路灯控制器的设计.doc

路灯控制器的设计摘要：该路灯控制器采用高强度发光二极管LED作为照明光源，利用光敏电阻的特性，通过控制电路的控制作用，实现当夜晚或光线较暗时，有声音信号传入时LED发光，并利用电容的有关性质，能实现延时功能。关键词：晶闸管 LED 单稳态触发器 路灯控制 1 引言科学技术是第一生产力，现代科学技术的发展带动了我国照明技术的发展，路灯经历了一个从无到有，从简单到复杂，从低级到高级的发展阶段。尤其是我国在太阳能的研究方面取得了较大的飞跃，这更为路灯的发展提供了条件，同时也节省了电力资源。近年来，高强度发光二极管(LED)普遍被应用于电路中，很好的改善了路灯的发光强度和亮度，延长了路灯的使用寿命。作为现代的大学生，我们有必要了解路灯的基本知识，了解路灯的基本控制原理。为此，本学期我们开了电子课程设计这门实习课。在这次实习中，我选的就是路灯控制器的设计。下面我就将我设计的电路就其电路组成、工作原理等作以简要介绍。本制作采用数字集成电路及少数外围元器件,综合了声光和延时控制的照明灯,在白天或光线较强的场合,该灯始终处于关闭状态,即使有较大的声响,灯泡(发光二极管LED)也不亮.在晚上或光线较弱时则闻声灯亮(如脚步声、说话声)。经过大约30s延时(时间可设定)后自动熄灭。这样既方便又省电，同时也延长了灯泡(发光二极管LED)的使用寿命，特别适用于楼梯、卫生间、过道等公共场所使用。2 总体设计方案由家用照明电源提供电源，经过调压整流电路提供标准工作电压。通过光敏电阻的特性来决定与非门控制电路的输出，从而控制晶闸管的导通与截止。白天，光敏电阻阻值较小，导致晶闸管处于截止状态，即使有外界声音信号传入，LED也不亮；夜晚，光敏电阻阻值很大，晶闸管处于导通状态，当有外界声音信号输入时，LED亮，并通过电容C4可以实现延时功能，调节C4的大小，可以改变延时时间的长短。2.1 设计思路该电路由家用照明电源(AC220V)进行供电，经过半波整流降压滤波电路，提供电路工作电压5V。该电路采用了四输入与非门CD4011芯片来控制电路，通过控制晶闸管的导通于截止，来控制LED的亮灭。其实，晶闸管就相当于LED的开关。当晶闸管导通时，相当于开关处于闭合状态；当晶闸管截止时，相当于开关的断开状态。其中，与非门的工作状态又和光敏电阻有关。白天，光线较强，光敏电阻阻值较小(约为1K),使与非门处于非工作状态，即使MIC采集到声音信号，也不能改变器工作状态，故LED不会发光；晚上，光线较暗，光敏电阻阻值很大(约为1M)，使与非门处于工作状态，当有声音信号传入时，晶闸管导通，LED发光。再发光的过程中，电容C4通过四输入与非门(如工作原理图所示)进行充电；当声信号停止传入时，C4放电，使路灯具有延时的功能。2.2 总体设计框图 该控制电路的总体设计框图如图1所示工作电源控制电路光控电路声控电路延时电路图1总体设计框图3 设计组成及原理分析控制电路有四输入与非门控制，通过光敏电阻的特性及外界信号的输入来控制LED的亮灭。具体工作原理及分析如下：3.1控制电路所用元器件及部分电路简介声光控制照明灯是以CD4011数字集成电路为核心，由22个元件组成，具体电路如图所示。(1)VD1VD4组成桥式整流电路，通过晶闸管(可控硅)VT、负载(高亮度二极管)构成通路。(2)VD5、R1、C1组成半波整流降压电路，为控制电路提供工作电压(5V)。(3)晶闸管(可控硅)VT作为灯D的开关。它的特性是，当阳极和阴极之间加上正极性电压时，阳极、阴极还不能导通。只有当门极再加上一个正向触发信号时，阳极、阴极才能进入深饱和导通状态。而阳极、阴极两电极一旦导通后，即使去掉门极上的正向触发信号，阳极、阴极之间仍保持通态，只有使阳极、阴极之间的正向电压足够小(小到维持电流一下)或在两者间施以反向电压时，才能使其恢复截止状态。(4)集成电路(CD4011)为四二输入与非门(其引脚排列如图2所示)。其内部分为四个与非门，每个与非门有两个输入端和一个输出端。对于每个与非门，当输入信号全为高电平时输出则为低电平，如果其中有一个输入或输入全为零时输出为高电平。图2 CD4011引脚排列图(5)RG为光敏电阻器，其阻值随光线强弱变化，白天或光线较强时，光敏电阻阻值较小(在1K左右)；晚上或光线较暗时，光敏电阻器阻值较大(在1M左右)。(6)MIC接收器。该器件为电容式驻极体话筒。其作用是将接收到的声音信号转化为电信号，在静态（稳态）时，MIC呈现电容性(7001000pF容量)。(7）LED大功率白色高亮度发光二极管 型号：HW220-G 正常工作电压：3.0-4.2V 最大反向电压：5V 正向电流：250mA 反向电流：10A 亮度：20000-25000 角度：60-80 应用范围：背光源、大屏幕显示、交通信号灯和灯饰照明等。(8)单稳态触发器如图3所示是由两个与非门构成的微分型单稳态触发器。图中B是两个输入端与非门，A是两个输入端与非门并联而成的一个输入端非门。13脚Ui是输入触发信号。Uo4和Uo2是输出信号。由于这一电路中的电阻器R8和电容器C4构成微分电路，所以称为微分型单稳态触发器.图3单稳态触发器稳态分析。稳态时，由于没有输入信号，Ui为高电平，由于C4的隔直作用，非门A的输入端为低电平，使得非门A输出高电平，即Uo2为高电平。这样B两个输入端都是高电平，所以Uo4输出低电平。由此电路在静态时保持Uo4为低电平，Uo2为高电平这一稳态。电路受触发而翻转到暂稳态。当输入信号Ui出现负脉冲时，由于Ui从高电平变为低电平，与非门B输出端Uo4从低电平突变为高电平，这一高电平经电容器C4加到非门A的输入端(电容器C4对Uo4从低电平突变到高电平呈通路，因为电容器两端的电压不能突变)，使非门A输出端Uo2从高电平变成低电平。这时Uo4为高电平，Uo2为低电平的状态是暂时的，称为暂稳态。从暂稳态自动返回到稳态。在B输出高电平期间，电容C4被充电，其充电回路是：Uo4C4R8地端。随着电容器C4充电的进行，其两端的电压愈来愈高，极性为左正右负。与此同时，非门A输入端的电压愈来愈低，当低到一定程度时，非门输入端(5、6脚)为低电平，其输出端就是高电平，即Uo2从低电平自动返回到高电平状态。由于Uo2是高电平，同时，负脉冲触发信号已消失，输入信号Ui已为高电平，这样与非门B输出又为低电平。这样，电路重新进入稳态，完成了输入脉冲触发电路所产生的一个周期翻转。3.2控制电路工作原理该控制电路如图4所示，声光控灯的亮与熄是受晶闸管导通与关断控制的。而晶闸管的导通与关断决定于控制端的信号，即高电位导通，低电位关断。而晶闸管的控制端高低电位控制信号来自于集成电路的11脚，即11脚高电位灯亮，低电位灯熄。那么11脚高低电位又是怎样控制的呢？下面将具体介绍其控制过程.图4集成声光控路灯原理图白天：由于光线较强，RG阻值小，电源5V经R4、RG分压，使一二脚全为低电位，3脚输出为高电位，VD6正向导通，使13脚为高电位，11脚为低电位，VT不导通，高亮度发光二极管D熄灭。此时MIC有无接收信号都不能改变13脚电位处在高电位状态。晚上：由于光线暗，RG阻值变大,在RG上的分压高,使1、2脚同时为高电位，3脚为低电位，此时13脚的电位高低就取决于10脚电位高低。(1)当无声时，接收器呈现电容性，集成电路的8、9脚为低电位，13脚为高电位（注：此时13脚电位处于临界值），使11脚仍为低电平。此时VT无触发信号而关断。(2)当有声时，声音被接收器MIC拾到并发出一个音频信号，通过C2耦合在8、9脚，经放大后使十脚瞬时为低电位，使13脚由高电位转为低点位。11脚瞬时翻转为高电位，使得VT控制端G得到高电位而导通，灯泡即亮。此时为了让灯泡发光维持一段时间。但由于13脚为瞬时电压信号，很快就恢复原始高电位状态（稳态）。此时，由于C4在11脚瞬时为高电位时而充电，然后C4又通过R7进行放电，当放电结束，VT又关断。故放电时间长短取决于C4容量的大小(称C4为延时电容器)，故改变C4容量的大小，即可改变灯亮的时间。图中发光二极管LED代表3路并联二极管，其中每一条并联电路中是60个LED的串联。串联是为了分压，使电源提供的电压符合此LED的工作电压3.0-4.2V；在工作过程中，若有一个LED损坏，则这一路处于断开状态，该路停止工作，采用并联可以防止这种情况的发生，同时也能增加该路灯的亮度。另外，为了调整该灯的灵敏度，即光线的明暗程度，可以调整R4的阻值。R4越小，灵敏度越高，故称R4为调整该灯的控制灵敏度电阻器。4总结与体会为其两周的课程设计就快结束了，回首实习的整个过程，仍感到些许紧张，但更多的是充实。从接受到设计任务的那一刻起，我就开始忙起来了。整天沉浸在思索之中，大部分时间都泡在图书馆和网上查资料，但更多的是和同学在一起探讨，向老师请教两周内，我查看了大量资料，通过仔细地研究和反复演算，终于完成了我的设计。在这次设计中，我又学到了许多知识，让我了解到了路灯的工作原理，从中又学到了许多器件的有关知识。本制作采用数字集成电路及少数外围元器件,综合了声光和延时控制的照明灯,在白天或光线较强的场合,该灯始终处于关闭状态,即使有较大的声响,灯泡(发光二极管LED)也不亮.在晚上或光线较弱时则闻声灯亮(如脚步声、说话声)。经过大约30s延时(时间可设定)后自动熄灭，符合设计的要求。通过这次设计，我深深地感觉到了只有付出才会有收获，同时也需要有严谨的学习态度，才能学有所获。在整个设计过程中，各位指导老师替我发现了许多错误，为我