开关门自动照明模拟电路

摘要 描述了由直流稳压电源、霍尔传感器、单稳态触发器和D触发器组成的开关门自动照明电路。设计实现当有人推门而入时，室内照明灯自动亮起；而当有人推门而出时，照明灯自动熄灭的控制功能。
关键词 自动照明；霍尔传感器；单稳态触发器；D触发器

    通常室内照明灯都用开关按钮控制灯的亮灭，文中介绍了一种自控照明灯电路，其无需人为操作，省电方便，适合家庭使用。实现了当有人推门而入后，室内照明灯自动亮起；而当有人推门而出时，照明灯自动熄灭的控制功能。

1 单元电路分析
    该开关门自动照明模拟电路主要由直流稳压电源、CS3020霍尔传感器、NE555单稳态触发器和CC4013双D触发器4部分，电路图如图2所示。

    直流稳压电源是由交流电源、整流桥2W10、稳压元件LM7850、电容C1、C2、C3、C4构成的桥式整流电容滤波稳压电路提供。该电路需要5 V的直流稳压电源，故用50 Hz的交流电流经过整流、滤波和稳压后获得。整流电路将交流电压转换成直流电压；滤波电路滤除整流后单向脉冲电压中的交流成分，使之成为平滑的直流电压；稳压电路是当输入交流电源电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定，该电路中采用集成稳压器以达到稳压的目的，有些开关门模拟电路中也可以用稳压二极管代替。
    开关型霍尔集成传感器提供开关式的数字信号，是由霍尔传感器CS3020配合小磁钢来使用，这部分单元电路还包含电阻R1、R2和发光二极管LED1，而霍尔传感器中的核心霍尔元件是利用霍尔效应制作而成。开关型霍尔集成传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号，其中霍尔传感器和小磁钢配对使用的目的是，需要用小磁钢来提供磁场。如果电路中没有信号产生，可以改变小磁钢的方向再试一次，因为霍尔传感器对小磁钢的极性有一定要求。没有磁钢提供磁场时传感器输出高电平，而有磁钢时则输出低电平。
    单稳态触发器由NE555定时器构成，这部分单元电路还包含元件电阻R4、电容C5、C6。其中单稳态触发器的工作特点是：在没有受到外界触发脉冲作用的情况下，单稳态触发器保持在稳态；在受到外界触发脉冲作用的情况下，单稳态触发器翻转，进入“暂稳态”。假设稳态为0，则暂稳态为1；经过一段时间，单稳态触发器从暂稳态返回稳态。单稳态触发器在暂稳态停留的时间仅取决于电路本身的参数。
    双D触发器CC4013与电阻R5、R6、发光二极管LED2、LED3构成最后一部分单元电路。双D触发器工作特点是：CP上升沿触发，信号发生翻转，抗干扰能力极强。

2 开关门自动照明电路的工作现象
    通电后，LED1点亮，LED2先亮后灭，而LED3是灭的。当小磁钢靠近时，LED1灭，LED2和LED3亮；若移走小磁钢，LED1亮，LED2灭，LED3保持亮；小磁钢再次靠近时，LED1灭，LED2亮而LED3灭；若再次移走小磁钢，LED1亮，LED2灭，LED3灭，恢复到通电初始的状态；这和开关门自动照明灯的实际需求一致。其中LED3相当于室内的照明灯，而小磁钢的作用相当门。当推开门人进入后，门的状态是先被打开后自动关上，相当于小磁钢的靠近和离开，在这个过程中室内照明灯要求是点亮的，故LED3点亮；当再次打开门出去后，门的状态仍然是打开后自动关上，又相当于小磁钢的第二次靠近和离开，在这个过程中室内照明灯要求是自动灭的，故LED3灭。

3 开关门自动照明电路的工作原理
    通电后小磁钢未靠近霍尔传感器时，由于没有信号，传感器输出为高电平，故发光二极管导通，LED1亮，而高电平信号输入到NE555的低电平输入端2脚时，无触发信号，故发光二极管LED2由于不导通是灭的，所以D触发器CC4013也没有信号触发，发光二极管LED3灭；当小磁钢靠近霍尔传感器时，受到磁场强度变化的影响，传感器输出为低电平，发光二极管LED1截止，灯灭，该低电平信号输入到NE555的2脚时，输入脚低电平触发，输出为高电平，发光二极管LED2导通发亮，故3脚输出为高电平，D触发器CC4013的11脚上升沿触发，此时输出信号翻转，输出为高电平，发光二极管LED3导通发亮；当小磁钢离开霍尔传感器后，磁场强度减小时传感器输出为高电平，故发光二极管再次导通，LED1亮，而高电平信号输入到NE555的低电平输入端2脚，无触发信号，发光二极管LED2由于不导通由亮变暗，灯灭，但D触发器CC4013只有上升沿触发，故输出信号无改变，发光二极管LED3仍保持导通发亮状态不变；当小磁钢再次靠近霍尔传感器时，磁场强度再次加强时传感器输出为低电平，发光二极管LED1截止，灯灭，当低电平信号输入到NE555的2脚时，输入脚低电平触发，输出为高电平，发光二极管LED2导通发亮，故3脚输出为高电平，D触发器CC4013的11脚上升沿触发，故输出信号翻转，输出从高电平翻转为低电平，发光二极管LED3截止，灯灭；而小磁钢再次离开霍尔传感器后，无信号时传感器输出为高电平，故发光二极管再次导通，LED1亮，而高电平信号输入到NE555的低电平输入端2脚，无触发信号，故发光二极管LED2不导通由亮变暗，灯灭，但D触发器CC4013需要在上升沿触发，输出信号无改变，发光二极管LED3仍然保持导通灭灯状态不变。

4 结束语
    开关门自动照明灯现在广泛使用在各类建筑中和家庭中，为验证此电路的可行性，该模拟电路是在直流+5 V电源触发下运作的，负载是普通的发光二极管，实验证明该电路可以正常运行，而日常生活中多使用220 V交流电源的用电器，可以在该电路的基础上做出相应调整，即可去掉发光二极管LED3，加上双向晶闸管和灯泡。双向晶闸管在电路中作为开关元件使用，除此之外双向晶闸管可以用小信号控制大电流，这样就可以在双向晶闸管的输出端接高电压大功率的元器件，最终实现当磁钢靠近时220 V的白炽灯亮，远离时保持亮的这种状态，当磁钢再次靠近时220 V的白炽灯灭，远离时保持此状态，从而实现开关门自动照明电路控制。