張國文

（赤峰學院 后勤管理處，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

帶計時的光控路燈原理與設計

張國文

（赤峰學院 后勤管理處，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

該設計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能由外界光線控制.555芯片的輸出接計時電路的使能端，以及計數(shù)電路的脈沖端，從而實現(xiàn)計時與計數(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)的通過人工開關控制照明的方式已經(jīng)跟不上時代的發(fā)展的步伐，隨著數(shù)字技術和網(wǎng)絡技術的發(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，高強度發(fā)光二極管(LED)普遍應用到電路中，很好的改善了路燈的發(fā)光強度和延長了使用壽命.本文設計的路燈控制器將隨著光照的強弱來自動開啟和閉合路燈的開關.

2 電路的設計方案

本設計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能由外界光線控制.555芯片的輸出接計時電路的使能端，以及計數(shù)電路的脈沖端，從而實現(xiàn)計時與計數(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.當光照強度減弱時，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.當觸發(fā)端口電平低于1/3Vcc且閾值端口低于2/3Vcc時，輸出口出現(xiàn)高電平.此時路燈被點亮.而當光照強度增強時，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.此時路燈被熄滅.由于來往車輛的車燈、反光等外部瞬時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，我們設置了電容的充電延時電路.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 單元電路的設計與分析

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改變的電阻器.它基于半導體的光敏效應原理.入射光強電阻減小，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.封裝形式為帶透明窗的光敏半導體.光敏半導體在黑暗環(huán)境下阻值很高.當光敏半導體受到頻率足夠高的光線照射后，光子能量會超過半導體材料的禁帶寬度.此時，光子的能量會被價帶中的電子捕獲，供其成功躍遷到導帶.對應的，一個帶正電荷的空穴就在價帶中產(chǎn)生了.這些“電子～空穴”增加了半導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，光敏電阻阻值越低.而當入射光消失后，載流子隨“電子～空穴”的復合而降低，宏觀阻值也就恢復原值.在光敏電阻兩端加電壓，用波長足夠短的光線照射時，電流會隨光強變大.這樣便實現(xiàn)了光電信號的轉(zhuǎn)換.

圖2 光敏電阻原理圖

3.3 多諧震蕩電路的設計

555定時器是一種中規(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定時器的一大特點.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 譯碼顯示電路的設計

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)碼管應將公共極接到高電平.當某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應段就點亮，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)碼管在應用時應將公共極COM接到地線GND上.字段的發(fā)光二極管為高電平點亮.

本設計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)工作的時間與啟動的次數(shù).

74LS160計數(shù)器用于十進制計數(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).本設計中譯碼驅(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.其特點有：采用CMOS電路；同時具有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 計數(shù)電路設計

3.5 計數(shù)電路的設計

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

4 路燈光控設計電路

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

圖4 光控路燈

現(xiàn)對電路進行分析，它的電路原理：

供電電路安排如下.變壓器T負責降壓至24V.二極管VDI～VD4組成橋式整流，負責將交流電轉(zhuǎn)為波動直流電.三端穩(wěn)壓集成塊A1負責穩(wěn)壓并將電壓降至12V±5%.電容C1、C2負責濾波.供電電路通電后可為整機提供12V穩(wěn)定的直流工作電壓.定時器由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為補償電阻器，一般取值應大于振蕩電阻.電路的振蕩脈沖周期可由T=2π(RI+RPI)C3公式計算，RC振蕩器產(chǎn)生的計數(shù)脈沖直接由A2芯片內(nèi)部送至14級分頻器進行分頻，最后由Q14端輸出最高位.

時基電路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端電平及強制復位端（4腳）共同控制，但強制復位端（4腳）的控制優(yōu)先權更高.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導通，A3的4腳被鉗位在低電平，A3被強制復位，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，A3內(nèi)部的放電管導通，7腳也為低電平，PNP三極管VT1導通，從而為A2的復位端（1 2腳）加上高電平“1”，此時A2內(nèi)部電路清零，振蕩停止，Q14端第三腳輸出低電平“0".當夜幕來臨時，RL阻值開始增大，VT2基極電平隨之下降，當降至閾值0.65V以下時，VT2截止，A3的4腳跳變?yōu)楦唠娖?，強制復位被解除，由于此時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點亮.此時A3內(nèi)部放電管截止，第7腳被懸空，VT1截止，A2的復位端（1 2腳）跳變?yōu)榈碗娖健?”，A2內(nèi)部振蕩器起振，計數(shù)開始.A2內(nèi)部的14級二進制分頻器對振脈沖進行2的14次方分頻，當?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），如果此時第4腳非高電平，則A3復位，第3腳輸出低電平，K釋放，燈EL熄滅，從而達到有光時延時自動熄燈的目的. 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（即光線較強時），A3復位，A2清零為止.

計時電路由一個接成1Hz頻率的555多諧振蕩電路、四個74LS160接成的60*60時間信號計數(shù)器、一個74LS160接成的次數(shù)計數(shù)器、五個CD4511譯碼器和五個7段數(shù)碼管組成.時基電路輸出端（3腳）接555振蕩電路的控制端和次數(shù)計數(shù)器CP端. A3第3腳高電平、路燈EL點亮時，振蕩電路發(fā)出計時信號，經(jīng)74LS160計數(shù)和譯碼器譯碼后在數(shù)碼管中顯示；同時次數(shù)計數(shù)器啟動，進行一次計數(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，如聲光雙控燈、微波感應燈和熱釋遠紅外感應燈等.但也存在著價格較高，抗干擾性能差等缺點.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.

〔1〕彭介華.電子技術課程設計指導[M]．北京：高等教育出版社，1997.

〔2〕大連理工大學.數(shù)字系統(tǒng)設計方法[M].大連：大連理工大學出版社，1992.

〔3〕邱關源，羅先覺．電路[M]．北京：高等教育出版社，2007.

〔4〕康華光.電子技術基礎（模擬部分）[M]．北京：高等教育出版社，2007.

〔5〕閻石．數(shù)字電子技術基礎[M]．北京：高等教育出版社，1998.

〔6〕王遠．模擬電子技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

〔7〕陳汝全．電子技術常用器件應用手冊[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2003.

〔8〕畢滿清．電子技術實驗與課程設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

TM923.5

A

1673-260X（2014）04-0048-03