智能控制的日光燈電路

吳傳平 李茂暉 陳姝雨

摘要：本文在傳統的日光燈電路的基礎上，引入了智能控制技術，提出了基于智能控制技術的日光燈電路。將電工學的基本理論和智能控制技術結合起來，使電工學實驗變得智能化，具有創新性，這樣可以大大提高學生的學習熱情和積極性，使學生既能夠掌握傳統的電工學知識，又能夠學習到現代化的智能控制技術，為培養創新型的實踐能力強的高素質人才打下了堅實的基礎。

關鍵詞：教學改革;智能控制;日光燈電路

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）08-0125-02

傳統的電工學實驗主要是一些驗證性實驗，譬如，基爾霍夫定律、疊加定理、日光燈電路等，這些實驗都屬于傳統理論和方法的驗證，實驗內容陳舊乏味，不能調動學生的學習熱情和興趣[1]。為了培養學生的實踐創新能力，本文提出了基于智能控制技術的日光燈電路。在傳統的日光燈電路實驗的基礎上，引入了智能控制技術，使電工學實驗變得智能化，具有創新性，能夠極大地調動學生的學習熱情和積極性。

一、傳統的日光燈電路

傳統的日光燈電路由鎮流器、啟輝器、日光燈管組成。

日光燈管：它是一根玻璃管，內壁涂有一層熒光粉，不同的熒光粉可發出不同顏色的光。燈管內充有稀薄的惰性氣體和水銀蒸汽，燈管兩端有由鎢制成的燈絲，燈絲涂有受熱后易于發射電子的氧化物[2]。

當燈絲有電流通過時，使燈管內燈絲發射電子，還可使管內溫度升高，水銀蒸發。這時，若在燈管的兩端加上足夠的電壓，就會使管內氬氣電離，從而使燈管由氬氣放電過渡到水銀蒸氣放電。放電時發出不可見的紫外光線照射在管壁內的熒光粉上面，使燈管發出各種顏色的可見光線。

鎮流器：鎮流器是與日光燈管相串聯的一個元件，實際上是繞在硅鋼片鐵心上的電感線圈，其感抗值很大。鎮流器的作用是：①限制燈管的電流;②產生足夠的自感電動勢，使燈管容易放電起燃。鎮流器一般有兩個出頭，但有些鎮流器為了在電壓不足時容易起燃，就多繞了一個線圈，因此也有四個出頭的鎮流器。

啟輝器：啟輝器是一個小型的輝光管，在小玻璃管內充有氖氣，并裝有兩個電極。其中一個電極是用線膨脹系數不同的兩種金屬組成（通常稱雙金屬片），冷態時兩電極分離，受熱時雙金屬片會因受熱而變彎曲，使兩電極自動閉合[3]。

日光燈電路的工作原理：當接通電源時，由于日常燈沒有點亮，電源電壓全部加在啟輝光管的兩個電極之間，啟輝器內的氬氣發生電離。電離的高溫使倒“U”型電極受熱趨于伸直，兩電極接觸，使電流從電源一端流向鎮流器→燈絲→啟輝器→燈絲→電源的另一端，形成通路并加熱燈絲。燈絲因有電流（稱為啟輝電流或預熱電流）通過而發熱，使氧化物發射電子。同時，輝光管兩個電極接通時，電極間電壓為零，啟輝器中的電離現象立即停止，“U”型金屬片因溫度下降而復原，兩電極離開。在離開的一瞬間，使鎮流器流過的電流發生突然變化（突降至零），由于鎮流器鐵心線圈的高感作用，產生足夠高的自感電動勢作用于燈管兩端。這個感應電壓連同電源電壓一起加在燈管的兩端，使燈管內的惰性氣體電離而產生弧光放電。隨著管內溫度的逐漸升高，水銀蒸汽游離，碰撞惰性氣體分子放電，當水銀蒸汽弧光放電時，就會輻射出不可見的紫外線，紫外線激發燈管內壁的熒光粉后發出可見光。燈絲受熱時發射出來的大量電子，在燈管兩端高電壓作用下，以極大的速度由低電勢端向高電勢端運動。在加速運動的過程中，碰撞管內氬氣分子，使之迅速電離。氬氣電離生熱，熱量使水銀產生蒸氣，隨之水銀蒸氣也被電離，并發出強烈的紫外線。在紫外線的激發下，管壁內的熒光粉發出近乎白色的可見光。

二、智能控制的日光燈電路

智能控制的日光燈電路主要由智能控制電路、場效應管、鎮流器、啟輝器、日光燈管構成。

系統功能：當有人進入房間時，紅外檢測電路會檢測到有人進入，然后，智能控制電路輸出控制信號，控制場效應管導通，日光燈點亮;當有人離開房間時，紅外檢測電路會檢測到有人離開，智能控制電路輸出控制信號，控制場效應管關斷，日光燈熄滅。這樣，不需要人親自動手去打開或關閉日光燈，既節省了人力，為人們帶來了極大的便利，同時又避免了忘記關燈所造成的電能浪費，節約了能源。整個系統主要由紅外檢測電路、單片機控制電路、驅動電路、日光燈主電路組成。智能控制的日光燈電路的系統結構框圖如圖1所示。

1.紅外檢測電路。紅外發射管和紅外接收管統稱為紅外對管。紅外對管的極性不能弄錯，通常較長的引腳為正極，較短的引腳為負極[4]。

紅外檢測電路的工作原理：當紅外對管間無障礙物時，紅外接收管能夠接收到紅外發射管發出的紅外光，此時紅外接收管的等效阻值會變得很小，相當于短路;當紅外對管間有障礙物時，紅外線被遮擋，紅外接收管不能接收到紅外發射管發出的紅外光，此時紅外接收管的等效阻值會變得很大，相當于斷路[5]。另外，還需要結合比較器LM393才能實現紅外檢測電路的設計。當比較器LM393的同相輸入端電壓大于基準電壓+2.5V時，比較器輸出高電平;當同相輸入端電壓小于基準電壓+2.5V時，比較器輸出低電平。

2.單片機控制電路。本系統采用單片機PIC5015作為核心芯片。本系統主要需要用到單片機中斷引腳和通用IO引腳[6]。

中斷引腳的作用是用來接收紅外檢測電路的輸出信號，將紅外檢測電路的輸出信號連接到單片機的中斷引腳。這樣，當有人進入房間時，紅外檢測電路就會輸出信號，該信號會觸發單片機產生中斷，告知單片機有人進入房間，然后單片機通過控制通用IO引腳輸出控制信號，經過驅動電路，控制日光燈電路中的場效應管K2225的導通，進而點亮日光燈;當有人離開房間時，紅外檢測電路就會輸出信號，該信號會觸發單片機產生中斷，告知單片機有人離開房間，然后單片機通過控制通用IO引腳輸出控制信號，經過驅動電路，控制日光燈電路中的場效應管K2225的關斷，進而熄滅日光燈。

3.驅動電路。驅動電路既起到隔離保護的作用，又能夠提供控制信號的驅動能力。本系統的驅動電路主要由光耦6N137、驅動芯片IR2110等組成[7]。單片機輸出0～5V的方波信號經過驅動電路后會變為0～15V的方波型號。

4.日光燈主電路。本系統的日光燈主電路由場效應管、鎮流器、啟輝器、日光燈管組成。

本系統采用的場效應管是K2225，當場效應管的柵極和漏極之間電壓為+15V時，場效應管導通，日光燈點亮;當場效應管的柵極和漏極之間電壓為0V時，場效應管關斷，日光燈熄滅。這樣，單片機通過輸出控制信號，經過驅動電路，就可以控制場效應管的導通與關斷，進而控制日光燈的亮滅。

三、教學實施

1.實驗內容與要求。（1）要求學生掌握紅外發射管和紅外接收管的工作特點，會使用比較器，設計一個紅外檢測電路。設計出電路圖，并在萬用板上完成焊接和調試。（2）要求學生熟悉PIC單片機最小系統開發板，會編寫簡單的C語言程序，會下載程序。（3）要求學生理解驅動電路的工作原理，并在萬用板上完成焊接和調試。（4）要求學生在熟悉傳統的日光燈電路的工作原理的基礎上，掌握基于智能控制的日光燈主電路的工作原理。（5）將紅外檢測電路模塊、單片機控制電路模塊、驅動電路模塊、日光燈主電路模塊逐級連接起來，逐級調試，最終實現系統功能。

2.實驗考核。（1）使用示波器測量紅外檢測電路的輸出端波形。當有人進出房間時，觀測輸出端的波形是否正確。（2）使用電壓表或者示波器觀測單片機的輸出控制信號。如果單片機接收到紅外檢測電路的輸出信號后，單片機能夠輸出正確的控制信號，則說明單片機模塊工作正常。（3）使用示波器觀測驅動電路的輸出端波形。驅動電路的輸出端波形應該與單片機的輸出控制信號反相，幅值為15V。（4）驗證系統功能。當有人進入房間時，觀察日光燈能否自動點亮;當有人離開房間時，觀察日光燈能否自動熄滅。（5）實驗報告，以論文的形式書寫實驗報告，讓學生盡早掌握科學論文的書寫，從格式到參考文獻。

最終，根據學生對各個模塊電路的完成情況、電路的焊接質量、課堂表現和實驗報告的書寫，綜合地評定學生的實驗成績。

四、結語

本文在傳統的日光燈電路的基礎上，提出了智能控制的日光燈電路，將電工學知識和智能控制技術結合起來，使電工學實驗變得智能化，更具創新性，大大提高了學生的學習熱情和積極性。通過本次實驗的訓練，學生掌握了一定的智能控制技術，同時學會了用模塊化思想去完成一個實驗項目，大大提高了學生的工程實踐能力，為培養創新型的實踐能力強的高素質人才打下了堅實的基礎。

參考文獻：

[1]張美生.高等院校電工學實驗教學改革探究[J].山東建筑大學學報，2013，28（4）：37-39.

[2]吳春俐，孫靜，申燕.電工學實驗教程[M].北京：機械工業出版社，2011：75-76.

[3]向琴，孫寧，陳文紅.日光燈電路實驗常見故障及排查[J].教育教學，2014，（315）：65-66.

[4]吳玉寶.紅外檢測電路的設計與制作[J].電子制作，2010，（8）：51-52.

[5]瞿貴榮.多功能紅外檢測電路[J].電子制作，2011，（2）：10-11.

[6]李榮正.PIC單片機原理及應用[M].北京：航空航天大學出版社，2014：8-12.

[7]劉力濤.IGBT驅動電路研究[J].電焊機，2011，（6）：83-85.