带计时的光控路灯原理与设计

2014-07-22张国文

赤峰学院学报·自然科学版 2014年7期

关键词：光敏电阻数码管低电平

张国文

（赤峰学院后勤管理处，内蒙古赤峰 024000）

带计时的光控路灯原理与设计

张国文

（赤峰学院后勤管理处，内蒙古赤峰 024000）

该设计是通过光敏电阻控制555芯片的高低电平输出，从而使路灯的开或关能由外界光线控制.555芯片的输出接计时电路的使能端，以及计数电路的脉冲端，从而实现计时与计数电路的同步启动.用555芯片接成一个频率为1HZ的多谐振荡器，作为脉冲信号产生电路.使用了CD4511驱动共阴极的七段数码管以构成显示电路.

路灯控制器；光敏电阻器；光控路灯

1 引言

随着大中城

市规模的不断扩大，城市照明路灯的数量越来越多，传统的通过人工开关控制照明的方式已经跟不上时代的发展的步伐，随着数字技术和网络技术的发展，节约能源、提高照明效率和管理水平，对我们提出了更高要求.近年来，高强度发光二极管(LED)普遍应用到电路中，很好的改善了路灯的发光强度和延长了使用寿命.本文设计的路灯控制器将随着光照的强弱来自动开启和闭合路灯的开关.

2 电路的设计方案

本设计是通过光敏电阻控制555芯片的高低电平输出，从而使路灯的开或关能由外界光线控制.555芯片的输出接计时电路的使能端，以及计数电路的脉冲端，从而实现计时与计数电路的同步启动.用555芯片接成一个频率为1HZ的多谐振荡器，作为脉冲信号产生电路.使用了CD4511驱动共阴极的七段数码管以构成显示电路.当光照强度减弱时，光敏电阻器的阻值会增大.555芯片的触发端口、阈值端口会出现低电平.当触发端口电平低于1/3Vcc且阈值端口低于2/3Vcc时，输出口出现高电平.此时路灯被点亮.而当光照强度增强时，光敏电阻器的阻值会减小.触发端口电平高于1/3Vcc且阈值端口高于2/3Vcc，输出口出现低电平.此时路灯被熄灭.由于来往车辆的车灯、反光等外部瞬时光照可能会给光敏电阻带来的短暂光照，造成系统错误动作，我们设置了电容的充电延时电路.通过分析，方案可行.电路的原理框图如下：

图1 电路的原理框图

3 单元电路的设计与分析

3.1 光敏电阻

光敏电阻器（photoresistor or light-dependent resistor）是一种电阻值随入射光强改变的电阻器.它基于半导体的光敏效应原理.入射光强电阻减小，反之亦然.光敏电阻一般用于光的测量、控制以及光电信号转换.常用的光敏电阻器为掺杂型光敏电阻.光敏电阻器的阻值可根据光照在数千欧到数兆欧之间调节.

3.2 光敏电阻工作原理

光敏电阻的基本原理为内光电效应.封装形式为带透明窗的光敏半导体.光敏半导体在黑暗环境下阻值很高.当光敏半导体受到频率足够高的光线照射后，光子能量会超过半导体材料的禁带宽度.此时，光子的能量会被价带中的电子捕获，供其成功跃迁到导带.对应的，一个带正电荷的空穴就在价带中产生了.这些“电子～空穴”增加了半导体材料中载流子的数目.从宏观上，光敏电阻电阻率变小，阻值下降.在光频足够的前提下，光照越强，光敏电阻阻值越低.而当入射光消失后，载流子随“电子～空穴”的复合而降低，宏观阻值也就恢复原值.在光敏电阻两端加电压，用波长足够短的光线照射时，电流会随光强变大.这样便实现了光电信号的转换.

图2 光敏电阻原理图

3.3 多谐震荡电路的设计

555定时器是一种中规模集成电器件.它使用灵活，结构简单，用途广泛.555芯片一般用双极性工艺制作，而7555则是用CMOS工艺制作.555的派生型号还有556、558、559等.电源电压范围宽是555定时器的一大特点.555可在4.5V～16V下工作.而7555可在V3～18V工作.输出驱动电流约为200mA，故而可与TTL.CMOS及模拟电路电平兼容.

555定时器由分压器、电压比较器、基本RS触发器、放电三极管和缓冲反相器组成.可构成多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触发器等脉冲产生电路.

3.4 译码显示电路的设计

数码管按段数分为七段数码管和八段数码管.后者多出的发光单元用于小数点的显示.按发光二极管单元连接方式，数码管分为共阳极数码管和共阴极数码管.将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极的数码管称为共阳数码管.共阳数码管应将公共极接到高电平.当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应段就点亮，反之不亮.同理，共阴数码管则是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极的数码管.共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上.字段的发光二极管为高电平点亮.

本设计中选用的是共阴极七段数码管.如图3所示.

如图，用于驱动的是CD4511译码驱动器.数码管在此电路中用于显示路灯持续工作的时间与启动的次数.

74LS160计数器用于十进制计数.其输出的8421码加在译码器输入端，经译码器转换为a到g的七位电平信号.最终在数码管中呈现.本设计中译码驱动器采用CD451l.CD4511是BCD码译码器，常用于共阴极LED（数码管）显示器.其特点有：采用CMOS电路；同时具有BCD转换、消隐和锁存控制功能、七段译码及驱动功能；能提供较大的拉电流从而直接驱动LED显示器.CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作.

图3 计数电路设计

3.5 计数电路的设计

该部分用到了五个74LS160十进制计数器，前两个和中间两个组成了两级60进制计数器，用于显示分和秒，第五个仍是十进制，用来显示路灯工作的次数.

4 路灯光控设计电路

根据电路的设计方案及上述单元电路的分析.可以简单的设计出光控自动路灯电路，电路如图所示：

图4 光控路灯

现对电路进行分析，它的电路原理：

供电电路安排如下.变压器T负责降压至24V.二极管VDI～VD4组成桥式整流，负责将交流电转为波动直流电.三端稳压集成块A1负责稳压并将电压降至12V±5%.电容C1、C2负责滤波.供电电路通电后可为整机提供12V稳定的直流工作电压.定时器由A2（CD4060）和外围阻容元件组成.A2内部包含一个振荡器和一个14级二进制分频器.由 A2第9～11脚外接电阻与电容构成RC振荡器，图中(R1+RP1)为外接的振荡电阻，C3为振荡电容，R2为补偿电阻器，一般取值应大于振荡电阻.电路的振荡脉冲周期可由T=2π(RI+RPI)C3公式计算，RC振荡器产生的计数脉冲直接由A2芯片内部送至14级分频器进行分频，最后由Q14端输出最高位.

时基电路A3（555）接成施密特触发器，其输出端电平的高低由输入端（2、6脚）即A3的Q14端电平及强制复位端（4脚）共同控制，但强制复位端（4脚）的控制优先权更高.光控电路由三极管VT2、光敏电阻RL、阻容元件R5～R7、RP2、C4等组成.白天RL受光线照射呈低电阻状态，VT2导通，A3的4脚被钳位在低电平，A3被强制复位，因此输出端(3脚)为低电平，继电器K无动作，路灯EL不亮.与此同时，A3内部的放电管导通，7脚也为低电平，PNP三极管VT1导通，从而为A2的复位端（1 2脚）加上高电平“1”，此时A2内部电路清零，振荡停止，Q14端第三脚输出低电平“0".当夜幕来临时，RL阻值开始增大，VT2基极电平随之下降，当降至阈值0.65V以下时，VT2截止，A3的4脚跳变为高电平，强制复位被解除，由于此时2、6脚为低电平“0”，所以电路立即置位，第3脚输出高电平，继电器K吸合，路灯EL点亮.此时A3内部放电管截止，第7脚被悬空，VT1截止，A2的复位端（1 2脚）跳变为低电平“0”，A2内部振荡器起振，计数开始.A2内部的14级二进制分频器对振脉冲进行2的14次方分频，当第2的13次方(8192)个脉冲数到来后，A2的Q14端（第3脚）就由低电平跳变为高电平“1”，并直接送至A3的阀值端（第6脚），如果此时第4脚非高电平，则A3复位，第3脚输出低电平，K释放，灯EL熄灭，从而达到有光时延时自动熄灯的目的. A2的Q14端输出的高电平经VD5加至脉冲输入端（第11脚），使振荡电路停振，整个电路的状态一直保持到天亮（即光线较强时），A3复位，A2清零为止.

计时电路由一个接成1Hz频率的555多谐振荡电路、四个74LS160接成的60*60时间信号计数器、一个74LS160接成的次数计数器、五个CD4511译码器和五个7段数码管组成.时基电路输出端（3脚）接555振荡电路的控制端和次数计数器CP端. A3第3脚高电平、路灯EL点亮时，振荡电路发出计时信号，经74LS160计数和译码器译码后在数码管中显示；同时次数计数器启动，进行一次计数，并将结果经译码后在数码管上显示.