智能自控路灯电路的设计.docx

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智能自控路灯电路的设计

智能自控路灯电路的设计

【摘　要】自1978年我国实行改革开放方针以来，伴随经济发展和城市化进程的加快，城市道路照明事业越来越引起各级政府的高度重视和社会各方面的关注，进入上个世纪90年代以后，更是驶上了发展的快车道，不断取得新成果。

控制的手段由传统的“手控”不断变革为“时控”、“光控”和“时控、光控一体化”，为提高路灯开、关灯时间的准确性和消灭大面积的“白天亮灯”、“夜间黑灯”现象，提供了可靠的保证。

本设计中的运放A1、光敏电阻RG1和运放A4、光敏电阻RG2分别组成两个测光电路，用于关灯和开灯时的光线检测。

555定时器被广泛应用于脉冲波形的产生、变换、测量与控制等方面。

本电路中用LM339结合LM324组成运放反相器。

CD4520则是一个加法计数器，达到电路的延时控制的效果。

目录

1引言…………………………………………………………………………………3

2器件和功能电路介绍…………………………………………………………………3

2.1光敏电阻………………………………………………………………………………………3

2.2抗干扰延时电路………………………………………………………………………………3

2.3555定时器及其应用…………………………………………………………………………4

 2.3.1555定时器内部结构………………………………………………………………………4

 2.3.2多谐振荡器工作原理………………………………………………………………………6

 2.3.3振荡周期……………………………………………………………………………………7

2.4计数器CD4520……………………………………………………………………………………7

2.5四运放集成电路LM324………………………………………………………………………7

2.6电压比较器LM339……………………………………………………………………………8

3全路灯控制原理………………………………………………………………………9

3.1全夜灯控制……………………………………………………………………………………9

3.1.1关灯控制……………………………………………………………………………………9

3.1.2开灯控制…………………………………………………………………………………9

3.2半夜灯和早晚灯控制……………………………………………………………………………10

4电路调试………………………………………………………………………………10

5结论……………………………………………………………………………11

6致谢辞……………………………………………………………………………………11

7参考文献………………………………………………………………………………11

1引言

本电路有全夜灯、半夜灯和早晚灯三种工作方式。

本电路由测光电路、比较器、抗干扰延时电路、定时电路和工作方式转换电路等组成，如图1。

电路中以测光电路为传感器，用于感知环境光线，自动打开和关闭路灯。

另在电路中引入定时电路，可以设定时间打开和关闭路灯。

并且具有较强的抗干扰能力、控制方式灵活，用于道路的夜间照明和广告用灯的自动控制。

图1智能自控路灯电路原理框图

2器件和功能电路介绍

2.1光敏电阻

光敏电阻是一种电阻值随外界光照强弱（明暗）变化而变化的元件，光越强阻值越小，光越弱阻值越大。

本电路RG1、RG2选用MG44-03型光敏电阻，图2中运放A1、光敏电阻RG1和运放A4、光敏电阻RG2分别组成两个测光电路[1]，用于关灯和开灯时的光线检测。

2.2抗干扰延时电路

图2-1中RP4、R12和C8组成一个延时电路，12V电源通过RP4、R12对C8充电。

大约经过5分钟的延时后[8]，由集成运放IC6组成的比较器的同相输入端电位上升，IC6由低电平输出跳变为高电平输出，晶体管VT2由截止变为导通，继电器K3吸合，其常闭触点K3-1打开，切断继电器K1的电源，K1释放，关闭路灯。

由于RP4、R12和C8的延时作用可避免环境光线由暗渐亮时的临界不稳定状态对电路的干扰，使路灯迅速关闭。

图2-1智能自控路灯电路电路图

2.3NE555定时器及其原理

555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成器件，其内部含有3个阻值为5k用于产生基准电压的高精度电阻。

它性能优良，适用范围很广，外部加接少量的阻容组件可以很方便地组成单稳态触发器和多谐振荡器，以及不需外接组件就可组成施密特触发器。

因此，555定时器被广泛应用于脉冲波形的产生、变换、测量与控制等方面。

2.3.1555定时器内部结构

555定时器其内部结构如图2-2,管脚排列如图2-3及内部功能框图如图2-4所示[2]。

它由分压器、比较器、基本R—S触发器和放电三极管等部分组成。

分压器由三个5K的等值电阻串联而成。

分压器为比较器A1、A2提供参考电压，比较器A1的参考电压为VR1，加在同相输入端，比较器A2的参考电压为VR2，加在反相输入端。

比较器由两个结构相同的集成运放C1、C2组成。

高电平触发信号加在C1的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本R—S触发器RD端的输入信号；低电平触发信号加在C2的同相输入端，与反相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本R—S触发器SD端的输入信号。

基本R—S触发器的输出状态受比较器A1、A2的输出端控制。

图2-2555内部结构图

图2-3555管脚图

图2-4NE555内部功能框图

2.3.2多谐振荡器工作原理

由555定时器组成的多谐振荡器如图2-5所示[3]，它将几个阻容元器件与555电路进行连接可以很方便的组成多谐振荡器.它可以用于时钟脉冲产生、波形发生和提示音电路。

其中R1、R2和电容C为外接元件。

其工作波如图2-6所示。

图2-5由555定时器构成的多谐振荡器

设电容的初始电压UC＝０，t＝０时接通电源，由于电容电压不能突变，所以高、低触发端VTH＝VTL＝０<1/3Ｖcc，比较器Ａ1输出为高电平，Ａ2输出为低电平，即VC1=1，VC2=0（1表示高电位，0表示低电位），触发器置１，定时器输出U0此时U0=1，定时器内部放电三极管截止，电源VCC经R1，R2向电容Ｃ充电，UC逐渐升高。

当UC上升到1/3VCC时，UC输出由０翻转为１，这时VC1=1，VC2=1，触发器保持状态不变。

所以0

T1时刻，UC上升到2/3VCC，比较器A1的输出由１变为０，这时VC1=0，VC2=0，触发器复０，定时器输出U0=0。

T1〈t〈T2期间，VC1=VC2=1，放电三极管Ｔ导通，电容Ｃ放电。

UC按指数规律下降，当1/3VCC〈UC〈2/3VCC时比较器A1输出由０变为１，Ｒ－Ｓ触发器的VTH＝VTL=0，Ｑ的状态不变，U0的状态仍为低电平。

T2时刻，UC下降到1/3VCC，比较器A1输出由1变为0，R---S触发器的VTH＝1，VTL＝0，触发器处于1，定时器输出U0=1。

此时电源再次向电容C放电，重复上述过程。

图2-6振荡器工作的波形信号

通过上述分析可知，电容充电时，定时器输出U0=1，电容放电时，U0=0，电容不断地进行充、放电，输出端便获得矩形波。

其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能。

2.3.3振荡周期[5]

由图2-6可知，振荡周期T，T1为电容充电时间，T2为电容放电时间。

充电时间

T1=T—T2

放电时间

T2=T—T1

矩形波的振荡周期

T=T1+T2

因此改变VCC、R和电容C的值，便可改变矩形波的周期和频率。

在本设计电路中引入了VCC和R，用于调整振荡周期。

2.4计数器CD4520

CD4520是一种四位二进制同步加法计数器。

是14级二进制计数器，其内部由14个T触发器构成二进制串行计数器，有14个分频输出端Q1—Q14，分频系数为8192，当输入8129个计数脉冲时Q14端输出高电平。

2.5四运放集成电路LM324　

LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图2-7所示[3][10]。

它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。

每一组运算放大器可用图2-8所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。

两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

LM324的引脚排列见图2-7。

由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。

本电路中IC6可选用LM324。

图2-7LM324的引脚排列

图2-8一组运算放大器

2.6电压比较器LM339

LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：

1）失调电压小，典型值为2mV；2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为0~（Ucc-1.5V）Vo；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用。

LM339集成块采用C-14型封装，图2-9为外型及管脚排列图[8]。

由于LM339使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如IR2339、ANI339、SF339等，它们的参数基本一致，可互换使用。

图2-9外型及管脚排列图

LM339类似于增益不可调的运算放大器。

每个比较器有两个输入端和一个输出端。

两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。

用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。

当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。

当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。

两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。

LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。

选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。

因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。

另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。

单限比较器电路图2-10给出了一个基本单限比较器其传输特性。

输入信号Uin，即待比较电压，它加到同相输入端，在反相输入端接一个参考电压（门限电平）Ur。

当输入电压Uin>Ur时，输出为高电平UOH。

A1、A2、A3、A4选用集成四运放LM339。

图2-10单限比较器（左）及其传输特性（右）

3全路灯控制原理

3.1全夜灯控制

全夜灯控制可以使路灯在夜间自动点亮，天亮后自动关闭路灯。

下面介绍其关灯控制和开灯控制的原理。

3.1.1关灯控制

当天色渐亮起来后光敏电阻RG2的阻值逐渐减小，由运放A4构成的比较器的同相输入端的电位逐渐降低。

当低于反相输入端电位时，A3由高电平跳变为低电平输出，使运放IC6组成的比较器输出状态由高电平跳变为低电平，晶体管VT2由导通变为截止，RP4、R12和C8组成一个延时电路[7]，12V电源通过RP4、R12对C8充电。

大约经过5分钟的延时后，由集成运放IC6组成的比较器的同相输入端电位上升，IC6由低电平输出跳变为高电平输出，晶体管VT2由截止变为导通，继电器K3吸合，其常闭触点K3-1打开，切断继电器K1的电源，K1-1释放，关闭路灯。

由于RP4、R12和C8的延时作用可避免环境光线由暗渐亮时的临界不稳定状态对电路的干扰[10]，使路灯迅速关闭。

3.1.2开灯控制

当天色变暗时，光敏电阻RG2的阻值升高，经R17和RP5分压后使比较器A4的同相输入端电位高于反相输入端电位，A4输出端由低电平跳变为高点平，比较器A3也输出高电平，VT3由截止迅速转为导通状态，C8经VT3和R12放电，IC6的同相输入端电位下降，使IC6输出低电平，VT2截止，继电器K3失电释放，其常闭触点K3-1闭合经继电器K1的线圈接通可控硅的正向电源。

随着光线继续变暗，光敏电阻RG1的阻值增大，由于电容C3的充电作用，使得比较器A1的同相输入端电位缓慢上升，当A1的同相输入端电位高于反相输入端电位时，A1输出高电平，A2也输出高电平，通过R5、C4组成的微分电路产生正脉冲信号触发可控硅SCR导通，继电器K1得电吸合，其常开触点接通路灯电源，路灯点亮。

3.2半夜灯和早晚灯控制

半夜灯是在后半夜关掉全部和部分的灯，这一功能是通过定时电路来实现的。

电路打开路灯时，继电器K3释放，其常闭触点K3-1在接通可控硅电源的同时也接通了定时电路的电源。

NE555构成时钟振荡器，其输出的时钟脉冲经ICU反相后送至IC2。

ICK与R7、C6构成上电复位电路，在接通电源时，使由IC2（CD4520）构成分频器复位。

ICD构成封锁电路，在定时结束时禁止时钟脉冲送入IC2的CP端10脚，IC2是14级二进制计数器，其内部由14个T触发器构成二进制串行计数器，有14个分频输出端Q1～Q14，分频系数为8129[4]，当输入8129个计数脉冲时Q14端输出高电平。

本电路的时钟脉冲周期调整为1.7578S，当计数到8129个脉冲时，完成4个小时定时（适用于夏季）.若时钟脉冲周期调整为2.6367S，定时时间为6个小时（适用于冬季）.IC2计数到8129个脉冲时。

其3脚输出高电平，这部分高电平分为两路，一路使晶体管VT1导通，继电器K2吸合，其常闭触点K2-1关闭部分或全部路灯；另一路经选择开关SA1和与非门ICD封锁ICU，禁止时钟脉冲输入计数器，计数器停止计数，完成半夜灯控制。

定时选择开关SA2用于设定两个时钟振荡周期，完成4小时或6小时定时，SA2闭合时定时时间短；SA2断开时时间长[6]。

选择开关SA1用于早晚灯和半夜灯的控制，断开SA1将取消时钟脉冲封锁，变成循环延时控制，适当确定延时时间使电路在半夜后关闭路灯，黎明前打开路灯，天亮后又自动关闭路灯。

4电路调试

电路在调试时首先调整RP5使A4、A3输出低电平，然后调整RP4使电路在延时5分钟后继电器K3吸合，完成路灯关闭动作；在K3释放后电路暂不接入电容C8，调整RP4使IC6输出高电平，继电器K3吸合，完成打开电路的动作：

在继电器K3释放状态下，接通SA2，调节RP2使时钟电路的振荡周期为1.7578S，然后断开SA2，调整RP3，使时钟电路的振荡周期为2.6367s。

5结论

此次设计过程中，当天色渐亮起来的时候，两灯都灭。

当天色变暗时，两灯都亮，选择开关SA1用于早晚灯和半夜灯的控制，断开SA1将取消时钟脉冲封锁，变成循环延时控制，适当确定延时时间使电路在半夜后关闭路灯，黎明前打开路灯，天亮后又自动关闭路灯。