1、客厅照明自动控制电路第 1 页 共 15 页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。客厅照明控制电路 第 1 页 共 15 页1 引 言随着科技的发展和人民生活水平的提高，人们
2、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。2 555 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
3、 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 u
4、c()= VCC，= RC，设暂稳态的时间为 tw，当 t= tw常州工学院毕业设计论文第 2 页 共 15 页时， uc(tw)=2 VCC/3 时。代入过渡过程公式 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 2 VCC/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
5、 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 3 555 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、R B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 2 VCC/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
6、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。 客厅照明控制电路 第 3 页 共 15 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)=2 VCC/3，代入过渡过程公式，可得 T1=ln2(RA+RB)C 0.7(RA+RB)C 求
7、 T2， T2对应放电，时间常数 2=RBC，初始值为 uc(0)=2 VCC/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=ln2RBC 0.7RBC 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
8、 定时器的二个阈值的数值。 图 6 555 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：常州工学院毕业设计论文第 4 页 共 15 页对于图 4 所示的多谐振荡器，因 T1 T2，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。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
9、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 2 VCC/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
10、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。客厅照明控制电路 第 5 页 共 15 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
11、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
12、 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 压控振荡器波形图常州工学院毕业设计论文第 6 页 共 15 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
13、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
14、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
15、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。客厅照明控制电路 第 7 页 共 15 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
16、；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 HOLTEK HT716X、PTI PT8A26XXP、WELTREND WT8072,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
17、简单略过。 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常州工学院毕业设计论文第 8 页 共 15 页小灯，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。
18、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
19、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。
