巨川電氣--智能路燈控制器的設(shè)計(jì)，定時(shí)路燈控制器，光感路燈控制器           來源：http://lzzrhvn.cn/

摘 要：巨川電氣太陽能路燈控制器使用廣泛，功能完善，成本低廉，而且設(shè)計(jì)電路簡單，采用常用的電子元器件構(gòu)成，使用非常方便，而且此電路具有延時(shí)時(shí)間可調(diào)的功能，照明裝置采用低耗能高亮度LED,具有節(jié)能降耗的功能，并具有光控、聲控的雙重功能，可廣泛用于多個(gè)場(chǎng)合。

關(guān)鍵詞：太陽能路燈控制器；路燈控制器；光感路燈控制器；定時(shí)路燈控制器，經(jīng)緯度路燈控制器，

1引言

在信息技術(shù)不斷發(fā)展，人類文明不斷進(jìn)步的時(shí)代，越來越多的智能電子產(chǎn)品開始占們的日常工作和生活，在很多公共場(chǎng)所，只要短時(shí)間照明的場(chǎng)所，就需要安裝一些電子器件，即能夠自動(dòng)控制開關(guān)，在有人的時(shí)候亮，人走之后，也能持續(xù)一段時(shí)間，智能路燈控制器是一種聲光控制的器件，能實(shí)現(xiàn)這種功能，即在白天光線比較亮不需要照明的時(shí)候，即使有聲音，燈也會(huì)不亮，而在天黑或光線比較暗的時(shí)候，能夠使電路工作，自動(dòng)控制燈打開，而且能夠在聲音消失后，延時(shí)照明一段時(shí)間，實(shí)現(xiàn)照明的目的。通過查閱大量書籍和資料，才在老師和同學(xué)的幫助下，設(shè)計(jì)出了一個(gè)簡單的路燈控制器電路，其特性優(yōu)越，用途廣泛，功能健全，使用方便。

 2 總體設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)思路

路燈控制器電路主要由聲控電路，光控電路，開關(guān)控制電路及延時(shí)電路構(gòu)成。工作時(shí)，光控電路和聲控電路同時(shí)控制開并控制電路，而光控電路具有優(yōu)先控制的功能，即先讓光控電路來控制開關(guān)電路，即在光控電路工用的情況下，再有聲音信號(hào)才能使用控制電路工作，使燈打開，且在聲音消失后會(huì)延時(shí)照明一段時(shí)間，這部分電路由延時(shí)電路來實(shí)現(xiàn)，電源電路的作用是為負(fù)載電路提供照明電源同時(shí)向電路中的控制電路提供工作電源，交流電源經(jīng)過橋式整流以后，再經(jīng)過電容降壓，為負(fù)載提供電源，同時(shí)經(jīng)過穩(wěn)壓以后，為控制電路提供工作電流。

該電路是利用光敏電阻對(duì)光敏感的特性和開關(guān)管的開關(guān)特性來實(shí)現(xiàn)，即白天或光線較亮的時(shí)候，控制燈不亮，而在晚上或光線較暗時(shí)控制燈亮，同時(shí)還要有一個(gè)延時(shí)電路，以達(dá)到延時(shí)照明的目的，聲控和光控是共同進(jìn)行控制的，因而還要有一個(gè)電路來控制，當(dāng)有光亮的時(shí)候，此控制電路阻止，信號(hào)不再往下傳輸，即燈不會(huì)亮，而只有當(dāng)光線足夠暗且有聲音的時(shí)候此控制電路才起作用，才往下一電路傳輸信號(hào)，燈才會(huì)亮。此電路既可以用三極管實(shí)現(xiàn)，也可以用4000糸列的數(shù)字集成實(shí)現(xiàn)，出于簡單穩(wěn)定的目的，這里選用數(shù)字集成電路來實(shí)現(xiàn)。路燈控制器的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)在白天光線比較亮的情況下，燈不亮，而在光線比較暗或天黑的時(shí)候，只要有聲音（說話聲、腳步聲），燈就會(huì)亮，同時(shí)加上延時(shí)電路的延時(shí)作用，燈會(huì)延時(shí)亮一段時(shí)間，不致燈連續(xù)工作，造成能源浪費(fèi)或元器械件的損壞。其控制電路可由TC4011BP數(shù)字集成電路來實(shí)現(xiàn)，延時(shí)電路由電阻，電容實(shí)現(xiàn)，光控電路由光敏電阻實(shí)現(xiàn)，開關(guān)電路由開關(guān)管實(shí)現(xiàn)。

2.2 總體設(shè)計(jì)方框圖

路燈控制器電路的總體框圖由聲控、光控電路，聲光控制電路，開關(guān)電路，延時(shí)電路，負(fù)載電路和電源電路等構(gòu)成，工作時(shí)，先由光控電路和聲控電路一起向聲光控制電路輸入信號(hào)，當(dāng)兩個(gè)信號(hào)同時(shí)有效時(shí)，聲光控制電路才往下傳輸信號(hào)，才向開并電路送去信號(hào)，使開關(guān)打開，同時(shí)也促使延時(shí)電路開始工作，而電路的電源由電源經(jīng)過橋式整流以后，再經(jīng)過降壓電路降過壓以后來提供，電路中其他需供電的電路由降壓以后再進(jìn)行穩(wěn)壓以后來供電，負(fù)載的供電直接由電源來提供。總體框圖如下所示，工作流程如箭頭所示：

3 路燈控制器設(shè)計(jì)原理分析

3.1  路燈控制器的原理

路燈控制器的電路如附圖1所示。

附圖1的電路的工作做原理如下：

交流220V電源電壓經(jīng)燈泡LED后，由D1-D4的整流橋整流，電阻R1,R10分壓，電容C1濾波，D6穩(wěn)壓后產(chǎn)生12V左右的直流電壓給控制電路供電。

在光線教亮?xí)r，光敏電阻RG的阻值較低，使集成塊TC4011BP的1腳呈低電平；又由于R6,R8電阻分壓后，為三極管9014的基極提供正偏電壓，三極管一直處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，其集電極（TC4011BP的2腳）呈低電平，使TC4011BP的3腳出高電平，4腳出低電平，二極管D5反偏截止，使TC4011BP的10輸出高電平，TC4011BP的11腳輸出低電平，開關(guān)管截止，燈泡不亮。

在晚上沒光或者光線較暗時(shí)，光敏電阻的阻值變大使集成塊TC4011BP的1腳呈高電平；但由于話筒沒有信號(hào)輸入，三極管V1處于導(dǎo)通狀態(tài)，其集電極為低電平，所以IC-1,IC-3腳仍輸出高電平，其IC-2,IC-4腳輸出低電平，燈泡仍然不亮。當(dāng)有聲音或者腳步聲時(shí)，話筒MIC將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過電容C2耦合到三極管的基極，使三極管瞬間截止，TC4011BP的2腳為瞬間高電平，又因?yàn)門C4011BP的1腳為低電平，在TC4011BP的4腳輸出高電平時(shí)，經(jīng)二極管D5向電容C3充電.同時(shí)TC4011BP的11腳輸出高電平，經(jīng)過R2,R3分壓后，產(chǎn)生一個(gè)約2V左右的觸發(fā)信號(hào)，使開關(guān)管導(dǎo)通，燈泡LED發(fā)光。此時(shí)若外部沒有聲音信號(hào)輸入，三極管導(dǎo)通，TC4011BP芯片的3腳輸出高電平，4腳輸出低電平，二極管D5反向截止，電容C3通過R9開始放電，由于R9的阻值較大，電容C3上所充的電壓要經(jīng)過一段時(shí)間才能放完。這樣使TC4011BP的3，4腳保持原電平輸出，等電容C3的放電結(jié)束后，TC4011BP的8，9腳呈低電平，經(jīng)過芯片IC-3與非門反相后促使IC-4也輸出低電平，從而使開關(guān)管關(guān)斷，切斷LED的電源回路，達(dá)到燈泡發(fā)光延時(shí)自動(dòng)關(guān)斷的目的。

3.2 路燈控制器單元電路的設(shè)計(jì)

3.2.1 電源電路設(shè)計(jì)

電源電路的主要作用是為路燈控制器的負(fù)載提供電源，同時(shí)為其中的控制電路提電源，其由220V交流電源經(jīng)過一個(gè)橋式整流的整流作用，再經(jīng)過電阻R1， R2分壓，C1濾波，使電壓穩(wěn)定在10V左右，為數(shù)字集成電路TC4011BP和其他負(fù)載電路提供穩(wěn)定直流電壓，同時(shí)經(jīng)橋式整流過的電壓經(jīng)過開關(guān)管給光源負(fù)載供電。

濾波電容的選擇是根據(jù)電阻分壓計(jì)算出的耐壓值來決定的:

經(jīng)過整流分壓后的電阻為：U1=220×0.9=198V

電阻分壓后的電阻為：U2=198×10／（150+10）≈12.375V

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式濾波后的電壓為：（1～1.2）U2

所以電路選擇25V耐壓值的電容。

3.2.2 延時(shí)電路

延時(shí)電路的作用主要是完成保持晶閘持續(xù)導(dǎo)通一段時(shí)間，維持發(fā)光二極管持續(xù)發(fā)光一段時(shí)間，持續(xù)時(shí)間的長短由延時(shí)電容的放電時(shí)間來決定，延時(shí)電容的放電時(shí)間即為照明的持續(xù)時(shí)間，當(dāng)充電電容通過電阻放電，從開始放電開始直到放電結(jié)束的這一段時(shí)間（即由R，C）來決定，只要改變電阻值或電容值，即可改變充放電時(shí)間長短，從而維持TC4011BP的8，9腳的高電平在一段時(shí)間內(nèi)保持不變，從而決定LED的發(fā)光的時(shí)間長短，即維持照明的時(shí)間改變。其組成只要由電阻、電容，電容是通過電阻放電的。改變電阻阻值和電容容量可以改變燈泡維持點(diǎn)亮的時(shí)間,

3.2.3 聲光控制電路

控制電路的主要作用是完成對(duì)聲控和光控電路的控制，即照明電路的亮與不亮都由控制電路來控制完成，控制電路是路燈控制電路中的主體電路，它包括聲控和光控電路，只有當(dāng)聲控和光控電路同時(shí)起作用時(shí)，即既有光信號(hào)又有聲音信路時(shí)，控制電路才會(huì)作用，開關(guān)打開。

該部分電路主要有聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，光信號(hào)轉(zhuǎn)換電路和TC4011BP構(gòu)成。電路如圖4所示。

光控部分采用光敏電阻的感光特性來工作的，即當(dāng)有光線的時(shí)候，其處于低電阻狀態(tài)，其上幾乎不分得電壓；在沒有光線或者光線較暗的時(shí)候，其處于高阻狀態(tài)。光敏電阻的光電特性如圖5所示，此電路就是利用光敏電阻的光電特性輸出高低電平信號(hào)來起到光控作用的。

聲控部分主要是通過話筒等聲音接收電路來把聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。三極管V1在沒有聲音信號(hào)時(shí)處于飽和狀態(tài)，當(dāng)有聲音信號(hào)時(shí)，聲音信號(hào)通過電容的耦合，短時(shí)間內(nèi)拉低V1基極的電位，使三極管V1的瞬間截止,V1的集電極上產(chǎn)生一個(gè)瞬間高電平送入控制電路，經(jīng)過處理，從而達(dá)到聲控的目的。

3.2.4 開關(guān)電路

開并電路由一個(gè)開關(guān)管和兩個(gè)分壓電阻組成，由開關(guān)管的開關(guān)作用來控制發(fā)光管的亮與滅。

該部分工作原理如下：當(dāng)TC4011BP的3腳輸出高電平時(shí)經(jīng)過R2,R3分壓后供給SCR控制極一個(gè)約2V左右的開關(guān)信號(hào)，使開關(guān)管V2導(dǎo)通，燈泡發(fā)光。當(dāng)TC4011BP的3腳為低電平時(shí)，開關(guān)管關(guān)斷， LED熄滅，直到3腳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)才亮。

其電路原理如下：

3.2.5照明電路

由于半導(dǎo)體照明比現(xiàn)有的照明光源更加節(jié)能，因此半導(dǎo)體照明又被稱為照明領(lǐng)域中的又一次革命。比如，一只60W的白熾燈泡要消耗60W的電能，發(fā)出大約800lm的光，用現(xiàn)有的節(jié)能燈管，需要12W-15W的電能，如果用半導(dǎo)體照明(假定發(fā)光效率為120lm/W-150lm/W)。只需要6W-8W的電能，目前LED的發(fā)光效率為100lm/W。此路燈控制電路設(shè)計(jì)的初衷是節(jié)能，照明電路采用的是高亮度10個(gè)LED串聯(lián)成一組，四組并聯(lián)。亮度即能滿足場(chǎng)合需要又達(dá)到節(jié)能降耗的要求。

電路原理圖如圖7。

 該電路中的R11為分壓電阻，電容C4為濾波電容，起濾波穩(wěn)壓作用，保證LED兩端為正向的直流電壓，減少紋波造成的LED的損壞，又起到在瞬間大電流時(shí)分流保護(hù)LED的作用，其容量較小。

對(duì)于高亮度LED的連接方式，是根據(jù)相關(guān)資料沒有經(jīng)過開關(guān)降壓方式的220V直接驅(qū)動(dòng)的一串LED發(fā)光電路，其額定功率是恒定的6.2W左右，從1顆到大約90顆每一顆的耗電量是一樣的。從這一點(diǎn)來說，允許范圍內(nèi)一串LED的數(shù)量越多，電壓使用效率越高，就越節(jié)能，也才能發(fā)揮LED自身的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。根據(jù)所選型號(hào)相關(guān)參數(shù)計(jì)算，采用40個(gè)LED便可以滿足公共場(chǎng)合的照明需要。

表1 LED型號(hào)與在20mA測(cè)試條件下的參數(shù)

3.2.6元件名稱及型號(hào)：

表 2 相關(guān)元件型號(hào)

 濾波電容C1的選擇是根據(jù)芯片工作電壓和后續(xù)電路的需要來選擇的，由于此處用到的芯片TC4011BP的工作電壓在3～18V之間，考慮到后續(xù)電路要工作在飽和狀態(tài)，濾波電容選擇16V耐壓。

耦合電容C2的選擇耦合信號(hào)的需要來選擇，它決定電路對(duì)聲音的敏感度。據(jù)調(diào)查一般場(chǎng)合采用容量為105u的電容即可滿足要求，此處采用105u的電容。

延時(shí)電容C3的選取設(shè)置燈泡點(diǎn)亮的時(shí)間的長短來選擇容量的大小的，此處選擇的型號(hào)為16V100u。根據(jù)電阻阻值和電容容量可計(jì)算延時(shí)。此處設(shè)計(jì)延時(shí)時(shí)間為90秒。

濾波電容C4的選擇是根據(jù)電壓來選擇的。此處選擇的型號(hào)為250V100u即可滿足濾波穩(wěn)壓的要求。

降壓電阻的選?。贺?fù)載由LED構(gòu)成，本電路路采用多個(gè)LED串并聯(lián)的形式，先串再并，以達(dá)到分壓分流的目的，此處用十個(gè)串再四個(gè)并聯(lián)。LED采用BT30型，它能承受的最大電流是20mA，承受的最大電壓是2.5V。相關(guān)研究資料表明該二級(jí)管電流維持在19mA時(shí)，發(fā)光效率最高。據(jù)此可以計(jì)算限壓電阻的最小阻值：

限壓電阻上的最小電壓為：U≈220×0.9-2.5×10=173V

其上通過的電流為：I=19×4=0.076A

限壓電阻的最小阻值為：R=173／0.076≈2276Ω

故此降壓電阻選擇了2500歐姆。

4 總結(jié)與體會(huì)

此次的課程設(shè)計(jì)使我對(duì)路燈控制器的工作原理及工作特點(diǎn)都有了進(jìn)一步的了解，并對(duì)有關(guān)的知識(shí)有了更進(jìn)一步的掌握，對(duì)它的性能和特點(diǎn)也有了更全面的把握，明白了很多關(guān)于它的很多理論和實(shí)踐知識(shí)，其電路結(jié)構(gòu)簡單，工作性能穩(wěn)定，功能容易實(shí)現(xiàn)，其可用常用的電子元器件構(gòu)成，因此成本較低。在此基礎(chǔ)上也確實(shí)存在著一些間題與不足，比如負(fù)載的性能穩(wěn)定問題，光敏電阻的敏感性問題，還有聲控電路的聲音感應(yīng)敏感性問題，電路識(shí)別能力導(dǎo)致的誤操作問題但總體上還是比較簡單實(shí)用的。

三周的課程設(shè)計(jì)很快就過去了，其中感受最多的還是自己的實(shí)踐動(dòng)手能力不太好，而且對(duì)學(xué)過的知識(shí)的運(yùn)用還不太熟，學(xué)過的東西不知道該怎么應(yīng)用，不可避免地遇到了不少的問題，也學(xué)會(huì)了自己去思考怎樣分析問題和解決問題，鍛煉了自己動(dòng)腦、動(dòng)手的積極性，同時(shí)也是動(dòng)學(xué)過的知識(shí)的一種復(fù)習(xí)和加深，同時(shí)也讓自己學(xué)會(huì)了如何運(yùn)用已學(xué)過的知道來解決實(shí)際問題，對(duì)自己也是一種提高和鍛煉。通過這次的實(shí)習(xí)，使我懂得了很多，也學(xué)到了很多的東西，可以說收獲不少，其實(shí)學(xué)習(xí)的真正意義也就f是能夠?qū)W(xué)到的東西運(yùn)用到實(shí)際的應(yīng)用中，為社會(huì)作貢獻(xiàn)，為人們的生活服務(wù)，而我們的任務(wù)就是把我們所學(xué)到的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際生活中，只有這樣我們才真正地達(dá)到了學(xué)習(xí)的真正目的。

在設(shè)計(jì)過程中,不可避免地遇到了很多問題,多虧了宋老師，張老師和邵老師及同學(xué)們的熱心幫助,在此表示衷心感謝!

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附圖1：路燈控制器電氣原理圖

 附圖2：PCB圖

 附圖三： 三維效果圖