聲光控樓道燈的設計與制作

陳亞婷

（江蘇省昆山第一中等專業學校，江蘇昆山，215300）

1 聲光控樓道燈控制系統的總體設計

本文所提出的聲光控樓道燈控制系統總體組成包括：感應控制模塊、光源、光感模塊、開關模塊等。假設某居民樓有六層，且配有樓梯透光井（圖1）。其中每層樓有一個住戶。

圖1 聲光控樓道燈控制系統布局圖

在整個設計中，我們利用居民樓中的樓梯透光井所具有的透光性和連通性等特點，將一套含有兩組光源的聲光控樓道燈安裝于第三層樓梯的透光井所在處，其中，朝下的一組光源主要負責3層以下樓道的照明；朝上的一組光源主要負責3層以上樓道的照明。這樣既能為整個樓道照明，而且可以達到省材節能的效果。

同時，由于目前大多數樓道內的安全扶手，基本是采用不銹鋼的中空管，這樣可以利用不銹鋼聲音的傳播性對傳統聲光控樓道系統進行改進與優化，在本設計中，我們將聲光控開關傳感器安裝在三層樓和四層樓中間的扶手不銹鋼管內，這樣居民在任意樓層，只要輕輕敲打不銹鋼管，就能啟動整個樓層的照明系統。將聲音傳感器安裝于不銹鋼管內，可以增強傳感器對外界聲音的抗干擾性。

該控制系統具有以下兩點顯著優勢：

施工簡單、省材節能。在整個樓道中只安裝了一套含有兩組光源的聲光控樓道燈控制系統，兩組光源之間的距離在1.5米以上，兩組光源分別朝兩個方向照射，這樣通過墻壁的滿反射，就能照亮整個樓道，不僅施工簡單、省材節能，而且可以提高整個施工設計的觀賞效果。

使用方便、精準有效。由于樓道中的扶手采用的是不銹鋼中空管材料，在設計中充分利用不銹鋼中空管聲音的傳播性，將其作為聲音傳感的連通管道。在增強對外界聲音抗干擾能力的同時，使用極為方便。圖2為聲光控樓道燈控制系統開關安裝示意圖。

圖2 聲光控樓道燈控制系統開關安裝示意圖

聲音在介質中傳播聲強衰減公式為：

其中：α——聲強衰減系數；I0——聲音在入射介質中的初始聲強；I 為聲音在介質中傳播距離為x時的聲強。

聲音在空氣中和不銹鋼中傳播的速度分別為：340m/s和5900m/s；聲強衰減系數分別為α空=0.3dB/ m 和α鋼=0.02dB/ m 。所以根據公式1，可以計算出，在相同距離x 之下，聲音在鋼管中傳播聲強衰減量約比聲音在空氣中傳播聲強衰減量小17倍左右。相比于開放式的聲音傳播方式，聲音在鋼管中的傳播更為集中。所以，在本文的設計中，我們利用聲音在鋼管中的傳播優勢，將聲光控樓道燈開關的傳感器放置于三樓到四樓中間的扶手鋼管內，將鋼管作為聲音的傳輸介質，可以減少非指令聲音造成的信號干擾，同時也對外界干擾起到一定衰減和阻礙作用。這樣居民在任意樓層位置、以任意方式敲打鋼管，就能觸發整個樓道燈點亮。

2 聲光控樓道燈控制電路的優化設計

根據聲強投射計算公式可知，約有40%左右的外界干擾聲音能夠被隔離，相比于傳統的聲光控樓道燈控制系統抗干擾能力有一定程度的提升。同時，為了特提升聲光控樓道燈控制系統對環境的適應能力，我們對傳統的聲光控開關電路進行了優化與改善（圖3），通過增加聲光控樓道燈控制系統的調節功能，使其具有延時時間調節、聲控敏感度調節、光感亮度調節等多種功能，從而更好地適應不同場所實際環境及功能需求。

考慮到系統抗干擾性，電路中元器件選擇目前應用比較廣泛的數字IC CD4011，其內部是由四個獨立的2輸入端與非門電路構成的，所有輸出部分均帶有緩沖器，具有較強的抗干擾能力，工作可靠性高。

聲光控樓道燈開關是用聲音來控制開關的開啟，在延時幾分鐘后就會自動熄滅，所以，整個電路的功能就是將所接收到的聲音信號進行處理后，轉化為樓道燈的開啟動作。如圖3所示，在本文設計中，聲光空樓道燈開關的電路由單向可控硅、負載光源、橋式整流等部分組成，其中，主控芯片為CD4011，&a、&b、&c、&d是四個獨立的與非門電路，其功能是實現對電路中各個功能模塊的控制。R1、DZ、C1等元器件構成穩壓電路，作用是為整個電路系統提供電源；單向可控硅導通為高電平觸發，其作用是對光源的通斷電狀態進行控制。

2.1 延時時間調節功能

充放電電路是由R5、Rf2、VD2、C4等元器件組成，當敲打鋼管時，聲光控樓道燈控制開關受到聲音的觸發，使得VD2導通，但由于VD2電阻的電阻比較小，可以忽略不計，因此，充放電電路中的常數很小，這樣電容C4就能在短時間內充滿電壓，電壓大小為9V，此時，電容輸出為高電平，聲光控樓道燈中的2組光源通電，為整個樓道照明。在照明時，電容開始放電。放電電路是由R5、Rf2、C4三個元器件組成。根據放電回路特點，可以得出一階微分方程：

2.2 聲控敏感度調節功能

為了讓聲光控樓道燈控制系統適應不同大小的敲擊聲音，在設計中增加了聲控敏感度調節功能。在圖3中，MIC、R2、C2構成了拾音電路，MIC為駐極電容式聲音傳感器，其主要特點是體積小、線路簡單、價格便宜且靈敏度高、輸出阻抗高。駐極電容式聲音傳感器是目前比較常用的一種傳感器，廣泛地應用于多種通信、聲控等設備中。MIC的作用是將周圍環境中的聲音轉化為電信號后作為放大電路的輸入信號。MIC接收到外界聲音的大小，直接影響著C點兩端的電壓UC。

圖3 聲光控樓道燈開關的優化電路設計

反向比例放大器是由R3、R4、&a、R1f等元器件組成，其放大比例是：

其中，Rf1為可調節電阻，當改變Rf1大小時，放大電路的放大倍數也隨之發生改變，其范圍控制在667-2000倍。優化后的電路，能夠有效提高電路中的聲控靈敏度。

2.3 光感亮度調節功能

3 結束語

在本文所設計的聲光控樓道燈控制系統中，改變了傳統一層樓安裝一套聲光控制系統的安裝模式，而是將聲音傳感器安裝在中間樓層不銹鋼的扶手內部，讓不銹鋼扶手作為整個聲音觸發的連通管道，當在任意樓層敲擊任意位置時，都能觸發聲光控樓道燈的開關，由于在系統中增添了聲光控延時功能，所以，樓道燈可以延時關閉。這樣相比于傳統的樓道燈控制系統，既能有效解決“長明燈”帶來的弊端，而且將傳感器安裝在不銹鋼內，可以極大程度增加聲音傳播的抗干擾性，操作方便也非常實用。與此同時，在設計中將聲光控樓道燈與整個建筑融為一體，有利于增加設計的實用性、觀賞性。

此外，由于本設計利用了樓梯中透光井的透光連通性，所以該控制系統比較適用于一些設有透光井的場所。在這樣的場所中，只需要安裝一套聲光控樓道燈控制系統，就能實現整個樓道的照明功能，能夠在一定程度上降低建筑設施的施工成果及樓道燈的維修成本。相比于常見的聲光控開關，我們通過對聲光控開關電路的改良與優化，使其具有延時調節功能、聲光靈敏度調節功能、亮度起控點調節功能等，功能更加齊全，也能滿足不同建筑對聲光控樓道燈的需求。因此，本文所設計的聲光控樓道燈控制系統具有一定的經濟效益與推廣價值。