微功耗高靈敏度聲光控制型LED照明燈的設(shè)計

摘要 利用MK6A11P的微功耗特性，設(shè)計了具有微功耗、聲光控制、高靈敏度的LED照明燈。其具有<0．1 W的待機(jī)功耗、靈敏度高，克服了現(xiàn)有聲控?zé)綮`敏度過低的問題。同時解決了聲控靈敏度高時產(chǎn)生的常亮現(xiàn)象，可廣泛應(yīng)用于人群流動較為隨機(jī)的公共場所，如走廊、電梯口、公共衛(wèi)生間等。經(jīng)實驗證明，這種LED照明燈具有電路簡單、工作穩(wěn)定可靠、點亮?xí)r間可調(diào)等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞 MK6A11P；LED照明燈；聲控；微功耗

    智能型照明燈能夠根據(jù)需要適時地改變照明狀態(tài)，在保證舒適性的前提下盡量節(jié)省電能。具體措施是在無人時及時自動熄燈，在有可利用的自然光時，適時地減少或停止電氣照明。如走廊、電梯口、公共衛(wèi)生間等處采用的聲控?zé)艋蚋袘?yīng)燈，此類智能燈具有很大的節(jié)能效果。
    傳統(tǒng)的照明燈正在逐漸地被新型的高效、節(jié)能、環(huán)保、長壽命的半導(dǎo)體照明燈具所取代，如樓道所用的LED燈，其在白天和晚上的大部分時間處于待機(jī)狀態(tài)，因此在設(shè)計中實現(xiàn)低功率待機(jī)是很關(guān)鍵的。
    由于現(xiàn)有的產(chǎn)品為減少待機(jī)功耗，使用壓電陶瓷片作為聲音傳感器，頻率響應(yīng)很差，特別是對低頻聲音的觸發(fā)靈敏度過低，只有發(fā)出很大的響聲時，才能點亮燈具，因此使用很不方便。
    文中利用MK6A11P的微功耗特性設(shè)計了微功耗、聲光控制型高靈敏度LED照明燈。這種照明燈采用駐極體電容話筒作為聲音傳感器，具有很好的頻率響應(yīng)，大大改善了對低頻的響應(yīng)。
    當(dāng)靈敏度提高后就會產(chǎn)生對環(huán)境噪聲很敏感的誤報現(xiàn)象，特別是白天各種噪聲較多，聲控?zé)粲锌赡茏優(yōu)?ldquo;常明燈”。例如早晨或者白天光亮不足時，LED照明燈被點亮后，由于工作在“可重觸發(fā)”模式工作，因此只要有聲音燈就會一直亮，而這時光亮卻很充足。
    如果采用&ldquo;不可重觸發(fā)”模式工作，則被點亮一段時間后，無論有無聲音，燈具總是關(guān)閉2～3 s，然后再檢測環(huán)境光照條件，如有聲音信號則燈具被點亮，這樣就克服了上述的缺點，但人在時頻繁關(guān)燈，會產(chǎn)生不適的感覺。
    文中利用MK6A11P單片機(jī)的智能功能，克服了上述缺點，并采用麥克風(fēng)、聲音放大器與MK6A11P單片機(jī)串聯(lián)的方法，提高了檢測靈敏度，降低了待機(jī)功耗。在LED驅(qū)動電源部分采用電容降壓方式，省去了復(fù)雜的驅(qū)動電路，這種電路損耗小，具有一定的恒流驅(qū)動特性，可延長LED的使用壽命。燈具被觸發(fā)后，其照明時間在5～40 s之間可調(diào)，滿足不同照明場合的需求。

1 LED燈的整體框圖
    圖1為整體框圖，交流220 V電源經(jīng)過電容降壓后，再經(jīng)整流和濾波后變成直流電來驅(qū)動LED燈具，同時經(jīng)過高阻值的限流電阻，產(chǎn)生麥克風(fēng)、放大器和單片機(jī)的供電電源。單片機(jī)接收到聲音觸發(fā)信號后，通過光檢測器檢測環(huán)境亮度，通過可控硅控制LED組件的亮滅。燈具的點亮?xí)r間可利用外部的振蕩頻率控制電阻進(jìn)行改變。

1．1 聲光控LED燈聲音檢測電路
    在圖2中，交流220 V電源經(jīng)過降壓電容C3、整流橋D1后變成直流，經(jīng)過限流電阻R1后提供給話筒和放大器。通常駐極體話筒的額定工作電流為300～500μA范圍，因此R1的選取范圍應(yīng)能提供這個電流值。全波整流后的輸出電壓平均值由式(1)決定。
   
   式中RL為整流橋輸出端的負(fù)載電阻Uin=220V。由于RL兩端的電壓遠(yuǎn)大于AB兩點的電壓，因此RL≈R1=430kΩ，代入式(1)后可得I0=460μA。
    R1損耗的功率近似為整機(jī)的待機(jī)功耗，P=I0U=0．9I0Uin=0．09 W。
    為增大話筒的輸出信號，提高信噪比R4取51 kΩ，此時AB兩點的電壓約為23 V，話筒兩端的電壓為2～5 V可正常進(jìn)行放大。由于話筒的輸出信號較高，因此只進(jìn)行一級放大即可滿足高靈敏度要求。

    圖2中，電阻R3和R6對2．6 V電壓進(jìn)行分壓提供0．5～1 V的偏置電壓，以便提高檢測靈敏度。電流I0經(jīng)過白色的LED產(chǎn)生約為2．6 V的電壓提供給單片機(jī)。
1．2 LED燈驅(qū)動器電路
    LED是半導(dǎo)體二極管元件，伏安特性為非線性，其壓降具有負(fù)溫度特性，因此微小的電壓改變量，也會產(chǎn)生很大的電流變化量，一旦超過它的額定值就會損壞LED。為了延長其使用壽命，系統(tǒng)應(yīng)采取恒流驅(qū)動的方法。
    小功率白光LED的正向電壓范圍一般為2．8～4 V，工作電流15～20 mA。

    圖3為LED驅(qū)動器電路，利用高壓瓷片電容C3進(jìn)行降壓后，經(jīng)過橋式整流，再經(jīng)過C6濾波后驅(qū)動60個白色LED，提供約為3．6 W的功率。R8為高壓泄放電阻，R15為限流電阻可減少可控硅Q4導(dǎo)通時的脈沖電流，R9為LED組件的限流電阻可保護(hù)LED組件。
    電容降壓電路中，因為負(fù)載為60個LED串聯(lián)的組件，有3．1×60=186 V的電壓降，所以實際電容中的電流并不是連續(xù)的正弦波，而是脈沖波如圖4所示。

    表1中列出了輸入電壓在200～240 V范圍內(nèi)改變時LED的工作電流的變化情況。

    設(shè)定系統(tǒng)在230 V電壓下工作時的狀態(tài)為100％，那么輸入電壓在200～240 V范圍內(nèi)改變時，LED的工作電流的變化范圍為額定值的71％～108％，變化較小，具有一定的恒流特性。
1．3 聲光控LED燈單片機(jī)控制電路
    MK6A11P單片機(jī)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，內(nèi)含RC振蕩器、看門狗等。與其他系列單片機(jī)相比，省去了很多外圍元件，且價格低廉，適用于各種小型產(chǎn)品的設(shè)計。
    圖5為MK6A11P組成的檢測及控制電路，為了減少光檢測電路對2．6 V工作電壓的影響，在檢測時首先通過PB1口輸出40 ms的高電平，光敏電阻的響應(yīng)時間通常為20～30 ms，然后通過判斷PB3的高低電平狀態(tài)，判斷完后PB1輸出為低電平。

    在光檢測單元中，采用價格低、體積小、靈敏度較高的光敏傳感器R4作為光檢測器件。由R4、R17、D4、VR1共同組成環(huán)境亮度檢測電路，通過PB3檢測電壓。通過電壓采樣電路將電阻值的變化轉(zhuǎn)化成電壓信號的變化，將此電壓值與MK單片機(jī)的復(fù)位電平做比較，決定是否觸發(fā)聲控單元，進(jìn)而決定照明系統(tǒng)的工作狀態(tài)。
    如表2所示，為MK6A11P在2．6 V電壓下工作時，振蕩頻率與工作電流存在的關(guān)系。

    在控制電路中，由VR2、C10組成振蕩頻率控制電路，改變VR2值可改變時鐘頻率，從而改變延時時間。從表2中可知，工作電流的最大值為67μA，而通過D2的穩(wěn)壓電流為I0=460μA≥67μA，因此MK6A11P可穩(wěn)定工作。

    圖6為工作過程時序圖。當(dāng)聲音被檢測到后，單片機(jī)在PB1口輸出40 ms的高電平，檢測環(huán)境亮度，如果PB1口為低電平則LED燈不亮，如圖6中時序1～2所示；如果PB1口為高電平則LED燈被點亮，在LED亮的時候不檢測環(huán)境亮度，但檢測聲音狀態(tài)，如果有聲音被檢測則重新延時20 s，如圖6中時序3～5所示；如果PB1口為高電平則LED燈被點亮，同時多次檢測到聲音信號時，則最多延時40 s后自動關(guān)閉0．5 s，并檢測環(huán)境亮度，如果符合條件，則判斷上一次LED亮的時候檢測的聲音次數(shù)，若>2則自動點亮LED，從而防止由于頻繁的開和關(guān)而造成的不適感，如圖6中時序6～12所示。

2 結(jié)束語
    實驗結(jié)果表明，這種LED節(jié)能燈，在<0．1 W的待機(jī)功耗的情況下，對低頻的頻率響應(yīng)很好，聲控靈敏度大為提高，同時具有電壓使用范圍寬的特點。功率為3．6 W的LED燈，其照明效果在主觀上等同于現(xiàn)有的功率為11 W的節(jié)能燈的照明效果，具有一定的節(jié)能意義和廣闊的市場前景。