一个窗口比较器、一个稳压器、一个系统振荡器和一个逻辑控制器。其它是依赖处理结果的控制部分，这里重点介绍PIR信号处理部分，控制部分就简单略过。第8页共18页4光控电路4.1介绍光控电路有着广泛的应用。比如城市中的路灯或楼道照明灯一般都是由人工操作的，如果采用光控电路，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，更有效地节约能源。我们介绍的这个电路虽然简单，但也可以利用电路中继电器的常开接点作开关来控制一个小灯，当光线变暗时小灯会自动点亮。如果你有兴趣也可以用它来控制讯响器、小电动机等。光电二极管、光电三极管是电子电路中广泛采用的光敏器件。光电二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，实现光电转换。光电三极管除具有光电转换的功能外，还具有放大功能。光电三极管因输入信号为光信号，所以通常只有集电极和发射极两个引脚线。同光电二极管一样，光电三极管外壳也有一个透明窗口，以接收光线照射。光电二极管与光电三极管外壳形状基本相同，其判定方法如下：遮住窗口，选用万用表R*1K挡，测两管脚引线间正、反向电阻，均为无穷大的为光电三极管。正、反向阻值一大一小者为光电二极管。4.2光控电路的元器件与作用电源：提供电能注意、极的接线；开关：控制电路的通路或断路；印刷电路板：语言芯片、控制扬声器的发音；扬声器：把电信号转换为声音；电阻：改变电流的大小；可变电阻：阻值可以变化，用来调节光线的明暗或声音的大小；瓷介电容：通交流断直流；电解电容：有、极不能接错；三极管：把电信号放大；光电二极管：把光照强弱变化变成电信号。光敏电阻器：又叫光导管，是常用的光敏器件之一，光敏电阻器是由半导体材料制成的，常见的光敏电阻器是用硫化镉（cds）材料制成的。光敏电阻器的工作原理：光敏电阻器的工作原理是光电导效应，当半导体材料受到光的照射时，如果入射光子能量大于半导体的禁止带宽，则半导体内载流子数目增多，改变了半导体的电导率，从而使半导体的电阻减少，这种物理现象就是光电导效应。光敏电阻器在无光照时阻值很大，由于光敏电阻器的阻值太大，流过电路的电流很小，当有光照射时，光敏电阻器的阻值变小，电路中的电流增大，利用电路中电路中电流变化值，便可得知照射光线的强弱。第9页共18页第10页共18页5延时电路电路如下图所示。工作时，按下S1、S2后，整流电源对C2充电，C2两端的电压迅速达到电源电压值。同时，电源经R为V1、V2组成的复合管提供基极偏流，使复合管导通，继电器K吸合，其触点K11闭合与S1一起为电器RL提供交流电源，S1、S2松开时RL仍能正常工作；但S1、S2松开后，电容C2经R、复合管放电，使复合管保持导通状态，以维持RL的正常工作；随着时间的延迟，C2上的电压不足以维持复合管的导通，K便释放，电器RL上的电源就被自动切断，从而达到了自动关机的目的。延时时间的长短由C2和R的时间常数决定，改变C2或R的数值可以改变延时时间的长短（按图中数值延时约7分钟），加大C2或R的数值，延时时间变长，反之时间变短。本电路制作简单，元器件无特殊要求，安装无误后调试好RC的时间常数即可正常工作。第11页共18页6客厅照明自动控制电路EL为室内门灯，S是它的电源开关，合上S灯EL点亮，此时自动开关部分不起作用，当打开S，灯熄灭，同时电路具备了门控自动开关的功能，自动开关部分的电源由VD1-VD4，VS与VT等组成，当晶闸管VT处于关断态时，220V交流电经过门灯EL，VD1-VD4整流，R2降压限流，VS稳压和电容C1滤波，在电容C1两端可获得约6V直流电压供整机用电，此时流经EL的电流极微，仅2mA左右，所以灯不会被点亮，555时基电路接成典型的单稳态触发器，平时触发器处于稳态，其输出端3脚输出低电平，电阻R1与R3组成分压器向净闸管VT门极供给正向电压，因R1阻值远大于R3，故VT门极处于低电平，VT关断，灯不亮。磁铁固定在门上，K则安装在门框上，当房门关上时磁铁正好对准干簧管K，因而使干簧管里两触点磁化吸合，555时基电路的2脚为高电平，触发器处于稳定态，若晚上回家开门，因为磁铁离开干簧管，故干簧管里两触点因自身弹性复位跳开，因RP阻值远小于光敏电阻器RL，使555时基电路的2脚获得一负脉冲出发电平（小于1/3VDD）555时基电路翻转进入暂态，电路复位，3脚输出高电平，故将电阻R3的各断电位抬高，R1与R3分压点即VT的门极电位升高，VT即被触发导通，因此就有正常的电流流经灯泡EL（经VD1-VD4，VT和VS构成回路），门灯就被点亮发光，在VT导通期间，降压电阻R2就不再起作用，因有电流直接流经VT与VS，VS两端就会产生6V左右的降压并经C1滤波供整机用电，主人进屋后随手关上门，这时干簧管里触点又会被磁化吸合，555时基电路2脚恢复高电平，但电路仍处于暂态，电灯仍然点亮，此时正电源经R4向电容C4充电，当经过2分钟后，因555时基电路的6脚电位上升到2/3VDD，故电路复位，暂态结束，3脚恢复低电平，VT失去应有的触发电压，当交流电过零时即关断，灯EL熄灭，电路恢复到原来的静止状态。第12页共18页结论通过这几个月的努力终于完成了“客厅照明自动控制电路的设计”。电路的要求是：天黑时，主人下班归来开门后，客厅灯自动点亮，关门后，在2分钟以内，主人可以打开墙上的电灯开关开灯照明。若主人没有开此灯，灯亮2分钟后又能自动关闭。这样的照明灯是非常适用于我们的日常生活中的，很多地方都能用到。在制作这个课题时也遇到过很多的困难，比如在选择定时