城镇住宅小区灯光控制设计

城镇住宅小区灯光控制设计

0灯光总控型和时控型的选择合理控制路灯的打开和关灯时间是路灯照明线路节省能耗的有效手段之一。目前,路灯线路控制器产品型号繁多,归纳起来可分为光控型、时控型和光时双控型3种类型。光控型不能实现午夜行人少时的关灯功能,时控型不能实现阴雨天提前开灯和晴天推迟开灯的功能。住宅小区的路灯一般要求傍晚开灯、午夜关灯(或部分关灯),因此,光时双控是住宅小区路灯线路控制的最佳选择。目前的路灯线路控制器产品大都采用微处理器、可编程控制器或单片机,其特点是功能比较全面,缺点是成本较高,设置较麻烦。为此,笔者根据住宅小区路灯照明线路的特点,采用CMOS缓冲器为基本元件,设计了一种新颖的路灯照明线路光时控制器。1电路组成1.1开关与位置接口部分该控制器由直流稳压电源、光控电路、时控电路和驱动电路4部分组成,组成框图如图1所示。当开关与位置1接通时,只有傍晚开灯、天亮关灯的光控功能;当开关与位置2接通时,则有傍晚开灯、午夜关灯的光时双控功能。1.2滞回特性的应用该控制器组成电路如图2所示。直流稳压电源由单相全波整流、电容滤波和稳压管稳压电路组成。光控电路由电阻R2和光敏电阻R3组成的分压电路以及由CMOS同相缓冲器G1和电阻R4、R5组成的施密特触发器组成,利用施密特触发器的滞回特性,可有效提高光控电路的抗干扰能力。电阻R6～R8、电容C3、CMOS同相缓冲器G2和二极管VD3组成时控电路,延时时间分三挡,由开关S1切换。电阻R9、晶体管T、干簧继电器RR(内设续流二极管)和开关S2组成驱动电路。2工作原则2.1干响继电器rr不动作图2的开关S2拨到位置1时,即可实现光控功能。白天光线强时,光敏电阻R3呈低阻,a点电位低于施密特触发器的正向阈值电压,b点为低电平,晶体管VT截止,干簧继电器RR不动作;傍晚光线弱时,光敏电阻R3呈高阻,a点电位升高,当a点电位高于施密特触发器的正向阈值电压时,b点电位翻转为高电平,晶体管VT导通,干簧继电器RR动作,使干簧继电器RR的触头驱动执行元件(交流接触器或其他控制电器)给路灯线路送电;次日清晨光线再次变强,而使a点电位低于施密特触发器的负向阈值电压时,b点翻转为低电平,晶体管VT截止,干簧继电器RR返回,使执行元件返回,切断路灯线路电源。电容C2用于吸收瞬时亮光的干扰。2.2中性点电路结构图2的开关S2拨到位置2时,即可实现光时双控功能。白天光线强时,光敏电阻R3呈低阻,a点电位低于施密特触发器的正向阈值电压,b、c、d点均为低电平,晶体管VT截止,干簧继电器RR不动作;傍晚光线弱时,光敏电阻R3呈高阻,当a点电位高于施密特触发器的正向阈值电压时,开始b、c、d点均为高电平,干簧继电器RR动作,使干簧继电器RR的触头驱动执行元件给路灯线路送电,此时电容C3开始充电,使c点电位Uc下降,午夜Uc下降到CMOS缓冲器的阈值电压时,d点翻转为低电平,晶体管VT截止,干簧继电器RR返回,使执行元件返回,切断路灯线路电源;次日清晨光线再次变强而使a点电位低于施密特触发器的负向阈值电压时,b点翻转为低电平,电容C3通过二极管VD3迅速放电,为次日傍晚路灯线路再次送电做好准备。3参数设计该控制器的大多数参数可参照有关电子技术教材进行,以下仅讨论几个主要参数的设计。3.1ut+r4r5的阻值R4和R5阻值的比值关系到施密特触发器的阈值电压,即UΤ+=(1+R4R5)UΤΗ(1)UΤ-=(1-R4R5)UΤΗ(2)UT+=(1+R4R5)UTH(1)UT−=(1−R4R5)UTH(2)式中UT+——施密特触发器的正向阈值电压UT-——施密特触发器的负向阈值电压UTH——CMOS缓冲器的阈值电压(UTH=0.5UDD)UT+在UTH～UDD范围内取值,R4一般可在几兆欧的范围内取值。将UT+、UTH和R4的阻值代入式(1),即可求得R5的阻值。再将UTH和R4、R5的阻值代入式(2),即可求得UT-。3.2s1阻值的推导为了不对施密特触发器的阈值电压产生太大的影响,R3宜选择亮阻和暗阻均较小的光敏电阻。通常,要求傍晚光照度低到10lx开始开灯,由此可导出R2阻值的计算公式。R2=UDD-UΤ+UΤ+R3(10lx)(3)R2=UDD−UT+UT+R3(10lx)(3)式中R3(10lx)——照度为10lx时光敏电阻R3的阻值3.3ude-trxc2trt及相关设备设计C3的容量和R6(或R7、R8)的阻值确定延时电路的延时时间。根据RC电路的暂态分析,C3充电时,图2中c点电位随时间的变化规律为Uc=UΟΗe-tRxC2(4)式中UOH——CMOS同相缓冲器高电平输出时的输出电压Rx——R6～R8某一电阻的阻值由于R6～R8的阻值较大,故UOH≈UDD,代入式(4)得Uc=UDDe-tRxC2(5)式(5)中令Uc1=UTH=0.5UDD,所求得的时间t即为延时电路的延时时间T,即Τ=-RxC2ln0.5≈0.69315RxC3(6)由于傍晚路灯开灯后,经5～7h即进入午夜关灯时间,因此,可将三挡延时时间T1、T2和T3分别设计为5h(18000s)、6h(21600s)和7h(25200s),供用户根据具体情况进行选择。设计时,可先确定C3的容量(一般可在几千微法的范围内选择),然后将T1、T2和T3的取值分别代入式(6),所求得的Rx的阻值则分别为所需的R6、R7和R8的阻值。4延升机上的延迟时间按照上述方法,采用Multisim软件设计了一个路灯光时控制器电路,并进行了仿真分析。仿真电路主要技术指标的理论值如表1所示。图3(a)和图3(b)为光电转换电路中施密特触发器a点电位分别为Ua={5t0≤t≤15-5(t-1)1≤t≤2Ua={0.5t0≤t≤105-0.5(t-10)10≤t≤20时的仿真波形。从图3可以看出,仿真波形与表1的理论值完全一致,即当Ua上升时,Ub正好在Ua上升到UT+(3V)时由低电平翻转为高电平;当Ua下降时,Ub也正好在Ua下降UT-(2V)时由高电平翻转为低电平,且Ub状态的改变与Ua随时间变化的快慢无关。图4(a)、图4(b)和图4(c)为在图1中a点加高电平延时电路延时时间理论值分别切换到T1(18000s)、T2(21600s)和T3(25200s)时的仿真波形。从图4可以看出,各延时时间与表1的理论值完全相同,且d点正好在Uc=0.5UDD(即CMOS缓冲器阈值电压处)由高电平翻转为低电平。5对灯光机控制系统的要求,应根据季节不同图5为一种采用交流接触器KM作为执行元件的应用电路。图中刀闸开关Q用于在安装维护时隔离电源;熔断器FU用于短路保护;RR为控制器中干簧继电器的动合触头,以控制交流接触器线圈的通电和断电,进而控制交流接触器的主触头的通断,实现对路灯照明线路的控制。安装时应特别注意的是,应将光敏电阻置于灯光不能直接照射到的能遮避雨雪的自然光环境中。该控制器已在某住宅小区得以实际应用。该小区原来采用的是不带光控功能,根据经纬度不同自动调整送电和停电时间的微处理器型控制器,因此,不能根据天气情况调整路灯线路的送电和停电时间。改用上述光时控制器后,不仅能根据天气情况自动调整路灯线路的送电和停电时间,而且能根据季节的不同自动调整路灯线路的送电和停电时间。在该小区中,采用两路图5所示的应用电路,一路用作光控,另一路用作光时双控,使午夜后大部分路灯熄灭,仅保留小区大门附近和主干道少数路灯到天亮关灯。经多年使用结果表明,效果良好,并使该小区的室外路灯照明年度用电量比原来节省近30%。6有常用的灯光机软件该路灯线路光时控制器虽是为城镇住宅小区专门设