基于震動開關及JK觸發器的小夜燈電路設計

陳思

摘? 要：震動開關是一種機械式傳感器，常用于檢測物體是否因為受到外力而發生傾斜、震動的情況。JK觸發器是數字電子技術中用于時序邏輯電路設計的經典芯片。在實際生活中，很多群體需要智能的小夜燈來進行照明。文章將時序邏輯電路設計的理論知識應用到解決實際生活問題的電路設計中，闡述了一種基于震動開關及JK觸發器的小夜燈電路的設計，通過震動小夜燈來實現開啟、關閉夜燈，及切換強、中、弱光擋位。

關鍵詞：震動開關;JK觸發器;小夜燈

中圖分類號：TM923? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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

夜里醒來處于半睡眠狀態， 摸黑開燈比較不方便。[1]特別是在有嬰幼兒的家庭里，夜里經常要起床沖牛奶、換尿褲給小孩，特別需要一個操作方便的小夜燈。孕婦摸黑起床活動，也是有一定危險的。[2]不同視力的人群，需要不同擋位的弱光照明。[3]本文設計一個通過震動感應來實現開啟、關閉、調節亮度的小夜燈。只要把夜燈放在床上，不需要摸黑去尋找夜燈，不需要知道夜燈的具體位置，通過肢體敲打床使夜燈感應到震動，即可實現夜燈的控制。 智能小夜燈給人們的生活帶來了很大的方便，具有良好的使用價值和市場前景。[4-5]

1 SW-420震動傳感器的簡介

SW-420震動傳感器如圖1所示，是由金屬材料和塑料管制造，是屬于單滾軸型滾珠開關，具有不受外來聲音和光線干擾的特點，可以感應不同方向的震動及傾斜。當無震動或傾斜時，傳感器內部為開路狀態，處于穩態;當有震動或傾斜時，導電電阻隨著外力的震動力度大小而變化，從而改變外部電路的參數。本傳感器適用于小功率電路的檢測，工作電流小于10mA，工作電壓小于48V，工作環境溫度小于105攝氏度。

2 整體設計

本設計主要包括震動傳感器電路設計、時序邏輯控制電路設計、LED驅動電路設計及供電電源電路設計四個部分，如圖2所示。本設計涉及的小夜燈，功耗比較小，供電電源使用3節7號的干電池串聯供電;震動傳感器電路設計部分，應用了靈敏度高、成本低的SW-420傳感器來感應外界的震動;時序邏輯控制電路使用了經典的時序邏輯控制芯片JK觸發器;在LED驅動電路設計中，考慮到供電電源電壓在4.5V左右，每路照明電路使用兩個LED串聯，并使用小電感來保護LED。

3 電路設計

電路原理圖如圖3所示，由于SW-420震動傳感器是一個機械傳感器，在沒有受到震動時相當于一斷開的開關，在受到一定力度的震動時相當于一個閉合的開關，所以在繪制電路原理圖的時候使用一個按鈕開關SW來代替SW-420震動傳感器。震動傳感器與上拉電阻R3串聯，在沒有受到震動時，JK觸發器A的CLK引腳的電位為高電平;在受到一定力度的震動時，CLK引腳得到低電平，由于SW-420震動傳感器受到震動而使電路產生下降沿信號觸發了JK觸發器。

在LED驅動電路中，Q1三極管的基極串聯了電阻R1，通過控制基極電流來控制D1、D2的工作電流;Q2三極管的基極串聯了電阻R3，通過控制基極電流來控制D3、D4的工作電流。弱擋照明時，Q2截止而Q1工作在放大狀態，只有D1和D2亮;中擋照明時，Q1截止而Q2工作在放大狀態，只有D3和D4亮;強擋照明時，Q1和Q2都工作在放大狀態，四個LED都亮。電路各元件的工作狀態分析如表1所示。LED驅動電路中的小電感防止電流發生突變，用于保護LED。

在邏輯控制電路中，選用了兩個JK觸發器來搭建時序邏輯控制電路。根據表1列出時序邏輯電路的狀態轉換真值表如表2所示。由狀態轉換真值表得到狀態方程，再對比JK觸發器的特征方程公式，設計了時序邏輯電路。

4 電路仿真

仿真電路如圖4所示，使用Proteus軟件對電路進行了仿真及調試，在兩個三極管的基極和集電極添加了電流探針，用于測量基極和集電極的電流。如果通過LED的電流不符合LED的工作電流要求，需要調整電阻R1和R2的參數。從仿真結果來看，三極管Q1和Q2導通后，集電極電流分別是11.1mA和16.5mA左右，符合LED工作電流的要求。如果需要使弱擋照明和中擋照明的亮度差別更大一些，可以適當地增大電阻R1的電阻值，減小R2的電阻值。將電阻R1的電阻值增大至47K，將R2的電阻值減小至15K，仿真效果如圖5所示，D1、D2的工作電流約為7.8mA，D3、D4的工作電流約為24mA，弱擋照明和中擋照明的亮度差別明顯增大。

5 結束語

在實際生活中，智能小夜燈能給老人、小孩、孕婦等群體的生活帶來很多方便，有一定的使用價值和市場需求。基于震動開關及JK觸發器的小夜燈電路具有成本低，電路簡單的特點，有一定的研究意義。

參考文獻：

[1]陳余，王璇.家居智能小夜燈的設計[J].科技信息，2010（29）：734+738.

[2]龍濤元，莊武良，何觀鈺.一種新穎的小功率夜燈設計[J].電子世界，2019（10）：173-174.

[3]王仲夏，陳偉.基于單片機的智能小夜燈[J].電腦知識與技術，2019，15（05）：248-250.

[4]王富強，王麗娟，楊越，等.多功能小夜燈的設計[J].山西電子技術，2018（01）：18-19+24.

[5]張聯.基于MCS-51單片機的小夜燈設計[J].職業技術，2017，16（09）：123-124.