帶計(jì)時(shí)的光控路燈原理與設(shè)計(jì)

張國文

（赤峰學(xué)院 后勤管理處，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

帶計(jì)時(shí)的光控路燈原理與設(shè)計(jì)

張國文

（赤峰學(xué)院 后勤管理處，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

該設(shè)計(jì)是通過光敏電阻控制555芯片的高低電平輸出，從而使路燈的開或關(guān)能由外界光線控制.555芯片的輸出接計(jì)時(shí)電路的使能端，以及計(jì)數(shù)電路的脈沖端，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)與計(jì)數(shù)電路的同步啟動.用555芯片接成一個頻率為1HZ的多諧振蕩器，作為脈沖信號產(chǎn)生電路.使用了CD4511驅(qū)動共陰極的七段數(shù)碼管以構(gòu)成顯示電路.

路燈控制器；光敏電阻器；光控路燈

1 引言

隨著大中城

市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，城市照明路燈的數(shù)量越來越多，傳統(tǒng)的通過人工開關(guān)控制照明的方式已經(jīng)跟不上時(shí)代的發(fā)展的步伐，隨著數(shù)字技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，節(jié)約能源、提高照明效率和管理水平，對我們提出了更高要求.近年來，高強(qiáng)度發(fā)光二極管(LED)普遍應(yīng)用到電路中，很好的改善了路燈的發(fā)光強(qiáng)度和延長了使用壽命.本文設(shè)計(jì)的路燈控制器將隨著光照的強(qiáng)弱來自動開啟和閉合路燈的開關(guān).

2 電路的設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)是通過光敏電阻控制555芯片的高低電平輸出，從而使路燈的開或關(guān)能由外界光線控制.555芯片的輸出接計(jì)時(shí)電路的使能端，以及計(jì)數(shù)電路的脈沖端，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)與計(jì)數(shù)電路的同步啟動.用555芯片接成一個頻率為1HZ的多諧振蕩器，作為脈沖信號產(chǎn)生電路.使用了CD4511驅(qū)動共陰極的七段數(shù)碼管以構(gòu)成顯示電路.當(dāng)光照強(qiáng)度減弱時(shí)，光敏電阻器的阻值會增大.555芯片的觸發(fā)端口、閾值端口會出現(xiàn)低電平.當(dāng)觸發(fā)端口電平低于1/3Vcc且閾值端口低于2/3Vcc時(shí)，輸出口出現(xiàn)高電平.此時(shí)路燈被點(diǎn)亮.而當(dāng)光照強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí)，光敏電阻器的阻值會減小.觸發(fā)端口電平高于1/3Vcc且閾值端口高于2/3Vcc，輸出口出現(xiàn)低電平.此時(shí)路燈被熄滅.由于來往車輛的車燈、反光等外部瞬時(shí)光照可能會給光敏電阻帶來的短暫光照，造成系統(tǒng)錯誤動作，我們設(shè)置了電容的充電延時(shí)電路.通過分析，方案可行.電路的原理框圖如下：

圖1 電路的原理框圖

3 單元電路的設(shè)計(jì)與分析

3.1 光敏電阻

光敏電阻器（photoresistor or light-dependent resistor）是一種電阻值隨入射光強(qiáng)改變的電阻器.它基于半導(dǎo)體的光敏效應(yīng)原理.入射光強(qiáng)電阻減小，反之亦然.光敏電阻一般用于光的測量、控制以及光電信號轉(zhuǎn)換.常用的光敏電阻器為摻雜型光敏電阻.光敏電阻器的阻值可根據(jù)光照在數(shù)千歐到數(shù)兆歐之間調(diào)節(jié).

3.2 光敏電阻工作原理

光敏電阻的基本原理為內(nèi)光電效應(yīng).封裝形式為帶透明窗的光敏半導(dǎo)體.光敏半導(dǎo)體在黑暗環(huán)境下阻值很高.當(dāng)光敏半導(dǎo)體受到頻率足夠高的光線照射后，光子能量會超過半導(dǎo)體材料的禁帶寬度.此時(shí)，光子的能量會被價(jià)帶中的電子捕獲，供其成功躍遷到導(dǎo)帶.對應(yīng)的，一個帶正電荷的空穴就在價(jià)帶中產(chǎn)生了.這些“電子～空穴”增加了半導(dǎo)體材料中載流子的數(shù)目.從宏觀上，光敏電阻電阻率變小，阻值下降.在光頻足夠的前提下，光照越強(qiáng)，光敏電阻阻值越低.而當(dāng)入射光消失后，載流子隨“電子～空穴”的復(fù)合而降低，宏觀阻值也就恢復(fù)原值.在光敏電阻兩端加電壓，用波長足夠短的光線照射時(shí)，電流會隨光強(qiáng)變大.這樣便實(shí)現(xiàn)了光電信號的轉(zhuǎn)換.

圖2 光敏電阻原理圖

3.3 多諧震蕩電路的設(shè)計(jì)

555定時(shí)器是一種中規(guī)模集成電器件.它使用靈活，結(jié)構(gòu)簡單，用途廣泛.555芯片一般用雙極性工藝制作，而7555則是用CMOS工藝制作.555的派生型號還有556、558、559等.電源電壓范圍寬是555定時(shí)器的一大特點(diǎn).555可在4.5V～16V下工作.而7555可在V3～18V工作.輸出驅(qū)動電流約為200mA，故而可與TTL.CMOS及模擬電路電平兼容.

555定時(shí)器由分壓器、電壓比較器、基本RS觸發(fā)器、放電三極管和緩沖反相器組成.可構(gòu)成多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生電路.

3.4 譯碼顯示電路的設(shè)計(jì)

數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管.后者多出的發(fā)光單元用于小數(shù)點(diǎn)的顯示.按發(fā)光二極管單元連接方式，數(shù)碼管分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管.將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極的數(shù)碼管稱為共陽數(shù)碼管.共陽數(shù)碼管應(yīng)將公共極接到高電平.當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，相應(yīng)段就點(diǎn)亮，反之不亮.同理，共陰數(shù)碼管則是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極的數(shù)碼管.共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極COM接到地線GND上.字段的發(fā)光二極管為高電平點(diǎn)亮.

本設(shè)計(jì)中選用的是共陰極七段數(shù)碼管.如圖3所示.

如圖，用于驅(qū)動的是CD4511譯碼驅(qū)動器.數(shù)碼管在此電路中用于顯示路燈持續(xù)工作的時(shí)間與啟動的次數(shù).

74LS160計(jì)數(shù)器用于十進(jìn)制計(jì)數(shù).其輸出的8421碼加在譯碼器輸入端，經(jīng)譯碼器轉(zhuǎn)換為a到g的七位電平信號.最終在數(shù)碼管中呈現(xiàn).本設(shè)計(jì)中譯碼驅(qū)動器采用CD451l.CD4511是BCD碼譯碼器，常用于共陰極LED（數(shù)碼管）顯示器.其特點(diǎn)有：采用CMOS電路；同時(shí)具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制功能、七段譯碼及驅(qū)動功能；能提供較大的拉電流從而直接驅(qū)動LED顯示器.CD4511的內(nèi)部有上拉電阻，在輸入端與數(shù)碼管筆段端接上限流電阻就可工作.

圖3 計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì)

3.5 計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)

該部分用到了五個74LS160十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，前兩個和中間兩個組成了兩級60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，用于顯示分和秒，第五個仍是十進(jìn)制，用來顯示路燈工作的次數(shù).

4 路燈光控設(shè)計(jì)電路

根據(jù)電路的設(shè)計(jì)方案及上述單元電路的分析.可以簡單的設(shè)計(jì)出光控自動路燈電路，電路如圖所示：

圖4 光控路燈

現(xiàn)對電路進(jìn)行分析，它的電路原理：

供電電路安排如下.變壓器T負(fù)責(zé)降壓至24V.二極管VDI～VD4組成橋式整流，負(fù)責(zé)將交流電轉(zhuǎn)為波動直流電.三端穩(wěn)壓集成塊A1負(fù)責(zé)穩(wěn)壓并將電壓降至12V±5%.電容C1、C2負(fù)責(zé)濾波.供電電路通電后可為整機(jī)提供12V穩(wěn)定的直流工作電壓.定時(shí)器由A2（CD4060）和外圍阻容元件組成.A2內(nèi)部包含一個振蕩器和一個14級二進(jìn)制分頻器.由 A2第9～11腳外接電阻與電容構(gòu)成RC振蕩器，圖中(R1+RP1)為外接的振蕩電阻，C3為振蕩電容，R2為補(bǔ)償電阻器，一般取值應(yīng)大于振蕩電阻.電路的振蕩脈沖周期可由T=2π(RI+RPI)C3公式計(jì)算，RC振蕩器產(chǎn)生的計(jì)數(shù)脈沖直接由A2芯片內(nèi)部送至14級分頻器進(jìn)行分頻，最后由Q14端輸出最高位.

時(shí)基電路A3（555）接成施密特觸發(fā)器，其輸出端電平的高低由輸入端（2、6腳）即A3的Q14端電平及強(qiáng)制復(fù)位端（4腳）共同控制，但強(qiáng)制復(fù)位端（4腳）的控制優(yōu)先權(quán)更高.光控電路由三極管VT2、光敏電阻RL、阻容元件R5～R7、RP2、C4等組成.白天RL受光線照射呈低電阻狀態(tài)，VT2導(dǎo)通，A3的4腳被鉗位在低電平，A3被強(qiáng)制復(fù)位，因此輸出端(3腳)為低電平，繼電器K無動作，路燈EL不亮.與此同時(shí)，A3內(nèi)部的放電管導(dǎo)通，7腳也為低電平，PNP三極管VT1導(dǎo)通，從而為A2的復(fù)位端（1 2腳）加上高電平“1”，此時(shí)A2內(nèi)部電路清零，振蕩停止，Q14端第三腳輸出低電平“0".當(dāng)夜幕來臨時(shí)，RL阻值開始增大，VT2基極電平隨之下降，當(dāng)降至閾值0.65V以下時(shí)，VT2截止，A3的4腳跳變?yōu)楦唠娖剑瑥?qiáng)制復(fù)位被解除，由于此時(shí)2、6腳為低電平“0”，所以電路立即置位，第3腳輸出高電平，繼電器K吸合，路燈EL點(diǎn)亮.此時(shí)A3內(nèi)部放電管截止，第7腳被懸空，VT1截止，A2的復(fù)位端（1 2腳）跳變?yōu)榈碗娖健?”，A2內(nèi)部振蕩器起振，計(jì)數(shù)開始.A2內(nèi)部的14級二進(jìn)制分頻器對振脈沖進(jìn)行2的14次方分頻，當(dāng)?shù)?的13次方(8192)個脈沖數(shù)到來后，A2的Q14端（第3腳）就由低電平跳變?yōu)楦唠娖健?”，并直接送至A3的閥值端（第6腳），如果此時(shí)第4腳非高電平，則A3復(fù)位，第3腳輸出低電平，K釋放，燈EL熄滅，從而達(dá)到有光時(shí)延時(shí)自動熄燈的目的. A2的Q14端輸出的高電平經(jīng)VD5加至脈沖輸入端（第11腳），使振蕩電路停振，整個電路的狀態(tài)一直保持到天亮（即光線較強(qiáng)時(shí)），A3復(fù)位，A2清零為止.

計(jì)時(shí)電路由一個接成1Hz頻率的555多諧振蕩電路、四個74LS160接成的60*60時(shí)間信號計(jì)數(shù)器、一個74LS160接成的次數(shù)計(jì)數(shù)器、五個CD4511譯碼器和五個7段數(shù)碼管組成.時(shí)基電路輸出端（3腳）接555振蕩電路的控制端和次數(shù)計(jì)數(shù)器CP端. A3第3腳高電平、路燈EL點(diǎn)亮?xí)r，振蕩電路發(fā)出計(jì)時(shí)信號，經(jīng)74LS160計(jì)數(shù)和譯碼器譯碼后在數(shù)碼管中顯示；同時(shí)次數(shù)計(jì)數(shù)器啟動，進(jìn)行一次計(jì)數(shù)，并將結(jié)果經(jīng)譯碼后在數(shù)碼管上顯示.

5 展望

近年來，市場上出現(xiàn)了多種節(jié)電照明產(chǎn)品，如聲光雙控?zé)?、微波感?yīng)燈和熱釋遠(yuǎn)紅外感應(yīng)燈等.但也存在著價(jià)格較高，抗干擾性能差等缺點(diǎn).相信隨著科技的發(fā)展，未來的照明產(chǎn)品會更加節(jié)能，效率更高，更加智能化.

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TM923.5

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1673-260X（2014）04-0048-03