基于定时、光敏的智能路灯照明控制系统的设计

崔建国，宁永香

(山西工程技术学院，山西 阳泉 045000)

0 引言

对于城市的市政照明系统来说，其安装有专用的时控开关系统，可以根据当地天黑和晚上行车的情况来设置开启和关闭时间点，但一般居民小区或中小型厂矿、事业单位可能由于成本比较昂贵的原因，没有安装这一时控系统。而采用人工控制路灯照明的方法，导致大白天仍然开启路灯或天已经很黑却没有开启路灯的状况时常出现，不但浪费电力资源，也会对居民或单位员工的日常生活造成很大的影响。

可以设计一套简洁、价廉但很实用的定时、光敏照明开关系统，本系统可以在天逐渐变暗到达预调黑暗度时自动接通室外照明，其维持接通的时间可以预先调好，定时到达后关断照明电源，只有天又变亮时，新的工作过程才能重新开始。

实际上，该设计可以应用于对于外界光线的亮度变化的任何长短时间的开关应用。

1 小区路灯的定时、光敏照明开关电气原理

这款可以用于路灯的定时、光敏照明开关，电气原理如图1所示，图中可以看到，该款系统包括定时计数器电路、关停振荡器电路、光敏电路、定时器复位电路、继电器电路、照明开关电路以及低压供电电路组成。

图1 小区路灯的定时、光敏照明开关电气原理图

1.1 计数、定时器电路

这款智能照明开关系统的核心元件是集成电路IC1(CD4060)，CD4060是一块14级CMOS二进制计数器/振荡器电路，其内部结构如图2所示。

图2 CD4060内部电路结构图

由图2可知CD4060具有10个计数输出端。而且其内置了振荡电路，内部振荡器通过管脚9、10、11外接R、C阻容元件或石英晶体就可以形成可控多谐振荡，而且内部振荡器已在芯片内部连接到计数器的时钟输入端[1]。

振荡频率可以这样计算：

式中单位f为赫兹，R为欧姆，C为法拉。

当内部计数器复位端R(不是芯片的12脚RES端，见图2)为高电平时，计数器清零或复位(Q4～Q14输出皆为“0”)，且振荡器使用无效，注意这时对应的芯片12脚也为高电平。

当内部计数器复位端R为低电平时(芯片12管脚RES端也为低电平)，由于外接的振荡定时元件控制产生一定频率的时钟脉冲信号，由时钟脉冲CP下降沿触发计数(见图1 的端)，内部计数器开始计数，经过一个周期后在相应的管脚就可以输出4分频到10分频、12分频到14分频的脉冲信号，其中Q13中的“13”即为13分频输出，对应芯片的第2脚，见图1，其它类推。

为了熟练应用4060的定时功能，强调一下芯片IC1的RES端(12脚)高低两种电平对应的不同功能：URES=1时，计数器复位，振荡器无效，计数器输出皆为0；URES=0时，计数器开始计数，路灯开关定时开始，定时时间由振荡频率决定。若干时间后，计数器各输出端陆续变为高电平，比如13分频输出端电压UQ13=1，路灯将会关掉，见图1相关部分。

按照图1所示的电路元件参数，利用电位器P1可以把路灯点亮的时间调整为1～8小时。为了尽可能延长定时时间，可以将IC1的9脚外接的电容调整为大容量无极性电容。 但大容量无极性电容较贵，而电解电容容量大且便宜，但有极性，可以将两个容量相等,耐压相同的大容量电解电容反向串联，如图1中的电解电容C1、C2，这种接法在交流电路中可以减小漏电流，相当于无极性的大容量电容。它的工作状态是,当有交流电时,其中一个处于反向状态,由于它的严重漏电,它两端的压降就很小,几乎全部电压都落在那个正向的电容上,而当交流电的另外半个周期,两个电容的状态就会互换,所以,这两个电容就当一个使用，总电容等于其中任意一个电容的值，总耐压值等于任一电容的2倍。

1.2 继电器电路

参见图1，继电器J能否吸合，即路灯是否打开，取决于继电器触发信号放大电路晶体管T4、以及被光敏电路控制的晶体管T5能否同时导通。

当定时器定时没有结束时，UQ13=0，晶体管T4的基-射极产生开启电流，处于导通状态；天黑没有光线导致光电晶体管T3截止，晶体管T5基-射极产生开启电流，也处于导通状态。在这种情况下，继电器J吸合，照明电路通电，路灯开启。

就是说既使定时器定时没有结束T1导通，但如果处于白天时间，光电晶体管T3将导通，晶体管T5处于截止状态，路灯仍然不会亮；或者虽然处于晚上时间，T5处于导通状态，但定时器定时已到，路灯仍然不会开启。

1.3 光敏电路及定时器复位电路

参见图1，光敏电路由光电晶体管T3组成，计数器复位电路由晶体管T6、电阻R6、R7组成，当时间处于晚上时，由于没有光照，光电晶体管T3集-射极之间处于截止状态，T5导通、路灯可能开启；T2导通，计数器4060的12脚(RES端)处于低电平，振荡器工作正常、计数器正常计数[2]。

当时间处于白天时，光电晶体管T3由于有光线照射而导通，T5基级电流减小、将会截止，路灯关闭；由于T2的基-射结与T5的基-射结是并联的，因此白天时T2同样截止，计数器4060的12脚(RES端)处于高电平，计数器清零或复位(Q4～Q14输出皆为“0”)，且振荡器使用无效，这时虽然T4导通，但由于T5截止，路灯仍然关闭。

故只有天黑时，晶体管T5、T2才有导通的可能。

1.4 关停振荡器电路

由于各个模块电路相互关联、其电位相互掣肘，故可能有这样一种情况：天黑时，电源通过电阻R7为晶体管T2提供基极电流，T2、T5导通，路灯点亮；与此同时，计数器IC1对内部振荡器产生的脉冲进行计数。经过预置的时间，计数器输出端Q13变为高电平，使T4截止，继电器J断开，路灯熄灭。

这时出现一个问题，在整个夜晚期间，IC1的12脚RES端(复位脚)由于T2吸合，一直保持低电平，故计数器一直处于计数状态、振荡器也一直有效，故路灯熄灭以后、再过一段时间(输出脉冲Q13占空比的时间)又将反转为低电平，IC1将会继续第二个计数周期，路灯又会再一次亮起，预置时间结束后，路灯再次熄灭，一晚上如此循环往复，这不是我们所希望的，我们要求第一个计数周期结束后，必须采取办法迫使计数器停止计数[3]。

可以设计一个关停振荡器电路，见图1，在IC1的11脚与2脚(Q13端)之间串联电阻R1与晶体管T1，Q13输出端经过预置时间变为高电平后，路灯熄灭，此高电平通过电阻R1为晶体管T1提供开启电流直至导通，IC1的11脚变为低电平，迫使IC1内部振荡器停止工作，计数器将停止计数。

由于仍为晚上，导致IC1的12脚(RES端)没有复位信号到达(URES≠1)，故Q13脚仍然为高电平，这种情况会一直保持到天亮直到计数器被复位(URES=1)时为止，以后又可以开始新的工作循环过程：天黑时，URES=0，计数器开始计数，路灯开启；Q13第一个周期结束后，路灯熄灭，如此循环不停。

1.5 照明开关电路

照明开关电路由常闭开关SB1、常开开关SB2、继电器J、接触器C组成。晚上定时器没到预定时间、继电器J吸合、接触器C线圈端通过开启电流吸合，220V交流电源通过常闭开关SB1、接触器C为照明灯具供电；定时时间到，继电器J断开、接触器C断开，照明电源关断。

若遇到控制电路出现误控导致不能为路灯供电的状况，可以应急、直接接通常开开关SB2、接触器C吸合，为照明电源恢复不间断供电；若控制电路出现不能关断照明电源的状况或需要紧急关断照明电源，可以直接打开常闭开关SB1、接触器C断开，照明电源关断。

1.6 低压供电电路

将交流市电转换为低压直流的常规方法是采用变压器降压后再整流滤波，但如果受体积和成本等因素的限制时，最简单实用的方法是采用电容降压式原理来实现低压电源的获取。

图1中，220 V工频交流电源直接接入电路，无需电源变压器，二极管D1～D4对交流电源整流并由电容C4进行平滑滤波，经过稳压二极管D5稳压，得到稳定的直流电压。其中电容C5当作降压电阻使用，其额定工作电压应不低于400 V，最好是630 V[4]。

电阻R5为电容C5的放电电阻，对电路安全很重要；电容C5容量的选取按照经验公式计算，1 uF大约输出100 mA电流；注意稳压二极管D5的功耗，严禁稳压管断开运行。

低压电源将作为IC1以及其它电路的工作电源。

2 制作及注意事项

1) 光电晶体管T3的安装要注意避开路灯的照明，若有非太阳光线照到T3上，将会引起不必要的误控，导致路灯频繁开启-断开，影响照明效果、减少灯具寿命。

2) 定时时间可以由电位器P1调节，比如夏天白天长、晚上短，可以将定时时间调短；冬天则反之。为了调节方便，电位器旋钮可以仿照收录机声音调节旋钮一样，按顺时针或反时针标出刻度。

3) 限流电容C5必须采用无极性电容，绝对不能采用电解电容，而且电容的耐压须在400 V以上.最理想的电容为铁壳油浸电容。

4) 电路由于没有使用工频变压器降压，在电路许多点上带有危险的电源电压，要注意电路的绝缘，安装或检查时要小心，防止触电。

3 结语

这套路灯智能照明开关系统巧妙利用计数器的定时功能、加上光电管的光敏特性，实现了1～8小时的路灯定时开关，定时时间可以随季节不同而随意调节，对于光线的判断同样可以随意调节，是一套性价比很高的智能照明控制系统。