基于光敏及定时的小区照明控制系统

2020-08-20崔建国宁永香

山西电子技术 2020年4期

崔建国，宁永香

(山西工程技术学院，山西阳泉 045000)

0 引言

小区或厂区的照明系统一般由专人负责定时开启或关闭，这种运行模式会有很多弊端，比如由于责任人的不尽责，导致该开启路灯的时候，小区却一片漆黑；或者遗忘关闭路灯的时间，让路灯整夜亮着。这种管理模式不但会造成国家资源的浪费，更造成小区居民的生活不便、对居民的生命安全造成威胁。

可以设计一个小区路灯照明控制系统，这个系统在外界光照达到预调的黑暗度时可触发导通照明灯具，并保持该状态在30分钟到10个小时内连续可调。该设计的基本思想是尽量使电气的电源消耗减至最小。此控制系统主要用来控制小区或厂区的路灯照明系统，但事实上它具有一定的通用性，比如作为“家里有人”防贼系统，防贼系统在控制照明的前提下如果加以声音(比如收音机)控制，效果会更好，这很容易实现。

实际上，该设计可以用于基于外界光线的亮度变化的任何长短时间的开关应用。

1 小区照明控制系统电气原理

电气原理如图1所示，电路尽管简单，效果却令人满意。包含强弱电光隔离电路、直流供电、光线采样电路、计数/定时电路、电源过零检测电路、触发电路、以及由可控硅组成的固态继电器等七部分组成，下面详细介绍。

图1 小区照明控制系统电气原理图

1.1 强弱电隔离

强弱电隔离电路分前级隔离以及后级隔离，前级由降压变压器实现，后级由光电耦合器实现，强弱电分开不但可以防止电磁感应相互干扰，更可以充分保证人体的安全，对于后期检修极有益处。

1.2 振荡定时电路

本设计核心电路以一只14级串行二进制计数器集成电路CD4060(IC1)为基础， CD4060具有10个计数输出端。其内置了时钟振荡电路，振荡器外接RC元件或石英晶体就可以形成可控多谐振荡，振荡器已在内部连接到计数器的时钟输入端[1]。

在图1中，此时钟脉冲振荡器在整个电路中起重要作用，振荡器的振荡频率由电容C3、电阻R6、电位器P1决定，其中P1作为调节主频率之用，通过调节主频率的大小，4060的10个分频信号输出端皆可输出不同频率的脉冲控制信号,合理利用各种频率的组合，可以得到许多很有趣的电子开关应用。

主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。

4060的复位端(12脚)R前接传感器电路，由于环境的变化，传感器输出反转。比如该脚一旦变为高电平，计数器将被清零或复位，这时4060计数器的所有输出端都将被清零，包括本设计将要使用的Q14(3脚)输出将变为低电平，此时振荡器使用将无效；复位端(12脚)R一旦变为低电平，计数器将开始计数，计时开始一个周期后，各分频输出端即有4分频到10分频，12分频到14分频等10种不同频率脉冲信号输出，只要利用不同的分频输出端即可得到不同周期的开关脉冲控制信号。本文利用14分频(3脚：Q14)信号作为本设计的开关脉冲控制信号，电位器P1调节主频率，14分频后将会得到30分钟到8个小时不等的开关脉冲控制信号，这是本设计的核心。14分频的信号频率为

其中f为主频率，故第3管脚的输出信号fQ14相对应别的分频输出频率最小，相对应周期最长。

1.3 光线亮度采样电路

当一个逻辑“0”出现在CD4060(IC1)的复位输入端R(12脚)时，时钟脉冲电路开始工作，计数器开始计数，这是通过光敏电阻R14与门电路N1及其阻容网络所完成的。

CD4077(IC2)为一个四2输入端异或非门，本设计使用的N1、N2、N3、N4门电路皆属于IC2，异或非门的逻辑就是：2个数进行异或非运算,相同为1,不同为0，恰好与异或门相反，下面不再赘述[2]。

当外界光线亮度足够时，光敏电阻阻值很小，电容C4通过电阻R8充电，门电路N1之1脚变为高电平，N1两输入端相同皆为高电平，输出高电平，CD4060(IC1)12脚高电平，计数器复位，各输出端皆为低电平“0”，振荡器使用无效。

当外界亮度下降时，光敏电阻阻值急剧增加，电容C4通过电阻R8、R10、P2放电，门电路N1之1脚反转为低电平，N1两输入端电平相异，输出低电平“0”(其出现的变化点可由P2调整而定)。

如果外界光线由于某种原因影响而亮度增加(比如晚上为了检修控制电路而拿手电筒照射)时，则在光线变强超过10～20 s后，计数器才会复位，时钟振荡器将会停止工作，否则计数器不会动作。这是由于门电路N1输入、输出端加入反馈滞回电阻R11引起的，该电阻的引入会延迟门电路N1的反转时间，不会由于偶尔的光线亮度变化而使系统马上关断照明供电。就是说手电筒只有连续照射控制系统20 s以上，系统才会关断照明供电，否则系统不会马上动作，避免了光线的偶尔变化会导致系统频繁动作的弊端。这是检修控制系统是否正常工作的窍门之一。

当一个逻辑“0”出现在IC1的复位输入端(R)时,时钟脉冲电路开始工作，计数器开始计数。

在正常情况下(指外界光线很暗时)，由于14分频(3脚：Q14)输出信号周期相应很长，故Q14连续长期输出低电平，门电路N2两个输入端电平相同，输出呈逻辑“1”， 4060连续计数计时。这时的晶体管Q1由门电路N4的输出控制。

1.4 交流电源过零检测电路

N3和N4一起组成一个简单而有效的交流电源过零检测器，其逻辑功能可以这样描述。

门电路N3的9脚接地，恒为低电平，8脚连接变压器T次级，但不经过整流，当输入的工频信号处于正半轴和负半轴，即非零输入时，门电路N3两输入电平相异，输出逻辑“0”电平；门电路N4之12脚低电平，13脚通过电容C2接地，C2没有充电，故13脚也为低电平，N4两输入电平相同，输出逻辑“1”电平，晶体管Q1基极高电平，上文已知此时的晶体管Q1发射级为高电平，故这时Q1截止，光电耦合器IC3的初级没有电流通过，光耦次级没有触发信号输出，双向可控硅Q2门极G没有开启电流、处于关闭状态，照明灯具熄灭。

门电路N3的8脚输入的工频电源信号从正半轴向负半轴(或相反)过零瞬间，N3两个输入电平相同，输出高电平；由于电容C2两端电压不能突变，电容C2下端接地，故过零瞬间N4的13脚仍为低电平[3]。

由于过零时间极短，N3输出的高电平不易保持，由R5和C2组成的积分电路作为N3的负载，其时间常数为R5*C2，R5可以延缓C2的充电时间，能保证N3在工频电源过零瞬间输出一个虽窄但有效的高电平，此刻N4两个输入电平相异，输出逻辑“0”电平，晶体管Q1导通，光耦IC3初级有电流，光耦次级有触发信号输出，双向可控硅门极G出现开启电流，双向可控硅导通，照明灯具点亮。

以上交流电源过零检测电路各测试点逻辑图如图2所示。

图2 交流电源过零检测电测试点逻辑图

总结一下，由N3和N4组成的交流电源过零检测器，导致N4的输出在每周的零交点处提供一个窄脉冲，由于正弦信号在一周内上升沿和下降沿各过零一次，故N4输出的窄脉冲频率为工频信号频率(50 Hz)的两倍(100 Hz)，周期为10 ms,波形如图2。

这个窄脉冲在N2输出为逻辑“1”时，晶体管Q1导通从而触发双向可控硅导通。也就是说，双向可控硅开关只在交流电源零点处导通——这是最理想的开关。照明灯LAMP也就是在此时被接通。

虽然在非过零时间可控硅没有触发信号，但仍保持导通状态，在工频交流信号电压为零、可能会导致可控硅关断的瞬间，恰好有一窄脉冲触发信号提供开门电流，这样可以保证可控硅在整个定时器工作周期期间导通，保持照明灯具点亮。

1.5 定时结束

当IC1第一个计数周期结束时，其14分频Q14输出端将跳变为逻辑“1”，这个高电平通过二极管D2使时钟振荡器停振，并使Q14输出端持续维持高电平。此时门电路N2的5脚呈逻辑“1”，而6脚呈逻辑“0”，N2的输出恢复到低电平从而使晶体管Q1截止，双向可控硅关断，小区照明熄灭。

图1电路中的二极管D2(IN4148)在本设计中不可或缺，如果没有该二极管的存在，计数器IC1将会不停地振荡下去，结果就是计数器第一个计数周期结束、导致小区照明熄灭后，只要天未亮，IC1将会继续第二个计数周期，小区照明又会再一次亮起，这不是我们所希望的。第一个计数周期结束Q14输出的高电平通过二极管D2可以使时钟振荡器停振，并使Q14输出端持续维持高电平，即小区照明保持熄灭状态[4]。

第二天天亮照明足够时，光敏电阻R14阻值再次变得很小，门电路N1输出高电平，计数器4060被复位，输出全部清零(包括Q14)，控制系统静静等待再一次黑夜的来临，以便再次开始一次新的计数定时，如此周而复始，循环不停。