住宅小區路燈線路光時控制器設計
李昇源（學號：1203110****）
廣東工業大學華立學院11級電氣*班
摘要：根據城鎮住宅小區路燈照明的特點，設計了一種新穎的路燈線路光時控制器。光控電路由cmos同相緩衝器組成的施密特觸發器以及光敏電阻等元件組成，時控電路採用cmos同相緩衝器組成的電容充電式延時電路。
介紹了其電路組成，工作原理，引數設計，並通過電路**證明了其可行性。電路簡單，成本低，使用方便，實際使用效果良好，在工廠、機關、學校、住宅小區和樓宇通道等場所的路燈線路控制中均有很好的實用價值。
關鍵詞：路燈線路；光時控制；住宅小區；cmos緩衝器
1 引言
科學合理地控制路燈的開燈和關燈時間是路燈照明線路節省電能的有效途徑之一[1-2]。目前，路燈線路控制器產品型號繁多，歸納起來可分為光控型、時控型和光時雙控型三種型別[2-6]。光控型不能實現午夜行人少時的關燈功能，時控型不能實現陰雨天提前開燈和晴天推遲開燈功能[3-4]。
住宅小區的路燈一般要求傍晚開燈，午夜關燈（或部分關燈），因此，光時雙控是住宅小區路燈線路控制的最佳選擇[2-7]。目前的路燈線路控制器產品大都採用微處理器、可程式設計控制器或微控制器組成[5-8]。這類路燈線路控制器的特點是功能比較全面，缺點是成本較高，設定較麻煩。
為此，筆者根據住宅小區路燈照明線路的特點，採用cmos緩衝器為基本元件，設計了一種新穎的路燈照明線路光時控制器。
2 電路組成
2.1 組成框圖
組成框圖如圖1所示。由直流穩壓電源、光控電路、時控電路和驅動電路4部分組成。當開關與位置1接通時，只有傍晚開燈、天亮關燈的光控功能；當開關與位置2接通時，則有傍晚開燈、午夜關燈的光時雙控功能。
圖1 組成框圖
2.2 組成電路
組成電路如圖2所示。直流穩壓電源採用單相全波整流、電容濾波和穩壓管穩壓電路組成。光控電路由電阻r2和光敏電阻r3組成的分壓電路以及由cmos同相緩衝器g1和電阻r4、r5組成的施密特觸發器組成，利用施密特觸發器的滯回特性，可有效提高光控電路的抗干擾能力[8]。
電阻r6～r8、電容c3、cmos同相緩衝器g2和二極體d3組成時控電路，延時時間分三檔，由開關s1切換[9]。電阻r9、電晶體t、幹簧繼電器rr（內設續流二極體）和開關s2組成驅動電路。
圖2 組成電路
3 工作原理
3.1 光控原理
圖2的開關s2撥到位置1時，即可實現光控功能。白天光線強時，光敏電阻r3呈低阻，a電點位低於施密特觸發器的正向閾值電壓，b點為低電平，電晶體t截至，幹簧繼電器rr不動作；傍晚光線弱時，光敏電阻r3呈高阻，a點電位公升高，當a點電位高於施密特觸發器的正向閾值電壓時，b點電位翻轉為高電平，電晶體t導通，幹簧繼電器rr動作，使幹簧繼電器rr的觸頭驅動執行元件（交流接觸器或其它控制電器）給路燈線路送電；次日清晨光線再次變強而使a電點位低於施密特觸發器的負向閾值電壓時，b點翻轉為低電平，電晶體t截至，幹簧繼電器rr返回，使執行元件返回，切斷路燈線路電源。電容c2用於吸收瞬時亮光的干擾。
3.2 光時雙控原理
圖2的開關s2撥到位置2時，即可實現光時雙控功能。白天光線強時，光敏電阻r3呈低阻，a電點位低於施密特觸發器的正向閾值電壓，b、c、d點均為低電平，電晶體t截至，幹簧繼電器rr不動作；傍晚光線弱時，光敏電阻r3呈高阻，當a點電位高於施密特觸發器的正向閾值電壓時，開始b、c、d點均為高電平，幹簧繼電器rr動作，使幹簧繼電器rr的觸頭驅動執行元件給路燈線路送電；此時，電容c3開始充電，使c點電位vc下降，午夜vc下降到cmos緩衝器的閾值電壓時，d點翻轉為低電平，電晶體t截至，幹簧繼電器rr返回，使執行元件返回，切斷路燈線路電源；次日清晨光線再次變強而使a電點位低於施密特觸發器的負向閾值電壓時，b點翻轉為低電平，電容c3通過二極體d3迅速放電，為次日傍晚路燈線路再次送電做好準備。
4 引數設計
大多數引數可參照有關電子技術教材進行。以下僅討論幾個主要引數的設計。
4.1 r4和r5阻值的確定
r4和r5阻值的比值關係到施密特觸發器的閾值電壓，即[8]1）2
式中：vt+為施密特觸發器的正向閾值電壓；vt-為施密特觸發器的負向閾值電壓；vth為cmos緩衝器的閾值電壓（vth=0.5vdd）。
vt+在vth～vdd範圍內取值，r4一般可在幾兆歐的範圍內取值。將vt+、vth和r4的阻值代入式（1），即可求得r5的阻值。再將vth和r4、r5的阻值代入式（2），即可求得vt-。
4.2 r2和r3阻值的確定
為了不給施密特觸發器的閾值電壓產生太大的影響，r3宜選擇亮阻和暗阻均較小的光敏電阻。通常，要求傍晚光照度低到10lux開始開燈，由此可匯出r2的阻值的計算式：
3式中：r3（10lux）為照度為10lux時光敏電阻r3的阻值。
4.3 c3容量和r6～r8阻值的確定
c3的容量和r6（或r7、r8）的阻值確定延時電路的延時時間。根據rc電路的暫態分析，c3充電時，圖2中c點電位隨時間的變化規律為[10]
4）式中：voh為cmos同相緩衝器高電平輸出時的輸出電壓；rx為r6～r8某一電阻的阻值。由於r6～r8的阻值較大，故voh≈vdd，代入式（4）得
5上式中，令vc1= vth=0.5vdd，所求得的時間t，即為延時電路的延時時間t，即
6由於傍晚路燈開燈後，經5～7小時即進入午夜關燈時間，因此，可將三檔延時時間t1、t2和t3分別設計為5h（18000s）、6h（21600s）和7h（25200s），供使用者根據具體情況進行選擇。設計時，可先確定c3的容量（一般可在幾千微法的範圍內選擇），然後將t1、t2和t3的取值分別代入式（6），所求得的rx的阻值則分別為所需的r6、r7和r8的阻值。
5 電路**
按照上述方法，採用multisim軟體設計了乙個路燈光時控制器電路，並進行了**分析。**電路主要技術指標的理論值如表1所示。
表1 **電路主要技術指標的理論值
圖3（a）和圖3（b）為光電轉換電路中施密特觸發器a點電位分別為
和時的**波形。從圖3可以看出，**波形與表1的理論值完全一致。即當va上公升時，vb正好在va上公升到 vt+（3v）時由低電平翻轉為高電平，當va下降時，vb也正好在va下降vt-（2v）時由高電平翻轉為低電平，且vb狀態的改變與va隨時間變化的快慢無關。
圖3 施密特觸發器**波形
圖4（a）、圖4（b）和圖4（c）為在圖1中a點加高電平延時電路延時時間理論值分別切換到t1（18000s）、t2（21600s）和t3（25200s）時的**波形。從圖4可以看出，各延時時間與表1的理論值完全相同，且d點正好在vc=0.5vdd（即cmos緩衝器閾值電壓處）由高電平翻轉為低電平。
圖4 延時電路**波形
6 應用
圖5為一種採用交流接觸器km作為執行元件的應用電路。圖中刀閘開關q用安裝維護時隔離電源，熔斷器fu用於短路保護。圖中rr為控制器中乾簧繼電器的動合觸頭，以控制交流接觸器線圈的通電何斷電，進而控制交流接觸器的主觸頭的通斷，實現對路燈照明線路的控制。
安裝時應特別注意的是，應將光敏電阻置於燈光不能直接照射到的能避雨雪的自然光環境中。
圖5 基本應用電路
該控制器已在某住宅小區得以實際應用。該小區原來採用的是不帶光控功能，根據經緯度不同自動調整送電和停電時間的微處理器型控制器，因此，不能根據天氣情況（晴天、陰天或雨天）調整路燈線路的送電和停電時間。改用上述光時控制器後，不僅能根據天氣情況自動調整路燈線路的送電和停電時間，而且能季節的不同自動調整路燈線路的送電和停電時間。
在該小區中，採用兩路圖5所示的應用電路，一路用作光控，另一路用作光時雙控，使午夜後大部分路燈熄滅，僅報保留小區大門附近和主幹道少數路燈到天亮關燈。經多年使用結果表明，效果良好，並使該小區的室外路燈照明年度用電量比原來節省近30%。
7 結語
該路燈線路光時控制器雖是為城鎮住宅小區專門設計的，但它不僅可用於控制住宅小區的路燈線路，對於控制工廠、機關、學校和樓宇通道等場所的路燈線路也有很好的實用價值。它具有以下主要特點。
（1）結構簡單，成本低。其成本為採用微處理器、可程式設計控制器或微控制器組成的路燈線路控制器的幾十分之一。
（2）使用方便。無須進行複雜的設定或除錯。
（3）可根據天氣情況和季節的不同自動調整路燈線路的送電和停電時間。
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