智能紅外聲控走廊燈控制系統的設計

李慧元　孫珂（等）

【摘 要】本文設計了一種利用光控元件、聲控元件和紅外感應相結合控制的樓道走廊空間的智能紅外燈光開關系統，實現了在光線充足的條件下保持走廊燈不觸發狀態，而當達到設定的光線暗淡的條件時由聲光控和紅外感應同時觸發使燈亮。這種控制系統的核心在于通過電路設置實現聲控、光控和紅外感應三者的有機結合和協調作用，其中包括聲波放大系統、小型駐極體電容話筒和延時電路等基本模塊要素。在信號接收和傳導過程中，聲控和光控電路將接收到的信號轉化為電流信號，電路系統對接收到的信號進行及時處理，并由繼電器實現電路的切斷與啟動，從而實現相應的燈光控制。

【關鍵詞】紅外感應；聲控；智能化；走廊燈；節能

0 引言

當今時代的主題之一就是低碳、節能和環保，從目前我國的社會現狀來看，盡管人們已經具有了一定的節能意識，但是技術手段和步伐并未同步跟進，很多公共場所的照明燈、走廊燈處于無人看管狀態，導致了電能過度消耗和浪費，而已經采用的部分聲控裝置和光控裝置本身也存在著很多的弊端，智能控制程度不高，難以實現燈光照明的啟動與人同步，因此如何從聲控和紅外感應的雙重角度出發，對現有的燈光控制和電路系統進行改進，是我們目前需要開展的一項重要技術工作。本文所設計的走廊燈一方面要提高靈敏度、加強對人的感應程度，即實現技術設計與人的活動更緊密的結合，提高便利性和實用性；另一方面要盡量使電路設計簡單易行，降低成本，且同時降低反復啟動聲音控制系統的噪音污染。主要實現當走廊內遠距離有人出現的時候，聲音控制短時啟動，而當人體進入走廊內部的時候，紅外感應系統開始發揮作用，從而避免走廊內反復發出聲音時燈光重復啟動，更好地提高聲控感應系統的人性化、智能化程度。

本文第一部分介紹了紅外聲控電路中的基本元器件及其功能，第二部分詳細闡述了紅外聲控電路系統的電路設計和工作原理，第三部分對電路系統的物理實現、注意事項和出現問題的應對措施進行了介紹，并具體分析了這種聲光控電路開關的實用性。

1 系統基本組成結構及原理

1.1 紅外感應系統的結構與原理

1.1.1 光敏電阻的原理與功能

光敏電阻能夠在光照變化的條件下發生電阻值的改變，與光線的強弱呈反比關系。光敏電阻器在電路中的應用，能夠使電路有效地感應外界的亮度。

1.1.2 紅外被動感應的作用原理

在紅外感應元件中，探測到溫度的變化會引起內部電流發生相應改變。當人體處在紅外探測區域覆蓋的范圍時，人體熱輻射會被光能裝置感應，并將這種探測溫度變化為電流，使得電路系統能夠及時地啟動。在電路設計中，我們希望實現人體進入感應區域即自動啟動，并持續保持電路連接，而人體離開以后，開關經延時后自動關閉。

紅外熱傳感器原理如圖1所示：兩個探測元可以放置在走廊的兩個方向上，不論人從哪個方向走近走廊都可以被感知。D、G極間要接12V的外接電源，S端為感應信號輸出端。

圖1 紅外熱傳感器原理圖

1.2 聲控系統的結構與作用

燈光的聲控系統是利用聲音產生的振動觸發聲控系統中的感應裝置，并且在放大電流信號的基礎上實現對燈光開關的控制。駐極體話筒在聲控系統中具有最普遍的應用，它的優勢在于制作簡單、體積小、性能穩定等。駐極體話筒由兩個極面構成，其中一面是單向金屬薄片，另外一面是設計有一些孔洞的背電極面，兩個極面之間有一定的距離，使兩極之間形成了電容結構。當有聲音產生時，聲波就會帶動極面產生振動從而改變兩極面之間的距離，電容隨之改變，通過電流信號的變化和輸出，實現了從聲音的接收到電流的整體過程。

1.3 信號延時系統的設計與意義

信號延時系統的目的在于延長觸發信號持續時間。在信號延時工作系統中，RC延時回路是核心部件，其作用在于當它受到光、聲音等轉換來的電流脈沖作用時，不會立刻發生狀態的轉換。

1.4 信號綜合處理的協調配置結構

從紅外聲光控燈的整體系統來看，要實現我們所提出的設計目標，就必須合理地配置聲控裝置與紅外光感應裝置，我們可以采用層級結構對這一系統進行描述，形成一個接收——反應——輸出的完整電路鏈條。系統整體作用效果如圖2所示。

圖2 系統整體作用效果圖

2 系統具體電路設計及工作原理

2.1 系統電路控制邏輯原理圖

如圖3所示，設定A代表光控信號，有光照時邏輯A=0，無光照時A=1；B代表聲控信號，有適當大小聲音時B=0，無有效聲音時B=1；C1和 C2代表接收到的紅外感應信號，有紅外感應信號時C1=1或C2=1；Y表示輸出信號，走廊燈亮時Y=1，走廊燈不亮時Y=0。

圖3 電路控制邏輯原理圖

真值表界定如表1所示：

表1 電路真值表

2.2 系統具體電路設計與原理分析

智能紅外聲控走廊燈控制系統的整體電路如圖4所示：該電路分為低壓控制電路和高電壓工作電路部分，通過低電壓控制電磁繼電器，從而間接控制高電壓工作電路。

圖4 控制系統電路設計

原理分析：

1）電源部分：利用一個開關控制的+6V直流電源，并聯一個100μF的電容C1，用以改善電源的性能，在電池長時間使用后，電壓降低，C1電容可以有效地使聲控放大電路發揮更好的作用。

2）聲控部分：聲控部分使用了小型駐極體話筒，在駐極體話筒之后接一個三極管起到電流放大作用。三極管的C極連接可變電阻W，調節這個電阻使C極的起始電壓處在比與非門電路1A輸入閥值略高一點的電位。由于兩個輸入端都是高電位，所以輸出端是低電位。當外界有一定聲響，C極電位下降，與非門輸出端變為高電位；聲響消失，輸出端又回復到低電位。

3）光控部分：光控部分在圖中用光電三極管來表示，當環境中有光照時，光電三極管輸出電流，此時C極處于高電位；沒有光照時，C極處于低電位。此時該電位與聲控電路中輸出的低電位共同作用在與或門上，其輸出為高電位。

4）熱釋電紅外控制：在電路圖中同樣使用光電三極管來表示。為了防止自身散熱對實驗的影響，在實際電路制作中，可將兩個極性相反的電容串聯，串聯后的電路可以接收來自兩個方向上的紅外輻射，可以有效地增強其接收角度。當其中任意一個紅外傳感器接收到紅外信號之后，與之連接的二極管即輸出高電位。

5）延時控制：當走廊燈亮時，輸出Y=1，電容器C2下端的電位為低電平，但它是不能持久的，因為其連接電阻R7，R7的上端連接電源正極，是高電位，它將會把下端電壓緩慢抬高，當電位達到和超過閾值時，進行反轉，輸出為低電位，從而達到延時功能；如果沒有C2（47μF），下端的低電位可以很快上升，電容使上升過程變慢，這就是電路延時功能。

6）電磁繼電器：當其輸出電位為高電位時，有電流流過電磁繼電器，從而使得電磁鐵產生磁性，將開關吸附到閉合位置，高電壓電路開始工作；直到延時電路中電流為0時，開關才回到斷開位置。

7）高電壓電路：樓道照明電路經常處于高電壓狀態，當燈泡點亮的一瞬間，會有較強的電流通過，使得燈泡極易被強燒壞。在實際生活中，我們可以將兩個同樣規格的燈泡串聯，每個燈泡為其額定功率的1/4、電壓為1/2，燈泡可以被點亮，也時避免了由于強電流對其造成的損壞。

綜上，通過真值表及電路原理分析可知，該電路可以實現在白天時，不論人有沒有發出聲音信號或者有沒有被紅外探測器感應到，走廊燈始終處于熄滅狀態；到晚上光照強度下降到一定程度后，只要人發出一定強度聲音，或者進入探測器的有效感應范圍，走廊燈就會變亮。當人從遠處走向走廊燈時，只要發出一定聲音即可觸發電路使燈變亮，而進入樓道后即可被紅外探測器感應到使燈變亮，且當人在樓道內活動一直需要光照時，紅外探測器可一直感應到人體發出的紅外線，走廊燈燈不會自動熄滅，不會在走廊中形成回音噪聲污染；人離開后，照明持續一定時間才會自動熄滅。這樣就解決了現在已有走廊燈開啟時存在的噪聲污染，提高了走廊燈的人性化程度，達到了設計目的，具有一定的實用價值。

3 系統實際電路器件選型

在紅外聲光控走廊燈系統控制電路中，元器件的選擇直接關系到系統功能的實現和最終效果，因此我們必須對系統當中的器件進行認真選擇、檢驗。

3.1 紅外傳感器的采用與分析

紅外熱傳感器作為聲光控系統的核心部分，在工業電子應用當中通常有LHi74型號、LHi878以及LHi968等型號。總體來看，各種型號的熱紅外傳感器結構與性能基本相同，我們應該選用具有工作噪聲低和高靈敏、高反應度特征的型號，以使其能夠供各種濾波器的窄帶和寬帶使用。

3.2 駐極體話筒的選用與要求

我們在實際使用過程中選用了內置式的駐極體話筒，屏蔽線就是接地的端口，而單線則為輸出端口。常用駐極體話筒型號有CRZ29和CRZ215等，我們在紅外聲光控電路的設計中可以采用CRZ29型號。

3.3 電容器的選擇與要點

國內通用的電容器型號有BSMJ和BCMJ等，電容器的正常工作必須在指定的溫度范圍內，同時作用于電容器本身的直流電壓也必須保持在一定的范圍內。

4 系統電路檢測與故障應對

在實際中我們可能會面臨許多問題，最常見的問題是發出信號，但是燈泡沒有反應，或者燈泡不會自動關閉，以及信號反應時間拖滯，敏感度較低等。對此，我們要根據不同的情況進行相應地處理。如果燈泡沒有反應，首先要考慮是否燈泡損壞，其次要考慮是否是電路控制中產生了問題；對于光信號無正常反應的問題，我們應該考慮是否是光敏電阻中存在問題，如果是，則要及時更換。在測試過程中，要采用儀器對輸出和輸入端口的電平進行檢測，看其是否正常。在聲音感應方面，還要考慮是否是電壓發生問題導致話筒損壞。如果燈泡不能及時地關閉，就要考慮電路控制系統中是否有接線纏繞和干擾的情況，采用發出信號的方式對其加以檢驗。如果燈泡發光時間低于設計時長，則要考慮是否存在漏電情況。

5 結束語

從智能紅外聲控走廊燈控制系統的整體設計來說，它能夠滿足人類對于節能和便利的雙重要求，因此具有較大的實用價值。這種新型的電路智能控制系統充分地將聲音與紅外感應結合起來，能夠最大程度地實現燈光與人的在場性的協調配合，最大可能地實現了燈光控制節能環保的要求。可以在學校、工廠、醫院等公共場合實現良好效果，克服了傳統聲控系統必須重復發出聲音進行燈光啟動的缺陷和不足，為人們的日常生活提供了極大的便利。

【參考文獻】

[1][美]凱斯，董培芝，等.光探測器與紅外探測器[M].科學出版社，1984.

[2]歐陽杰.紅外電子學[M].北京理工大學出版社，1997.

[3]張建奇，方小平.紅外物理[M].西安電子科技大學出版社，2004.

[4]徐健.聲控燈開關電路的制作[M].機械工業出版社，2010.

[5]張慶雙.觸摸式照明燈電路聲光控制照明燈電路[M].機械工業出版社，2010.

[6]陳爾紹.實用聲光控制電子裝置制作精選200例[M].人民郵電出版社，1995.

[7]張慶雙.聲控式防盜報警器電路[M].機械工業出版社，2010.

[8]陳后金，薛健.數字信號處理[M].高等教育出版社，2004.

[責任編輯：丁艷]

4）熱釋電紅外控制：在電路圖中同樣使用光電三極管來表示。為了防止自身散熱對實驗的影響，在實際電路制作中，可將兩個極性相反的電容串聯，串聯后的電路可以接收來自兩個方向上的紅外輻射，可以有效地增強其接收角度。當其中任意一個紅外傳感器接收到紅外信號之后，與之連接的二極管即輸出高電位。

5）延時控制：當走廊燈亮時，輸出Y=1，電容器C2下端的電位為低電平，但它是不能持久的，因為其連接電阻R7，R7的上端連接電源正極，是高電位，它將會把下端電壓緩慢抬高，當電位達到和超過閾值時，進行反轉，輸出為低電位，從而達到延時功能；如果沒有C2（47μF），下端的低電位可以很快上升，電容使上升過程變慢，這就是電路延時功能。

6）電磁繼電器：當其輸出電位為高電位時，有電流流過電磁繼電器，從而使得電磁鐵產生磁性，將開關吸附到閉合位置，高電壓電路開始工作；直到延時電路中電流為0時，開關才回到斷開位置。

7）高電壓電路：樓道照明電路經常處于高電壓狀態，當燈泡點亮的一瞬間，會有較強的電流通過，使得燈泡極易被強燒壞。在實際生活中，我們可以將兩個同樣規格的燈泡串聯，每個燈泡為其額定功率的1/4、電壓為1/2，燈泡可以被點亮，也時避免了由于強電流對其造成的損壞。

綜上，通過真值表及電路原理分析可知，該電路可以實現在白天時，不論人有沒有發出聲音信號或者有沒有被紅外探測器感應到，走廊燈始終處于熄滅狀態；到晚上光照強度下降到一定程度后，只要人發出一定強度聲音，或者進入探測器的有效感應范圍，走廊燈就會變亮。當人從遠處走向走廊燈時，只要發出一定聲音即可觸發電路使燈變亮，而進入樓道后即可被紅外探測器感應到使燈變亮，且當人在樓道內活動一直需要光照時，紅外探測器可一直感應到人體發出的紅外線，走廊燈燈不會自動熄滅，不會在走廊中形成回音噪聲污染；人離開后，照明持續一定時間才會自動熄滅。這樣就解決了現在已有走廊燈開啟時存在的噪聲污染，提高了走廊燈的人性化程度，達到了設計目的，具有一定的實用價值。

3 系統實際電路器件選型

在紅外聲光控走廊燈系統控制電路中，元器件的選擇直接關系到系統功能的實現和最終效果，因此我們必須對系統當中的器件進行認真選擇、檢驗。

3.1 紅外傳感器的采用與分析

紅外熱傳感器作為聲光控系統的核心部分，在工業電子應用當中通常有LHi74型號、LHi878以及LHi968等型號。總體來看，各種型號的熱紅外傳感器結構與性能基本相同，我們應該選用具有工作噪聲低和高靈敏、高反應度特征的型號，以使其能夠供各種濾波器的窄帶和寬帶使用。

3.2 駐極體話筒的選用與要求

我們在實際使用過程中選用了內置式的駐極體話筒，屏蔽線就是接地的端口，而單線則為輸出端口。常用駐極體話筒型號有CRZ29和CRZ215等，我們在紅外聲光控電路的設計中可以采用CRZ29型號。

3.3 電容器的選擇與要點

國內通用的電容器型號有BSMJ和BCMJ等，電容器的正常工作必須在指定的溫度范圍內，同時作用于電容器本身的直流電壓也必須保持在一定的范圍內。

4 系統電路檢測與故障應對

在實際中我們可能會面臨許多問題，最常見的問題是發出信號，但是燈泡沒有反應，或者燈泡不會自動關閉，以及信號反應時間拖滯，敏感度較低等。對此，我們要根據不同的情況進行相應地處理。如果燈泡沒有反應，首先要考慮是否燈泡損壞，其次要考慮是否是電路控制中產生了問題；對于光信號無正常反應的問題，我們應該考慮是否是光敏電阻中存在問題，如果是，則要及時更換。在測試過程中，要采用儀器對輸出和輸入端口的電平進行檢測，看其是否正常。在聲音感應方面，還要考慮是否是電壓發生問題導致話筒損壞。如果燈泡不能及時地關閉，就要考慮電路控制系統中是否有接線纏繞和干擾的情況，采用發出信號的方式對其加以檢驗。如果燈泡發光時間低于設計時長，則要考慮是否存在漏電情況。

5 結束語

從智能紅外聲控走廊燈控制系統的整體設計來說，它能夠滿足人類對于節能和便利的雙重要求，因此具有較大的實用價值。這種新型的電路智能控制系統充分地將聲音與紅外感應結合起來，能夠最大程度地實現燈光與人的在場性的協調配合，最大可能地實現了燈光控制節能環保的要求。可以在學校、工廠、醫院等公共場合實現良好效果，克服了傳統聲控系統必須重復發出聲音進行燈光啟動的缺陷和不足，為人們的日常生活提供了極大的便利。

【參考文獻】

[1][美]凱斯，董培芝，等.光探測器與紅外探測器[M].科學出版社，1984.

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[6]陳爾紹.實用聲光控制電子裝置制作精選200例[M].人民郵電出版社，1995.

[7]張慶雙.聲控式防盜報警器電路[M].機械工業出版社，2010.

[8]陳后金，薛健.數字信號處理[M].高等教育出版社，2004.

[責任編輯：丁艷]

4）熱釋電紅外控制：在電路圖中同樣使用光電三極管來表示。為了防止自身散熱對實驗的影響，在實際電路制作中，可將兩個極性相反的電容串聯，串聯后的電路可以接收來自兩個方向上的紅外輻射，可以有效地增強其接收角度。當其中任意一個紅外傳感器接收到紅外信號之后，與之連接的二極管即輸出高電位。

5）延時控制：當走廊燈亮時，輸出Y=1，電容器C2下端的電位為低電平，但它是不能持久的，因為其連接電阻R7，R7的上端連接電源正極，是高電位，它將會把下端電壓緩慢抬高，當電位達到和超過閾值時，進行反轉，輸出為低電位，從而達到延時功能；如果沒有C2（47μF），下端的低電位可以很快上升，電容使上升過程變慢，這就是電路延時功能。

6）電磁繼電器：當其輸出電位為高電位時，有電流流過電磁繼電器，從而使得電磁鐵產生磁性，將開關吸附到閉合位置，高電壓電路開始工作；直到延時電路中電流為0時，開關才回到斷開位置。

7）高電壓電路：樓道照明電路經常處于高電壓狀態，當燈泡點亮的一瞬間，會有較強的電流通過，使得燈泡極易被強燒壞。在實際生活中，我們可以將兩個同樣規格的燈泡串聯，每個燈泡為其額定功率的1/4、電壓為1/2，燈泡可以被點亮，也時避免了由于強電流對其造成的損壞。

綜上，通過真值表及電路原理分析可知，該電路可以實現在白天時，不論人有沒有發出聲音信號或者有沒有被紅外探測器感應到，走廊燈始終處于熄滅狀態；到晚上光照強度下降到一定程度后，只要人發出一定強度聲音，或者進入探測器的有效感應范圍，走廊燈就會變亮。當人從遠處走向走廊燈時，只要發出一定聲音即可觸發電路使燈變亮，而進入樓道后即可被紅外探測器感應到使燈變亮，且當人在樓道內活動一直需要光照時，紅外探測器可一直感應到人體發出的紅外線，走廊燈燈不會自動熄滅，不會在走廊中形成回音噪聲污染；人離開后，照明持續一定時間才會自動熄滅。這樣就解決了現在已有走廊燈開啟時存在的噪聲污染，提高了走廊燈的人性化程度，達到了設計目的，具有一定的實用價值。

3 系統實際電路器件選型

在紅外聲光控走廊燈系統控制電路中，元器件的選擇直接關系到系統功能的實現和最終效果，因此我們必須對系統當中的器件進行認真選擇、檢驗。

3.1 紅外傳感器的采用與分析

紅外熱傳感器作為聲光控系統的核心部分，在工業電子應用當中通常有LHi74型號、LHi878以及LHi968等型號。總體來看，各種型號的熱紅外傳感器結構與性能基本相同，我們應該選用具有工作噪聲低和高靈敏、高反應度特征的型號，以使其能夠供各種濾波器的窄帶和寬帶使用。

3.2 駐極體話筒的選用與要求

我們在實際使用過程中選用了內置式的駐極體話筒，屏蔽線就是接地的端口，而單線則為輸出端口。常用駐極體話筒型號有CRZ29和CRZ215等，我們在紅外聲光控電路的設計中可以采用CRZ29型號。

3.3 電容器的選擇與要點

國內通用的電容器型號有BSMJ和BCMJ等，電容器的正常工作必須在指定的溫度范圍內，同時作用于電容器本身的直流電壓也必須保持在一定的范圍內。

4 系統電路檢測與故障應對

在實際中我們可能會面臨許多問題，最常見的問題是發出信號，但是燈泡沒有反應，或者燈泡不會自動關閉，以及信號反應時間拖滯，敏感度較低等。對此，我們要根據不同的情況進行相應地處理。如果燈泡沒有反應，首先要考慮是否燈泡損壞，其次要考慮是否是電路控制中產生了問題；對于光信號無正常反應的問題，我們應該考慮是否是光敏電阻中存在問題，如果是，則要及時更換。在測試過程中，要采用儀器對輸出和輸入端口的電平進行檢測，看其是否正常。在聲音感應方面，還要考慮是否是電壓發生問題導致話筒損壞。如果燈泡不能及時地關閉，就要考慮電路控制系統中是否有接線纏繞和干擾的情況，采用發出信號的方式對其加以檢驗。如果燈泡發光時間低于設計時長，則要考慮是否存在漏電情況。

5 結束語

從智能紅外聲控走廊燈控制系統的整體設計來說，它能夠滿足人類對于節能和便利的雙重要求，因此具有較大的實用價值。這種新型的電路智能控制系統充分地將聲音與紅外感應結合起來，能夠最大程度地實現燈光與人的在場性的協調配合，最大可能地實現了燈光控制節能環保的要求。可以在學校、工廠、醫院等公共場合實現良好效果，克服了傳統聲控系統必須重復發出聲音進行燈光啟動的缺陷和不足，為人們的日常生活提供了極大的便利。

【參考文獻】

[1][美]凱斯，董培芝，等.光探測器與紅外探測器[M].科學出版社，1984.

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[4]徐健.聲控燈開關電路的制作[M].機械工業出版社，2010.

[5]張慶雙.觸摸式照明燈電路聲光控制照明燈電路[M].機械工業出版社，2010.

[6]陳爾紹.實用聲光控制電子裝置制作精選200例[M].人民郵電出版社，1995.

[7]張慶雙.聲控式防盜報警器電路[M].機械工業出版社，2010.

[8]陳后金，薛健.數字信號處理[M].高等教育出版社，2004.

[責任編輯：丁艷]