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    1. 路燈控制器 天文時鐘經緯度光感模塊

      1引言

      在信息技術不斷發展,人類文明不斷進步的時代,越來越多的智能電子產品開始占們的日常工作和生活,在很多公共場所,只要短時間照明的場所,就需要安裝一些電子器件,即能夠自動控制開關,在有人的時候亮,人走之后,也能持續一段時間,智能路燈控制器是一種聲光控制的器件,能實現這種功能,即在白天光線比較亮不需要照明的時候,即使有聲音,燈也會不亮,而在天黑或光線比較暗的時候,能夠使電路工作,自動控制燈打開,而且能夠在聲音消失后,延時照明一段時間,實現照明的目的。通過查閱大量書籍和資料,才在老師和同學的幫助下,設計出了一個簡單的路燈控制器電路,其特性優越,用途廣泛,功能健全,使用方便。

       2 總體設計方案

      2.1 設計思路

      路燈控制器電路主要由聲控電路,光控電路,開關控制電路及延時電路構成。工作時,光控電路和聲控電路同時控制開并控制電路,而光控電路具有優先控制的功能,即先讓光控電路來控制開關電路,即在光控電路工用的情況下,再有聲音信號才能使用控制電路工作,使燈打開,且在聲音消失后會延時照明一段時間,這部分電路由延時電路來實現,電源電路的作用是為負載電路提供照明電源同時向電路中的控制電路提供工作電源,交流電源經過橋式整流以后,再經過電容降壓,為負載提供電源,同時經過穩壓以后,為控制電路提供工作電流。

      該電路是利用光敏電阻對光敏感的特性和開關管的開關特性來實現,即白天或光線較亮的時候,控制燈不亮,而在晚上或光線較暗時控制燈亮,同時還要有一個延時電路,以達到延時照明的目的,聲控和光控是共同進行控制的,因而還要有一個電路來控制,當有光亮的時候,此控制電路阻止,信號不再往下傳輸,即燈不會亮,而只有當光線足夠暗且有聲音的時候此控制電路才起作用,才往下一電路傳輸信號,燈才會亮。此電路既可以用三極管實現,也可以用4000糸列的數字集成實現,出于簡單穩定的目的,這里選用數字集成電路來實現。路燈控制器的主要任務是實現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候,只要有聲音(說話聲、腳步聲),燈就會亮,同時加上延時電路的延時作用,燈會延時亮一段時間,不致燈連續工作,造成能源浪費或元器械件的損壞。其控制電路可由TC4011BP數字集成電路來實現,延時電路由電阻,電容實現,光控電路由光敏電阻實現,開關電路由開關管實現。

      2.2 總體設計方框圖

      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,開關電路,延時電路,負載電路和電源電路等構成,工作時,先由光控電路和聲控電路一起向聲光控制電路輸入信號,當兩個信號同時有效時,聲光控制電路才往下傳輸信號,才向開并電路送去信號,使開關打開,同時也促使延時電路開始工作,而電路的電源由電源經過橋式整流以后,再經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行穩壓以后來供電,負載的供電直接由電源來提供??傮w框圖如下所示,工作流程如箭頭所示:

      3 路燈控制器設計原理分析

      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:

      圖3 路燈控制器電氣原理圖

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

      在光線教亮時,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通狀態,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,開關管截止,燈泡不亮。

      在晚上沒光或者光線較暗時,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輸入,三極管V1處于導通狀態,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。當有聲音或者腳步聲時,話筒MIC將聲音信號轉化為電信號,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,又因為TC4011BP的1腳為低電平,在TC4011BP的4腳輸出高電平時,經二極管D5向電容C3充電.同時TC4011BP的11腳輸出高電平,經過R2,R3分壓后,產生一個約2V左右的觸發信號,使開關管導通,燈泡LED發光。此時若外部沒有聲音信號輸入,三極管導通,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上所充的電壓要經過一段時間才能放完。這樣使TC4011BP的3,4腳保持原電平輸出,等電容C3的放電結束后,TC4011BP的8,9腳呈低電平,經過芯片IC-3與非門反相后促使IC-4也輸出低電平,從而使開關管關斷,切斷LED的電源回路,達到燈泡發光延時自動關斷的目的。

      3.2 路燈控制器單元電路的設計

      3.2.1 電源電路設計

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

      濾波電容的選擇是根據電阻分壓計算出的耐壓值來決定的:

      經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

      根據經驗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 延時電路

      延時電路的作用主要是完成保持晶閘持續導通一段時間,維持發光二極管持續發光一段時間,持續時間的長短由延時電容的放電時間來決定,延時電容的放電時間即為照明的持續時間,當充電電容通過電阻放電,從開始放電開始直到放電結束的這一段時間(即由R,C)來決定,只要改變電阻值或電容值,即可改變充放電時間長短,從而維持TC4011BP的8,9腳的高電平在一段時間內保持不變,從而決定LED的發光的時間長短,即維持照明的時間改變。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亮的時間。

      3.2.3 聲光控制電路

      控制電路的主要作用是完成對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,只有當聲控和光控電路同時起作用時,即既有光信號又有聲音信路時,控制電路才會作用,開關打開。

      該部分電路主要有聲音信號轉換電路,光信號轉換電路和TC4011BP構成。

      光控部分采用光敏電阻的感光特性來工作的,即當有光線的時候,其處于低電阻狀態,其上幾乎不分得電壓;在沒有光線或者光線較暗的時候,其處于高阻狀態。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轉化為電信號。三極管V1在沒有聲音信號時處于飽和狀態,當有聲音信號時,聲音信號通過電容的耦合,短時間內拉低V1基極的電位,使三極管V1的瞬間截止,V1的集電極上產生一個瞬間高電平送入控制電路,經過處理,從而達到聲控的目的。

      3.2.4 開關電路

      開并電路由一個開關管和兩個分壓電阻組成,由開關管的開關作用來控制發光管的亮與滅。

      該部分工作原理如下:當TC4011BP的3腳輸出高電平時經過R2,R3分壓后供給SCR控制極一個約2V左右的開關信號,使開關管V2導通,燈泡發光。當TC4011BP的3腳為低電平時,開關管關斷, LED熄滅,直到3腳變為高電平時才亮。

      其電路原理如下:

      3.2.5照明電路

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

      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分流保護LED的作用,其容量較小。

      對于高亮度LED的連接方式,是根據相關資料沒有經過開關降壓方式的220V直接驅動的一串LED發光電路,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。從這一點來說,允許范圍內一串LED的數量越多,電壓使用效率越高,就越節能,也才能發揮LED自身的節能優勢。根據所選型號相關參數計算,采用40個LED便可以滿足公共場合的照明需要。

      表1 LED型號與在20mA測試條件下的參數

        產品型號  形狀  發光顏色  角度(deg)  亮度(mcd)平均值  電壓(V)
        BT30  圓形  白色  30  15000  2.5

      3.2.6元件名稱及型號:

      表 2 相關元件型號

        RG  IC  V1  V2  LED  D1-D5
      MJ12537-2  TC4011BP  9014  2SC5200  BT30  CD4069

      濾波電容C1的選擇是根據芯片工作電壓和后續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,考慮到后續電路要工作在飽和狀態,濾波電容選擇16V耐壓。

      耦合電容C2的選擇耦合信號的需要來選擇,它決定電路對聲音的敏感度。據調查一般場合采用容量為105u的電容即可滿足要求,此處采用105u的電容。

      延時電容C3的選取設置燈泡點亮的時間的長短來選擇容量的大小的,此處選擇的型號為16V100u。根據電阻阻值和電容容量可計算延時。此處設計延時時間為90秒。

      濾波電容C4的選擇是根據電壓來選擇的。此處選擇的型號為250V100u即可滿足濾波穩壓的要求。

      降壓電阻的選?。贺撦d由LED構成,本電路路采用多個LED串并聯的形式,先串再并,以達到分壓分流的目的,此處用十個串再四個并聯。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。相關研究資料表明該二級管電流維持在19mA時,發光效率最高。據此可以計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。

       附圖2:PCB圖

      附圖三: 三維效果圖

      4 總結與體會

      此次的課程設計使我對路燈控制器的工作原理及工作特點都有了進一步的了解,并對有關的知識有了更進一步的掌握,對它的性能和特點也有了更全面的把握,明白了很多關于它的很多理論和實踐知識,其電路結構簡單,工作性能穩定,功能容易實現,其可用常用的電子元器件構成,因此成本較低。在此基礎上也確實存在著一些間題與不足,比如負載的性能穩定問題,光敏電阻的敏感性問題,還有聲控電路的聲音感應敏感性問題,電路識別能力導致的誤操作問題但總體上還是比較簡單實用的。

      三周的課程設計很快就過去了,其中感受最多的還是自己的實踐動手能力不太好,而且對學過的知識的運用還不太熟,學過的東西不知道該怎么應用,不可避免地遇到了不少的問題,也學會了自己去思考怎樣分析問題和解決問題,鍛煉了自己動腦、動手的積極性,同時也是動學過的知識的一種復習和加深,同時也讓自己學會了如何運用已學過的知道來解決實際問題,對自己也是一種提高和鍛煉。通過這次的實習,使我懂得了很多,也學到了很多的東西,可以說收獲不少,其實學習的真正意義也就f是能夠將學到的東西運用到實際的應用中,為社會作貢獻,為人們的生活服務,而我們的任務就是把我們所學到的知識運用到實際生活中,只有這樣我們才真正地達到了學習的真正目的。

      在設計過程中,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們的熱心幫助,在此表示衷心感謝。

      參考文獻

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      [7] 彭介華.電子技術課程設計指導[M].北京:高等教育出版社,1997。

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      于燈火闌珊處,于暗香離別時,未曾放棄。
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