微功耗高靈敏度聲光控制型LED照明燈的設(shè)計(jì)
摘要 利用MK6A11P的微功耗特性,設(shè)計(jì)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(shí)解決了聲控靈敏度高時(shí)產(chǎn)生的常亮現(xiàn)象,可廣泛應(yīng)用于人群流動(dòng)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(shí)驗(yàn)證明,這種LED照明燈具有電路簡單、工作穩(wěn)定可靠、點(diǎn)亮?xí)r間可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。
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(shí)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(shí)及時(shí)自動(dòng)熄燈,在有可利用的自然光時(shí),適時(shí)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(shí)間處于待機(jī)狀態(tài),因此在設(shè)計(jì)中實(shí)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(shí),才能點(diǎn)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(jì)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(huì)產(chǎn)生對環(huán)境噪聲很敏感的誤報(bào)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(shí),LED照明燈被點(diǎn)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(huì)一直亮,而這時(shí)光亮卻很充足。
如果采用“不可重觸發(fā)”模式工作,則被點(diǎn)亮一段時(shí)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(diǎn)亮,這樣就克服了上述的缺點(diǎn),但人在時(shí)頻繁關(guān)燈,會(huì)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(diǎn),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(dòng)電源部分采用電容降壓方式,省去了復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路,這種電路損耗小,具有一定的恒流驅(qū)動(dòng)特性,可延長LED的使用壽命。燈具被觸發(fā)后,其照明時(shí)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(dòng)LED燈具,同時(shí)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(diǎn)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(gè)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(diǎn)的電壓,因此RL≈R1=430kΩ,代入式(1)后可得I0=460μA。[!--empirenews.page--]
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(shí)AB兩點(diǎn)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(dòng)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(huì)產(chǎn)生很大的電流變化量,一旦超過它的額定值就會(huì)損壞LED。為了延長其使用壽命,系統(tǒng)應(yīng)采取恒流驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)60個(gè)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(shí)的脈沖電流,R9為LED組件的限流電阻可保護(hù)LED組件。[!--empirenews.page--]
電容降壓電路中,因?yàn)樨?fù)載為60個(gè)LED串聯(lián)的組件,有3.1×60=186 V的電壓降,所以實(shí)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(shí)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(shí)的狀態(tài)為100%,那么輸入電壓在200~240 V范圍內(nèi)改變時(shí),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(jià)格低廉,適用于各種小型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。
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(shí)首先通過PB1口輸出40 ms的高電平,光敏電阻的響應(yīng)時(shí)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(jià)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)。[!--empirenews.page--]
如表2所示,為MK6A11P在2.6 V電壓下工作時(shí),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(shí)鐘頻率,從而改變延時(shí)時(shí)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(shí)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(shí)序1~2所示;如果PB1口為高電平則LED燈被點(diǎn)亮,在LED亮的時(shí)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(shí)20 s,如圖6中時(shí)序3~5所示;如果PB1口為高電平則LED燈被點(diǎn)亮,同時(shí)多次檢測到聲音信號時(shí),則最多延時(shí)40 s后自動(dòng)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(shí)候檢測的聲音次數(shù),若>2則自動(dòng)點(diǎn)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(shí)序6~12所示。
2 結(jié)束語
實(shí)驗(yàn)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(shí)具有電壓使用范圍寬的特點(diǎn)。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。