微功耗高灵敏度声光控制型LED照明灯的设计

摘要 利用MK6A11P的微功耗特性，设计了具有微功耗、声光控制、高灵敏度的LED照明灯。其具有<0．1 W的待机功耗、灵敏度高，克服了现有声控灯灵敏度过低的问题。同时解决了声控灵敏度高时产生的常亮现象，可广泛应用于人群流动较为随机的公共场所，如走廊、电梯口、公共卫生间等。经实验证明，这种LED照明灯具有电路简单、工作稳定可靠、点亮时间可调等优点。
关键词 MK6A11P；LED照明灯；声控；微功耗

    智能型照明灯能够根据需要适时地改变照明状态，在保证舒适性的前提下尽量节省电能。具体措施是在无人时及时自动熄灯，在有可利用的自然光时，适时地减少或停止电气照明。如走廊、电梯口、公共卫生间等处采用的声控灯或感应灯，此类智能灯具有很大的节能效果。
    传统的照明灯正在逐渐地被新型的高效、节能、环保、长寿命的半导体照明灯具所取代，如楼道所用的LED灯，其在白天和晚上的大部分时间处于待机状态，因此在设计中实现低功率待机是很关键的。
    由于现有的产品为减少待机功耗，使用压电陶瓷片作为声音传感器，频率响应很差，特别是对低频声音的触发灵敏度过低，只有发出很大的响声时，才能点亮灯具，因此使用很不方便。
    文中利用MK6A11P的微功耗特性设计了微功耗、声光控制型高灵敏度LED照明灯。这种照明灯采用驻极体电容话筒作为声音传感器，具有很好的频率响应，大大改善了对低频的响应。
    当灵敏度提高后就会产生对环境噪声很敏感的误报现象，特别是白天各种噪声较多，声控灯有可能变为&ldquo;常明灯”。例如早晨或者白天光亮不足时，LED照明灯被点亮后，由于工作在“可重触发”模式工作，因此只要有声音灯就会一直亮，而这时光亮却很充足。
    如果采用&ldquo;不可重触发”模式工作，则被点亮一段时间后，无论有无声音，灯具总是关闭2～3 s，然后再检测环境光照条件，如有声音信号则灯具被点亮，这样就克服了上述的缺点，但人在时频繁关灯，会产生不适的感觉。
    文中利用MK6A11P单片机的智能功能，克服了上述缺点，并采用麦克风、声音放大器与MK6A11P单片机串联的方法，提高了检测灵敏度，降低了待机功耗。在LED驱动电源部分采用电容降压方式，省去了复杂的驱动电路，这种电路损耗小，具有一定的恒流驱动特性，可延长LED的使用寿命。灯具被触发后，其照明时间在5～40 s之间可调，满足不同照明场合的需求。

1 LED灯的整体框图
    图1为整体框图，交流220 V电源经过电容降压后，再经整流和滤波后变成直流电来驱动LED灯具，同时经过高阻值的限流电阻，产生麦克风、放大器和单片机的供电电源。单片机接收到声音触发信号后，通过光检测器检测环境亮度，通过可控硅控制LED组件的亮灭。灯具的点亮时间可利用外部的振荡频率控制电阻进行改变。

1．1 声光控LED灯声音检测电路
    在图2中，交流220 V电源经过降压电容C3、整流桥D1后变成直流，经过限流电阻R1后提供给话筒和放大器。通常驻极体话筒的额定工作电流为300～500μA范围，因此R1的选取范围应能提供这个电流值。全波整流后的输出电压平均值由式(1)决定。
   
   式中RL为整流桥输出端的负载电阻Uin=220V。由于RL两端的电压远大于AB两点的电压，因此RL≈R1=430kΩ，代入式(1)后可得I0=460μA。
    R1损耗的功率近似为整机的待机功耗，P=I0U=0．9I0Uin=0．09 W。
    为增大话筒的输出信号，提高信噪比R4取51 kΩ，此时AB两点的电压约为23 V，话筒两端的电压为2～5 V可正常进行放大。由于话筒的输出信号较高，因此只进行一级放大即可满足高灵敏度要求。

    图2中，电阻R3和R6对2．6 V电压进行分压提供0．5～1 V的偏置电压，以便提高检测灵敏度。电流I0经过白色的LED产生约为2．6 V的电压提供给单片机。
1．2 LED灯驱动器电路
    LED是半导体二极管元件，伏安特性为非线性，其压降具有负温度特性，因此微小的电压改变量，也会产生很大的电流变化量，一旦超过它的额定值就会损坏LED。为了延长其使用寿命，系统应采取恒流驱动的方法。
    小功率白光LED的正向电压范围一般为2．8～4 V，工作电流15～20 mA。

    图3为LED驱动器电路，利用高压瓷片电容C3进行降压后，经过桥式整流，再经过C6滤波后驱动60个白色LED，提供约为3．6 W的功率。R8为高压泄放电阻，R15为限流电阻可减少可控硅Q4导通时的脉冲电流，R9为LED组件的限流电阻可保护LED组件。
    电容降压电路中，因为负载为60个LED串联的组件，有3．1×60=186 V的电压降，所以实际电容中的电流并不是连续的正弦波，而是脉冲波如图4所示。

    表1中列出了输入电压在200～240 V范围内改变时LED的工作电流的变化情况。

    设定系统在230 V电压下工作时的状态为100％，那么输入电压在200～240 V范围内改变时，LED的工作电流的变化范围为额定值的71％～108％，变化较小，具有一定的恒流特性。
1．3 声光控LED灯单片机控制电路
    MK6A11P单片机具有较强的抗干扰能力，内含RC振荡器、看门狗等。与其他系列单片机相比，省去了很多外围元件，且价格低廉，适用于各种小型产品的设计。
    图5为MK6A11P组成的检测及控制电路，为了减少光检测电路对2．6 V工作电压的影响，在检测时首先通过PB1口输出40 ms的高电平，光敏电阻的响应时间通常为20～30 ms，然后通过判断PB3的高低电平状态，判断完后PB1输出为低电平。

    在光检测单元中，采用价格低、体积小、灵敏度较高的光敏传感器R4作为光检测器件。由R4、R17、D4、VR1共同组成环境亮度检测电路，通过PB3检测电压。通过电压采样电路将电阻值的变化转化成电压信号的变化，将此电压值与MK单片机的复位电平做比较，决定是否触发声控单元，进而决定照明系统的工作状态。
    如表2所示，为MK6A11P在2．6 V电压下工作时，振荡频率与工作电流存在的关系。

    在控制电路中，由VR2、C10组成振荡频率控制电路，改变VR2值可改变时钟频率，从而改变延时时间。从表2中可知，工作电流的最大值为67μA，而通过D2的稳压电流为I0=460μA≥67μA，因此MK6A11P可稳定工作。

    图6为工作过程时序图。当声音被检测到后，单片机在PB1口输出40 ms的高电平，检测环境亮度，如果PB1口为低电平则LED灯不亮，如图6中时序1～2所示；如果PB1口为高电平则LED灯被点亮，在LED亮的时候不检测环境亮度，但检测声音状态，如果有声音被检测则重新延时20 s，如图6中时序3～5所示；如果PB1口为高电平则LED灯被点亮，同时多次检测到声音信号时，则最多延时40 s后自动关闭0．5 s，并检测环境亮度，如果符合条件，则判断上一次LED亮的时候检测的声音次数，若>2则自动点亮LED，从而防止由于频繁的开和关而造成的不适感，如图6中时序6～12所示。

2 结束语
    实验结果表明，这种LED节能灯，在<0．1 W的待机功耗的情况下，对低频的频率响应很好，声控灵敏度大为提高，同时具有电压使用范围宽的特点。功率为3．6 W的LED灯，其照明效果在主观上等同于现有的功率为11 W的节能灯的照明效果，具有一定的节能意义和广阔的市场前景。