【摘 要】本文设计了一种利用光控元件、声控元件和红外感应相结合控制的楼道走廊空间的智能红外灯光开关系统，实现了在光线充足的条件下保持走廊灯不触发状态，而当达到设定的光线暗淡的条件时由声光控和红外感应同时触发使灯亮。这种控制系统的核心在于通过电路设置实现声控、光控和红外感应三者的有机结合和协调作用，其中包括声波放大系统、小型驻极体电容话筒和延时电路等基本模块要素。在信号接收和传导过程中，声控和光控电路将接收到的信号转化为电流信号，电路系统对接收到的信号进行及时处理，并由继电器实现电路的切断与启动，从而实现相应的灯光控制。
【关键词】红外感应；声控；智能化；走廊灯；节能
0 引言
当今时代的主题之一就是低碳、节能和环保，从目前我国的社会现状来看，尽管人们已经具有了一定的节能意识，但是技术手段和步伐并未同步跟进，很多公共场所的照明灯、走廊灯处于无人看管状态，导致了电能过度消耗和浪费，而已经采用的部分声控装置和光控装置本身也存在着很多的弊端，智能控制程度不高，难以实现灯光照明的启动与人同步，因此如何从声控和红外感应的双重角度出发，对现有的灯光控制和电路系统进行改进，是我们目前需要开展的一项重要技术工作。本文所设计的走廊灯一方面要提高灵敏度、加强对人的感应程度，即实现技术设计与人的活动更紧密的结合，提高便利性和实用性；另一方面要尽量使电路设计简单易行，降低成本，且同时降低反复启动声音控制系统的噪音污染。主要实现当走廊内远距离有人出现的时候，声音控制短时启动，而当人体进入走廊内部的时候，红外感应系统开始发挥作用，从而避免走廊内反复发出声音时灯光重复启动，更好地提高声控感应系统的人性化、智能化程度。
本文第一部分介绍了红外声控电路中的基本元器件及其功能，第二部分详细阐述了红外声控电路系统的电路设计和工作原理，第三部分对电路系统的物理实现、注意事项和出现问题的应对措施进行了介绍，并具体分析了这种声光控电路开关的实用性。
1 系统基本组成结构及原理
1.1 红外感应系统的结构与原理
1.1.1 光敏电阻的原理与功能
光敏电阻能够在光照变化的条件下发生电阻值的改变，与光线的强弱呈反比关系。光敏电阻器在电路中的应用，能够使电路有效地感应外界的亮度。
1.1.2 红外被动感应的作用原理
在红外感应元件中，探测到温度的变化会引起内部电流发生相应改变。当人体处在红外探测区域覆盖的范围时，人体热辐射会被光能装置感应，并将这种探测温度变化为电流，使得电路系统能够及时地启动。在电路设计中，我们希望实现人体进入感应区域即自动启动，并持续保持电路连接，而人体离开以后，开关经延时后自动关闭。
红外热传感器原理如图1所示：两个探测元可以放置在走廊的两个方向上，不论人从哪个方向走近走廊都可以被感知。D、G极间要接12V的外接电源，S端为感应信号输出端。
图1 红外热传感器原理图
1.2 声控系统的结构与作用
灯光的声控系统是利用声音产生的振动触发声控系统中的感应装置，并且在放大电流信号的基础上实现对灯光开关的控制。驻极体话筒在声控系统中具有最普遍的应用，它的优势在于制作简单、体积小、性能稳定等。驻极体话筒由两个极面构成，其中一面是单向金属薄片，另外一面是设计有一些孔洞的背电极面，两个极面之间有一定的距离，使两极之间形成了电容结构。当有声音产生时，声波就会带动极面产生振动从而改变两极面之间的距离，电容随之改变，通过电流信号的变化和输出，实现了从声音的接收到电流的整体过程。
1.3 信号延时系统的设计与意义
信号延时系统的目的在于延长触发信号持续时间。在信号延时工作系统中，RC延时回路是核心部件，其作用在于当它受到光、声音等转换来的电流脉冲作用时，不会立刻发生状态的转换。
1.4 信号综合处理的协调配置结构
从红外声光控灯的整体系统来看，要实现我们所提出的设计目标，就必须合理地配置声控装置与红外光感应装置，我们可以采用层级结构对这一系统进行描述，形成一个接收——反应——输出的完整电路链条。系统整体作用效果如图2所示。
图2 系统整体作用效果图
2 系统具体电路设计及工作原理
2.1 系统电路控制逻辑原理图
如图3所示，设定A代表光控信号，有光照时逻辑A=0，无光照时A=1；B代表声控信号，有适当大小声音时B=0，无有效声音时B=1；C1和 C2代表接收到的红外感应信号，有红外感应信号时C1=1或C2=1；Y表示输出信号，走廊灯亮时Y=1，走廊灯不亮时Y=0。
图3 电路控制逻辑原理图
真值表界定如表1所示：
表1 电路真值表
2.2 系统具体电路设计与原理分析
智能红外声控走廊灯控制系统的整体电路如图4所示：该电路分为低压控制电路和高电压工作电路部分，通过低电压控制电磁继电器，从而间接控制高电压工作电路。
图4 控制系统电路设计
原理分析：
1）电源部分：利用一个开关控制的+6V直流电源，并联一个100μF的电容C1，用以改善电源的性能，在电池长时间使用后，电压降低，C1电容可以有效地使声控放大电路发挥更好的作用。
2）声控部分：声控部分使用了小型驻极体话筒，在驻极体话筒之后接一个三极管起到电流放大作用。三极管的C极连接可变电阻W，调节这个电阻使C极的起始电压处在比与非门电路1A输入阀值略高一点的电位。由于两个输入端都是高电位，所以输出端是低电位。当外界有一定声响，C极电位下降，与非门输出端变为高电位；声响消失，输出端又回复到低电位。
3）光控部分：光控部分在图中用光电三极管来表示，当环境中有光照时，光电三极管输出电流，此时C极处于高电位；没有光照时，C极处于低电位。此时该电位与声控电路中输出的低电位共同作用在与或门上，其输出为高电位。
4）热释电红外控制：在电路图中同样使用光电三极管来表示。为了防止自身散热对实验的影响，在实际电路制作中，可将两个极性相反的电容串联，串联后的电路可以接收来自两个方向上的红外辐射，可以有效地增强其接收角度。当其中任意一个红外传感器接收到红外信号之后，与之连接的二极管即输出高电位。
5）延时控制：当走廊灯亮时，输出Y=1，电容器C2下端的电位为低电平，但它是不能持久的，因为其连接电阻R7，R7的上端连接电源正极，是高电位，它将会把下端电压缓慢抬高，当电位达到和超过阈值时，进行反转，输出为低电位，从而达到延时功能；如果没有C2（47μF），下端的低电位可以很快上升，电容使上升过程变慢，这就是电路延时功能。
6）电磁继电器：当其输出电位为高电位时，有电流流过电磁继电器，从而使得电磁铁产生磁性，将开关吸附到闭合位置，高电压电路开始工作；直到延时电路中电流为0时，开关才回到断开位置。
7）高电压电路：楼道照明电路经常处于高电压状态，当灯泡点亮的一瞬间，会有较强的电流通过，使得灯泡极易被强烧坏。在实际生活中，我们可以将两个同样规格的灯泡串联，每个灯泡为其额定功率的1/4、电压为1/2，灯泡可以被点亮，也时避免了由于强电流对其造成的损坏。
综上，通过真值表及电路原理分析可知，该电路可以实现在白天时，不论人有没有发出声音信号或者有没有被红外探测器感应到，走廊灯始终处于熄灭状态；到晚上光照强度下降到一定程度后，只要人发出一定强度声音，或者进入探测器的有效感应范围，走廊灯就会变亮。当人从远处走向走廊灯时，只要发出一定声音即可触发电路使灯变亮，而进入楼道后即可被红外探测器感应到使灯变亮，且当人在楼道内活动一直需要光照时，红外探测器可一直感应到人体发出的红外线，走廊灯灯不会自动熄灭，不会在走廊中形成回音噪声污染；人离开后，照明持续一定时间才会自动熄灭。这样就解决了现在已有走廊灯开启时存在的噪声污染，提高了走廊灯的人性化程度，达到了设计目的，具有一定的实用价值。
3 系统实际电路器件选型
在红外声光控走廊灯系统控制电路中，元器件的选择直接关系到系统功能的实现和最终效果，因此我们必须对系统当中的器件进行认真选择、检验。
3.1 红外传感器的采用与分析
红外热传感器作为声光控系统的核心部分，在工业电子应用当中通常有LHi74型号、LHi878以及LHi968等型号。总体来看，各种型号的热红外传感器结构与性能基本相同，我们应该选用具有工作噪声低和高灵敏、高反应度特征的型号，以使其能够供各种滤波器的窄带和宽带使用。
3.2 驻极体话筒的选用与要求
我们在实际使用过程中选用了内置式的驻极体话筒，屏蔽线就是接地的端口，而单线则为输出端口。常用驻极体话筒型号有CRZ29和CRZ215等，我们在红外声光控电路的设计中可以采用CRZ29型号。
3.3 电容器的选择与要点
国内通用的电容器型号有BSMJ和BCMJ等，电容器的正常工作必须在指定的温度范围内，同时作用于电容器本身的直流电压也必须保持在一定的范围内。
4 系统电路检测与故障应对
在实际中我们可能会面临许多问题，最常见的问题是发出信号，但是灯泡没有反应，或者灯泡不会自动关闭，以及信号反应时间拖滞，敏感度较低等。对此，我们要根据不同的情况进行相应地处理。如果灯泡没有反应，首先要考虑是否灯泡损坏，其次要考虑是否是电路控制中产生了问题；对于光信号无正常反应的问题，我们应该考虑是否是光敏电阻中存在问题，如果是，则要及时更换。在测试过程中，要采用仪器对输出和输入端口的电平进行检测，看其是否正常。在声音感应方面，还要考虑是否是电压发生问题导致话筒损坏。如果灯泡不能及时地关闭，就要考虑电路控制系统中是否有接线缠绕和干扰的情况，采用发出信号的方式对其加以检验。如果灯泡发光时间低于设计时长，则要考虑是否存在漏电情况。
5 结束语
从智能红外声控走廊灯控制系统的整体设计来说，它能够满足人类对于节能和便利的双重要求，因此具有较大的实用价值。这种新型的电路智能控制系统充分地将声音与红外感应结合起来，能够最大程度地实现灯光与人的在场性的协调配合，最大可能地实现了灯光控制节能环保的要求。可以在学校、工厂、医院等公共场合实现良好效果，克服了传统声控系统必须重复发出声音进行灯光启动的缺陷和不足，为人们的日常生活提供了极大的便利。
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[责任编辑：丁艳]