光控路灯控制器的设计.doc

光控路灯控制器的设计一、 任务与要求：利用光照的强度作为路灯的起控点，实现光线较亮时，自动关闭，晚上光线较暗时，自动开启路灯的控制。了解常用路灯控制的各种方法，及各自的优缺点，通过相互的比较，确定设计方案，并对所用传感器进行选型，同时加以电路的设计与分析，完成设计任务。二、分析利用光照强度为传感器，目前最为常用且性价比较高的就是光敏电阻，利用其光线较强时，电阻值较低，而光线较暗时则电阻较大的特点，利用电桥，可将光线信号转换成电信号，再通过电压比较器等方式，可以有效地完成控制需要。这类设计中，只要能将光线信号取出，整个设计也便完成了大半，至于控制部分的设计，可采用继电器输出，这样就算驱动较大的路灯负载，只需再加接触器便可完成。在本系统的设计中，如何提高系统在光线临界状态的稳定性，是设计的难点所在。由于光敏电阻的电阻值变化是连续的，因此在靠近临界点时，容易造成不稳定，在设计中若能用运放电路来完成处理，则可将运放接成电压比较器的方式，这样可以完成较为精确的起控；若采用分立元件来处理，可以采用稳压管来稳定工作点，只有当分压大于稳压管的击穿电压时，电路才能起控。三、原理图以下是我们制作好的实物照片：光控路灯控制器的设计一、 任务与要求：利用光照的强度作为路灯的起控点，实现光线较亮时，自动关闭，晚上光线较暗时，自动开启路灯的控制。了解常用路灯控制的各种方法，及各自的优缺点，通过相互的比较，确定设计方案，并对所用传感器进行选型，同时加以电路的设计与分析，完成设计任务。声光控路灯控制器可以自动实现白天光线较暗和晚上遇到声响时，路灯自动点亮，从而实现人来灯亮，人走灯灭，既方便又实用。不仅节约了电能，而且能延长灯泡使用寿命。可广泛应用于楼梯，走廊，卫生间及生活小区等公共场所的照明控制。此控制器经济实用，即使一般的脚步声也能出灯泡发光照明好。1  总体设计方案1.1  设计思路整个电路由电源电路，声控电路，光控电路及延时电路等部分组成。电源由太阳能电池供电，光敏控电路对外界光亮程度进行检测，输出与光亮程度相对应的电压信号。从而实现白天灯泡不亮晚上遇到声响时，通过声控电路使灯泡自动点亮，声控电路主要将声音信号转变为电信号，从而要实现自动控制，延时电路声音消失后延长一段光照时间。必要时可加一个手动开关，以增强电路的实用性。总体方框图如图1所示。1.3.1  电源电路由太阳能电池组成，大约输出10V左右的直流电压供后级电路使用。  1.3.2  光控电路    该电路主要由R4和光敏电阻GR组成，白天因光敏电阻GR受光线照射，电阻变小，IC的1脚呈低电位，IC的输出端为低电平，VS阻断，灯路关闭，这时，无论有多大声响，灯都不会亮。到夜晚，GR的电阻随环境光线的减弱而增大，与上述过程相反，VS导通。若出现光控时间偏早或偏晚，调节R4阻值，使GR两端的电压在阈值附近变化（天黑亮灯前后）。二、设计分析利用光照强度为传感器，目前最为常用且性价比较高的就是光敏电阻，利用其光线较强时，电阻值较低，而光线较暗时则电阻较大的特点，利用电桥，可将光线信号转换成电信号，再通过电压比较器等方式，可以有效地完成控制需要。这类设计中，只要能将光线信号取出，整个设计也便完成了大半，至于控制部分的设计，可采用继电器输出，这样就算驱动较大的路灯负载，只需再加接触器便可完成。在本系统的设计中，如何提高系统在光线临界状态的稳定性，是设计的难点所在。由于光敏电阻的电阻值变化是连续的，因此在靠近临界点时，容易造成不稳定，在设计中若能用运放电路来完成处理，则可将运放接成电压比较器的方式，这样可以完成较为精确的起控；若采用分立元件来处理，可以采用稳压管来稳定工作点，只有当分压大于稳压管的击穿电压时，电路才能起控。夜间通常要在现场设置并开启红色警示灯具，用来提醒过往的人员，以防止夜晚过往人员。为了提高警示效果、节省电能和方便使用，警示灯最好工作在闪烁状态，并采用自动控制方式。本文介绍的警示灯控制的电路就具备了闪烁和光控两种功能，即天黑后能控制警示灯自动开启并工作在闪烁状态，天亮后又能将警示灯自动关闭。声光控路灯控制器可以自动实现白天光线较暗和晚上遇到声响时，路灯自动点亮，从而实现人来灯亮，人走灯灭，既方便又实用。不仅节约了电能，而且能延长灯泡使用寿命。可广泛应用于楼梯，走廊，卫生间及生活小区等公共场所的照明控制。此控制器经济实用，即使一般的脚步声也能出灯泡发光照明好。（1）具有光控功能，白天光线较亮，即使有声音路灯也不亮，光线较暗，有声时路灯点亮。（2）具有声控功能，晚上光线较暗，有声音时路灯点亮，声音消失后延长。这是我首次课程设计，时间仓促，加之我水平有限，没有设计经验，在本文中有不当之处，希望老师与读者提出意见，帮助完善设计。摘要：介绍一种声光控路灯控制器的组成、性能，适用范围及工作原理，并给出了电路原理图及元件参数选择。夜间通常要在现场设置并开启红色警示灯具，用来提醒过往的人员，以防止夜晚过往人员。为了提高警示效果、节省电能和方便使用，警示灯最好工作在闪烁状态，并采用自动控制方式。本文介绍的警示灯控制的电路就具备了闪烁和光控两种功能，即天黑后能控制警示灯自动开启并工作在闪烁状态，天亮后又能将警示灯自动关闭。声光控路灯控制器可以自动实现白天光线较暗和晚上遇到声响时，路灯自动点亮，从而实现人来灯亮，人走灯灭，既方便又实用。不仅节约了电能，而且能延长灯泡使用寿命。可广泛应用于楼梯，走廊，卫生间及生活小区等公共场所的照明控制。此控制器经济实用，即使一般的脚步声也能出灯泡发光照明好。（1）具有光控功能，白天光线较亮，即使有声音路灯也不亮，光线较暗，有声时路灯点亮。（2）具有声控功能，晚上光线较暗，有声音时路灯点亮，声音消失后延长。这是我首次课程设计，时间仓促，加之我水平有限，没有设计经验，在本文中有不当之处，希望老师与读者提出意见，帮助完善设计。摘要：介绍一种声光控路灯控制器的组成、性能，适用范围及工作原理，并给出了电路原理图及元件参数选择。夜间通常要在现场设置并开启红色警示灯具，用来提醒过往的人员，以防止夜晚过往人员。为了提高警示效果、节省电能和方便使用，警示灯最好工作在闪烁状态，并采用自动控制方式。本文介绍的警示灯控制的电路就具备了闪烁和光控两种功能，即天黑后能控制警示灯自动开启并工作在闪烁状态，天亮后又能将警示灯自动关闭。声光控路灯控制器可以自动实现白天光线较暗和晚上遇到声响时，路灯自动点亮，从而实现人来灯亮，人走灯灭，既方便又实用。不仅节约了电能，而且能延长灯泡使用寿命。可广泛应用于楼梯，走廊，卫生间及生活小区等公共场所的照明控制。此控制器经济实用，即使一般的脚步声也能出灯泡发光照明好。（1）具有光控功能，白天光线较亮，即使有声音路灯也不亮，光线较暗，有声时路灯点亮。（2）具有声控功能，晚上光线较暗，有声音时路灯点亮，声音消失后延长。这是我首次课程设计，时间仓促，加之我水平有限，没有设计经验，在本文中有不当之处，希望老师与读者提出意见，帮助完善设计。摘要：介绍一种声光控路灯控制器的组成、性能，适用范围及工作原理，并给出了电路原理图及元件参数选择。三、原理图路灯控制器1引言在信息技术不断发展，人类文明不断进步的时代，越来越多的电子产品开始占们的日常工作和生活，在很多公共场所，只要短时间照明的场所，就需要安装一些电子器件，即能够自动控制开关，在有人的时候亮，人走之后，也能持续一段时间，路灯控制器是一种声光控制的器件，能实现这种功能，即在白天光线比较亮不需要照明的时候，即使有声音，灯也会不亮，而在天黑或光线比较暗的时候，能够使电路工作，自动控制灯打开，而且能够在声音消失后，延时照明一段时间，实现照明的目的。通过查阅大量书籍和资料，才在老师和同学的帮助下，设计出了一个简单的路灯控制器电路，其特性优越，用途广泛，功能健全，使用方便。 2 总体设计方案2.1 设计思路路灯控制器电路主要由声控电路，光控电路，开关控制电路及延时电路构成。工作时，光控电路和声控电路同时控制开并控制电路，而光控电路具有优先控制的功能，即先让光控电路来控制开关电路，即在光控电路工用的情况下，再有声音信号才能使用控制电路工作，使灯打开，且在声音消失后会延时照明一段时间，这部分电路由延时电路来实现，电源电路的作用是为负载电路提供照明电源同时向电路中的控制电路提供工作电源，交流电源经过桥式整流以后，再经过电容降压，为负载提供电源，同时经过稳压以后，为控制电路提供工作电流。该电路是利用光敏电阻对光敏感的特性和开关管的开关特性来实现，即白天或光线较亮的时候，控制灯不亮，而在晚上或光线较暗时控制灯亮，同时还要有一个延时电路，以达到延时照明的目的，声控和光控是共同进行控制的，因而还要有一个电路来控制，当有光亮的时候，此控制电路阻止，信号不再往下传输，即灯不会亮，而只有当光线足够暗且有声音的时候此控制电路才起作用，才往下一电路传输信号，灯才会亮。此电路既可以用三极管实现，也可以用4000糸列的数字集成实现，出于简单稳定的目的，这里选用数字集成电路来实现。本电路的主要任务是实现在白天光线比较亮的情况下，灯不亮，而在光线比较暗或天黑的时候，只要有声音（说话声、脚步声），灯就会亮，同时加上延时电路的延时作用，灯会延时亮一段时间，不致灯连续工作，造成能源浪费或元器械件的损坏。其控制电路可由TC4011BP数字集成电路来实现，延时电路由电阻，电容实现，光控电路由光敏电阻实现，开关电路由开关管实现。2.2 总体设计方框图路灯控制器电路的总体框图由声控、光控电路，声光控制电路，开关电路，延时电路，负载电路和电源电路等构成，工作时，先由光控电路和声控电路一起向声光控制电路输入信号，当两个信号同时有效时，声光控制电路才往下传输信号，才向开并电路送去信号，使开关打开，同时也促使延时电路开始工作，而电路的电源由电源经过桥式整流以后，再经过降压电路降过压以后来提供，电路中其他需供电的电路由降压以后再进行稳压以后来供电，负载的供电直接由电源来提供。总体框图如下所示，工作流程如箭头所示：3 设计原理分析3.1  路灯控制器的原理路灯控制器的电路如附图1所示。附图1的电路的工作做原理如下：交流220V电源电压经灯泡LED后，由D1-D4的整流桥整流，电阻R1,R10分压，电容C1滤波，D6稳压后产生12V左右的直流电压给控制电路供电。在光线教亮时，光敏电阻RG的阻值较低，使集成块TC4011BP的1脚呈低电平；又由于R6,R8电阻分压后，为三极管9014的基极提供正偏电压，三极管一直处于饱和导通状态，其集电极（TC4011BP的2脚）呈低电平，使TC4011BP的3脚出高电平，4脚出低电平，二极管D5反偏截止，使TC4011BP的10输出高电平，TC4011BP的11脚输出低电平，开关管截止，灯泡不亮。在晚上没光或者光线较暗时，光敏电阻的阻值变大使集成块TC4011BP的1脚呈高电平；但由于话筒没有信号输入，三极管V1处于导通状态，其集电极为低电平，所以IC-1,IC-3脚仍输出高电平，其IC-2,IC-4脚输出低电平，灯泡仍然不亮。当有声音或者脚步声时，话筒MIC将声音信号转化为电信号，通过电容C2耦合到三极管的基极，使三极管瞬间截止，TC4011BP的2脚为瞬间高电平，又因为TC4011BP的1脚为低电平，在TC4011BP的4脚输出高电平时，经二极管D5向电容C3充电.同时TC4011BP的11脚输出高电平，经过R2,R3分压后，产生一个约2V左右的触发信号，使开关管导通，灯泡LED发光。此时若外部没有声音信号输入，三极管导通，TC4011BP芯片的3脚输出高电平，4脚输出低电平，二极管D5反向截止，电容C3通过R9开始放电，由于R9的阻值较大，电容C3上所充的电压要经过一段时间才能放完。这样使TC4011BP的3，4脚保持原电平输出，等电容C3的放电结束后，TC4011BP的8，9脚呈低电平，经过芯片IC-3与非门反相后促使IC-4也输出低电平，从而使开关管关断，切断LED的电源回路，达到灯泡发光延时自动关断的目的。3.2 单元电路的设计3.2.1 电源电路设计电源电路的主要作用是为路灯控制器的负载提供电源，同时为其中的控制电路提电源，其由220V交流电源经过一个桥式整流的整流作用，再经过电阻R1， R2分压，C1滤波，使电压稳定在10V左右，为数字集成电路TC4011BP和其他负载电路提供稳定直流电压，同时经桥式整流过的电压经过开关管给光源负载供电。   3.2.2 延时电路延时电路的作用主要是完成保持晶闸持续导通一段时间，维持发光二极管持续发光一段时间，持续时间的长短由延时电容的放电时间来决定，延时电容的放电时间即为照明的持续时间，当充电电容通过电阻放电，从开始放电开始直到放电结束的这一段时间（即由R，C）来决定，只要改变电阻值或电容值，即可改变充放电时间长短，从而维持TC4011BP的8，9脚的高电平在一段时间内保持不变，从而决定LED的发光的时间长短，即维持照明的时间改变。其组成只要由电阻、电容，电容是通过电阻放电的。改变电阻阻值和电容容量可以改变灯泡维持点亮的时间,3.2.3 声光控制电路控制电路的主要作用是完成对声控和光控电路的控制，即照明电路的亮与不亮都由控制电路来控制完成，控制电路是路灯控制电路中的主体电路，它包括声控和光控电路，只有当声控和光控电路同时起作用时，即既有光信号又有声音信路时，控制电路才会作用，开关打开。该部分电路主要有声音信号转换电路，光信号转换电路和TC4011BP构成。电路如图4所示。光控部分采用光敏电阻的感光特性来工作的，即当有光线的时候，其处于低电阻状态，其上几乎不分得电压；在没有光线或者光线较暗的时候，其处于高阻状态。光敏电阻的光电特性如图5所示，此电路就是利用光敏电阻的光电特性输出高低电平信号来起到光控作用的。声控部分主要是通过话筒等声音接收电路来把声音信号转化为电信号。三极管V1在没有声音信号时处于饱和状态，当有声音信号时，声音信号通过电容的耦合，短时间内拉低V1基极的电位，使三极管V1的瞬间截止,V1的集电极上产生一个瞬间高电平送入控制电路，经过处理，从而达到声控的目的。 3.2.4 开关电路开并电路由一个开关管和两个分压电阻组成，由开关管的开关作用来控制发光管的亮与灭。该部分工作原理如下：当TC4011BP的3脚输出高电平时经过R2,R3分压后供给SCR控制极一个约2V左右的开关信号，使开关管V2导通，灯泡发光。当TC4011BP的3脚为低电平时，开关管关断， LED熄灭，直到3脚变为高电平时才亮。其电路原理如下：3.2.5照明电路由于半导体照明比现有的照明光源更加节能，因此半导体照明又被称为照明领域中的又一次革命。比如，一只60W的白炽灯泡要消耗60W的电能，发出大约800lm的光，用现有的节能灯管，需要12W-15W的电能，如果用半导体照明(假定发光效率为120lm/W-150lm/W)。只需要6W-8W的电能，目前LED的发光效率为100lm/W。此路灯控制电路设计的初衷是节能，照明电路采用的是高亮度10个LED串联成一组，四组并联。亮度即能满足场合需要又达到节能降耗的要求。电路原理图如图7。 该电路中的R11为分压电阻，电容C4为滤波电容，起滤波稳压作用，保证LED两端为正向的直流电压，减少纹波造成的LED的损坏，又起到在瞬间大电流时分流保护LED的作用，其容量较小。对于高亮度LED的连接方式，是根据相关资料没有经过开关降压方式的220V直接驱动的一串LED发光电路，其额定功率是恒定的6.2W左右，从1颗到大约90颗每一颗的耗电量是一样的。从这一点来说，允许范围内一串LED的数量越多，电压使用效率越高，就越节能，也才能发挥LED自身的节能优势。根据所选型号相关参数计算，采用40个LED便可以满足公共场合的照明需要。表1 LED型号与在20mA测试条件下的参数产品型号形状发光颜色角度（deg）亮度（mcd）平均值电压（V）BT30圆形白色30150002.53.2.6元件名称及型号：表 2 相关元件型号RGICV1V2LEDD1-D5MJ12537-2TC4011BP90142SC5200BT30CD4069 滤波电容C1的选择是根据芯片工作电压和后续电路的需要来选择的，由于此处用到的芯片TC4011BP的工作电压在318V之间，考虑到后续电路要工作在饱和状态，滤波电容选择16V耐压。耦合电容C2的选择耦合信号的需要来选择，它决定电路对声音的敏感度。据调查一般场合采用容量为105u的电容即可满足要求，此处采用105u的电容。延时电容C3的选取设置灯泡点亮的时间的长短来选择容量的大小的，此处选择的型号为16V100u。根据电阻阻值和电容容量可计算延时。此处设计延时时间为90秒。滤波电容C4的选择是根据电压来选择的。此处选择的型号为250V100u即可满足滤波稳压的要求。降压电阻的选取：负载由LED构成，本电路路采用多个LED串并联的形式，先串再并，以达到分压分流的目的，此处用十个串再四个并联。LED采用BT30型，它能承受的最大电流是20mA，承受的最大电压是2.5V。相关研究资料表明该二级管电流维持在19mA时，发光效率最高。据此可以计算限压电阻的最小阻值：4 总结与体会此次的课程设计使我对路灯控制器的工作原理及工作特点都有了进一步的了解，并对有关的知识有了更进一步的掌握，对它的性能和特点也有了更全面的把握，明白了很多关于它的很多理论和实践知识，其电路结构简单，工作性能稳定，功能容易实现，其可用常用的电子元器件构成，因此成本较低。在此基础上也确实存在着一些间题与不足，比如负载的性能稳定问题，光敏电阻的敏感性问题，还有声控电路的声音感应敏感性问题，电路识别能力导致的误操作问题但总体上还是比较简单实用的。三周的课程设计很快就过去了，其中感受最多的还是自己的实践动手能力不太好，而且对学过的知识的运用还不太熟，学过的东西不知道该怎么应用，不可避免地遇到了不少的问题，也学会了自己去思考怎样分析问题和解决问题，锻炼了自己动脑、动手的积极性，同时也是动学过的知识的一种复习和加深，同时也让自己学会了如何运用已学过的知道来解决实际问题，对自己也是一种提高和锻炼。通过这次的实习，使我懂得了很多，也学到了很多的东西，可以说收获不少，其实学习的真正意义也就f是能够将学到的东西运用到实际的应用中，为社会作贡献，为人们的生活服务，而我们的任务就是把我们所学到的知识运用到实际生活中，只有这样我们才真正地达到了学习的真正目的。在设计过程中,不可避免地遇到了很多问题,多亏了宋老师，张老师和邵老师及同学们的热心帮助,在此表示衷心感谢!参考文献1康华光，邹寿彬，秦臻. 电子技术基础数字部分M.北京高等教育出版社，2005 2何希才.常用集成电路简明速查手册M.北京：国防工业出版社，2006 3赵广林常用电子元器件识别/检测/选用一读通M.北京：电子工业出版社，20074张新德最新通用晶闸管置换手册M.北京：机械工业出版社，2007 5丁伟，丁绍平等半导体二极管参数与代换手册稳压二极管分册M.上海:上海交通大学出版社，19996 曾祥富.电子技术基础M.北京：高教出版社,19987 彭介华.电子技术课程设计指导M.北京：高等教育出版社,1997 附图1：电气原理图   附图2：PCB图 附图三： 三维效果图 参考文献1王俊峰,斐炳南,李传光.电子产品的设计与制作工艺.北京理工大学出版社,19952清华大学电子学教研组编.童诗白.模拟电子技术基础 第三版,北京:高等教育出版社,20043华成英.电子技术.北京:中央广播电视大学出版社,19964杨素行.模拟电子电路.北京:中央广播电视大学出版社,19945何希才,伊兵.实用电子电路设计.北京:电子工业出版社,19986叶挺秀.应用电子学.杭州:浙江大学出版社,1994    7王楚,徐道衡.电子线路原理.北京:北京大学出版社,1995