大学生科技创新活动

报告

项目名称：光控路灯控制器

项目成员：黄场鸿20090417108

陈加福20090417202

所在院系：自机学院

专业班级：电气工程及其自动化2班

指导教师：徐东霞 黄钺 王玮

一 引言

在信息技术不断发展，人类文明不断进步的时代，越来越多的电子产品开始占们的日常工作和生活，在很多公共场所，只要短时间照明的场所，就需要安装一些电子器件，即能够自动控制开关，在有人的时候亮，人走之后，也能持续一段时间，路灯控制器是一种声光控制的器件，能实现这种功能，即在白天光线比较亮不需要照明的时候，即使有声音，灯也会不亮，而在天黑或光线比较暗的时候，能够使电路工作，自动控制灯打开，而且能够在声音消失后，延时照明一段时间，实现照明的目的。通过查阅大量书籍和资料，才在老师和同学的帮助下，设计出了一个简单的路灯控制器电路，其特性优越，用途广泛，功能健全，使用方便。

二 总体设计方案

2.1 设计思路

路灯控制器电路主要由光控电路，开关控制电路及延时电路构成。工作时，光控电路控制开并控制电路，而光控电路具有优先控制的功能，即先让光控电路来控制开关电路，即在光控电路工用的情况下，再有声音信号才能使用控制电路工作，使灯打开，且在声音消失后会延时照明一段时间，这部分电路由延时电路来实现，电源电路的作用是为负载电路提供照明电源同时向电路中的控制电路提供工作电源，交流电源经过桥式整流以后，再经过电容降压，为负载提供电源，同时经过稳压以后，为控制电路提供工作电流。

该电路是利用光敏电阻对光敏感的特性和开关管的开关特性来实现，即白天或光线较亮的时候，控制灯不亮，而在晚上或光线较暗时控制灯亮，同时还要有一个延时电路，以达到延时照明的目的，声控和光控是共同进行控制的，因而还要有一个电路来控制，当有光亮的时候，此控制电路阻止，信号不再往下传输，即灯不会亮，而只有当光线足够暗且有声音的时候此控制电路才起作用，才往下一电路传输信号，灯才会亮。此电路既可以用三极管实现，也可以用4000糸列的数字集成实现，出于简单稳定的目的，这里选用数字集成电路来实现。本电路的主要任务是实现在白天光线比较亮的情况下，灯不亮，而在光线比较暗或天黑的时候，只要有声音（说话声、脚步声），灯就会亮，同时加上延时电路的延时作用，灯会延时亮一段时间，不致灯连续工作，造成能源浪费或元器械件的损坏。延时电路由电阻，电容实现，光控电路由光敏电阻实现，开关电路由开关管实现。

2.2 总体设计方框图

路灯控制器电路的总体框图由声控、光控电路，声光控制电路，开关电路，延时电路，负载电路和电源电路等构成，工作时，先由光控电路和声控电路一起向声光控制电路输入信号，当两个信号同时有效时，声光控制电路才往下传输信号，才向开并电路送去信号，使开关打开，同时也促使延时电路开始工作，而电路的电源由电源经过桥式整流以后，再经过降压电路降过压以后来提供，电路中其他需供电的电路由降压以后再进行稳压以后来供电，负载的供电直接由电源来提供。总体框图如下所示，工作流程如箭头所示：

　　利用光照强度为传感器，目前最为常用且性价比较高的就是光敏电阻，利用其光线较强时，电阻值较低，而光线较暗时则电阻较大的特点，利用电桥，可将光线信号转换成电信号，再通过电压比较器等方式，可以有效地完成控制需要。这类设计中，只要能将光线信号取出，整个设计也便完成了大半，至于控制部分的设计，可采用继电器输出，这样就算驱动较大的路灯负载，只需再加接触器便可完成。

在本系统的设计中，如何提高系统在光线临界状态的稳定性，是设计的难点所在。由于光敏电阻的电阻值变化是连续的，因此在靠近临界点时，容易造成不稳定，在设计中若能用运放电路来完成处理，则可将运放接成电压比较器的方式，这样可以完成较为精确的起控；若采用分立元件来处理，可以采用稳压管来稳定工作点，只有当分压大于稳压管的击穿电压时，电路才能起控。夜间通常要在现场设置并开启红色警示灯具，用来提醒过往的人员，以防止夜晚过往人员。为了提高警示效果、节省电能和方便使用，警示灯最好工作在闪烁状态，并采用自动控制方式。本文介绍的警示灯控制的电路就具备了闪烁和光控两种功能，即天黑后能控制警示灯自动开启并工作在闪烁状态，天亮后又能将警示灯自动关闭。

光控路灯控制器可以自动实现白天光线较暗和晚上遇到声响时，路灯自动点亮，从而实现人来灯亮，人走灯灭，既方便又实用。不仅节约了电能，而且能延长灯泡使用寿命。可广泛应用于楼梯，走廊，卫生间及生活小区等公共场所的照明控制。此控制器经济实用，即使一般的脚步声也能出灯泡发光照明好。

三 设计原理分析

3.1  路灯控制器的原理

交流220V电源电压经灯泡LED后，由D1-D4的整流桥整流，电阻R1,R10分压，电容C1滤波，D6稳压后产生12V左右的直流电压给控制电路供电。C2、D1和D2、C3构成倍压整流电路。把声音信号变成直流控制电压。R4、R5和光敏电阻R11组成光控电路。有光照射在R11上时，阻值变小，对直流控制电压衰减很大。VT2、VT3和R7、D3组成的电子开关截止，C4 内无电荷，单向可控硅MCR截止，灯泡不亮。在MCR截止时，直流高压经R9、R10、D4降压后加到C3、CW1（稳压管）上端。C3为滤波电容，CW1为稳压值12~15V的稳压二极管，保证C3上电压不超过15V直流电压。当无光照射R11 时，R11 阻值很大，对直流控制电压衰减很小，VT2、VT3等组成的电子开关导通，D3 也导通，使C4充电。R8、C5和单向可控制MCR、D5~D8 组成延时与交流开关。C4通过R8 把直流触发电压加到MCR控制端，MCR导通，灯泡点亮。灯泡发光时间长短由C4、R8 的参数决定，按图中所给出的元器件数值（R8为22K），发光30秒左右后，MCR截止，灯熄灭。C5为抗干扰电容，用于消除灯泡发光抖动现象。

3.2 电路设计

3.2.1总体电路的设计

3.2.2 电源电路设计

电源电路的主要作用是为路灯控制器的负载提供电源，同时为其中的控制电路提电源，其由220V交流电源经过一个桥式整流的整流作用，再经过电阻R1， R2分压，C1滤波，使电压稳定在10V左右，为数字集成电路TC4011BP和其他负载电路提供稳定直流电压，同时经桥式整流过的电压经过开关管给光源负载供电。

3.2.3照明电路

由于半导体照明比现有的照明光源更加节能，因此半导体照明又被称为照明领域中的又一次革命。比如，一只60W的白炽灯泡要消耗60W的电能，发出大约800lm的光，用现有的节能灯管，需要12W-15W的电能，如果用半导体照明(假定发光效率为120lm/W-150lm/W)。只需要6W-8W的电能，目前LED的发光效率为100lm/W。此路灯控制电路设计的初衷是节能，照明电路采用的是高亮度10个LED串联成一组，四组并联。亮度即能满足场合需要又达到节能降耗的要求。

表1 LED型号与在20mA测试条件下的参数

表 2 相关元件型号

 滤波电容C1的选择是根据芯片工作电压和后续电路的需要来选择的，由于此处用到的芯片TC4011BP的工作电压在3～18V之间，考虑到后续电路要工作在饱和状态，滤波电容选择16V耐压。

耦合电容C2的选择耦合信号的需要来选择，它决定电路对声音的敏感度。据调查一般场合采用容量为105u的电容即可满足要求，此处采用105u的电容。

延时电容C3的选取设置灯泡点亮的时间的长短来选择容量的大小的，此处选择的型号为16V100u。根据电阻阻值和电容容量可计算延时。此处设计延时时间为90秒。

滤波电容C4的选择是根据电压来选择的。此处选择的型号为250V100u即可满足滤波稳压的要求。

降压电阻的选取：负载由LED构成，本电路路采用多个LED串并联的形式，先串再并，以达到分压分流的目的，此处用十个串再四个并联。LED采用BT30型，它能承受的最大电流是20mA，承受的最大电压是2.5V。相关研究资料表明该二级管电流维持在19mA时，发光效率最高。据此可以计算限压电阻的最小阻值：

四 心得及体会

此次的课程设计使我对路灯控制器的工作原理及工作特点都有了进一步的了解，并对有关的知识有了更进一步的掌握，对它的性能和特点也有了更全面的把握，明白了很多关于它的很多理论和实践知识，其电路结构简单，工作性能稳定，功能容易实现，其可用常用的电子元器件构成，因此成本较低。在此基础上也确实存在着一些间题与不足，比如负载的性能稳定问题，光敏电阻的敏感性问题，还有声控电路的声音感应敏感性问题，电路识别能力导致的误操作问题但总体上还是比较简单实用的。

感受最多的还是自己的实践动手能力不太好，而且对学过的知识的运用还不太熟，学过的东西不知道该怎么应用，不可避免地遇到了不少的问题，也学会了自己去思考怎样分析问题和解决问题，锻炼了自己动脑、动手的积极性，同时也是动学过的知识的一种复习和加深，同时也让自己学会了如何运用已学过的知道来解决实际问题，对自己也是一种提高和锻炼。通过这次的实习，使我懂得了很多，也学到了很多的东西，可以说收获不少，其实学习的真正意义也就是能够将学到的东西运用到实际的应用中，为社会作贡献，为人们的生活服务，而我们的任务就是把我们所学到的知识运用到实际生活中，只有这样我们才真正地达到了学习的真正目的。

附录：

元件清单：

参考文献

[1]王俊峰,斐炳南,李传光.电子产品的设计与制作工艺.北京理工大学出版社,1995

[2]清华大学电子学教研组编.童诗白.模拟电子技术基础 第三版,北京:

高等教育出版社,2004

[3]华成英.电子技术.北京:中央广播电视大学出版社,1996

[4]杨素行.模拟电子电路.北京:中央广播电视大学出版社,1994

[5]何希才,伊兵.实用电子电路设计.北京:电子工业出版社,1998

[6]叶挺秀.应用电子学.杭州:浙江大学出版社,1994   

[7]王楚,徐道衡.电子线路原理.北京:北京大学出版社,1995  

参考附图1：电气原理图

参考附图2：PCB图

参考 附图三： 三维效果图