基于光敏及定時(shí)的小區(qū)照明控制系統(tǒng)

崔建國，寧永香

(山西工程技術(shù)學(xué)院，山西 陽泉 045000)

0 引言

小區(qū)或廠區(qū)的照明系統(tǒng)一般由專人負(fù)責(zé)定時(shí)開啟或關(guān)閉，這種運(yùn)行模式會(huì)有很多弊端，比如由于責(zé)任人的不盡責(zé)，導(dǎo)致該開啟路燈的時(shí)候，小區(qū)卻一片漆黑；或者遺忘關(guān)閉路燈的時(shí)間，讓路燈整夜亮著。這種管理模式不但會(huì)造成國家資源的浪費(fèi)，更造成小區(qū)居民的生活不便、對居民的生命安全造成威脅。

可以設(shè)計(jì)一個(gè)小區(qū)路燈照明控制系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)在外界光照達(dá)到預(yù)調(diào)的黑暗度時(shí)可觸發(fā)導(dǎo)通照明燈具，并保持該狀態(tài)在30分鐘到10個(gè)小時(shí)內(nèi)連續(xù)可調(diào)。該設(shè)計(jì)的基本思想是盡量使電氣的電源消耗減至最小。此控制系統(tǒng)主要用來控制小區(qū)或廠區(qū)的路燈照明系統(tǒng)，但事實(shí)上它具有一定的通用性，比如作為“家里有人”防賊系統(tǒng)，防賊系統(tǒng)在控制照明的前提下如果加以聲音(比如收音機(jī))控制，效果會(huì)更好，這很容易實(shí)現(xiàn)。

實(shí)際上，該設(shè)計(jì)可以用于基于外界光線的亮度變化的任何長短時(shí)間的開關(guān)應(yīng)用。

1 小區(qū)照明控制系統(tǒng)電氣原理

電氣原理如圖1所示，電路盡管簡單，效果卻令人滿意。包含強(qiáng)弱電光隔離電路、直流供電、光線采樣電路、計(jì)數(shù)/定時(shí)電路、電源過零檢測電路、觸發(fā)電路、以及由可控硅組成的固態(tài)繼電器等七部分組成，下面詳細(xì)介紹。

圖1 小區(qū)照明控制系統(tǒng)電氣原理圖

1.1 強(qiáng)弱電隔離

強(qiáng)弱電隔離電路分前級隔離以及后級隔離，前級由降壓變壓器實(shí)現(xiàn)，后級由光電耦合器實(shí)現(xiàn)，強(qiáng)弱電分開不但可以防止電磁感應(yīng)相互干擾，更可以充分保證人體的安全，對于后期檢修極有益處。

1.2 振蕩定時(shí)電路

本設(shè)計(jì)核心電路以一只14級串行二進(jìn)制計(jì)數(shù)器集成電路CD4060(IC1)為基礎(chǔ)， CD4060具有10個(gè)計(jì)數(shù)輸出端。其內(nèi)置了時(shí)鐘振蕩電路，振蕩器外接RC元件或石英晶體就可以形成可控多諧振蕩，振蕩器已在內(nèi)部連接到計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入端[1]。

在圖1中，此時(shí)鐘脈沖振蕩器在整個(gè)電路中起重要作用，振蕩器的振蕩頻率由電容C3、電阻R6、電位器P1決定，其中P1作為調(diào)節(jié)主頻率之用，通過調(diào)節(jié)主頻率的大小，4060的10個(gè)分頻信號輸出端皆可輸出不同頻率的脈沖控制信號,合理利用各種頻率的組合，可以得到許多很有趣的電子開關(guān)應(yīng)用。

主振蕩頻率可以這樣計(jì)算：

式中:單位f為赫茲，R為歐姆，C為法拉。

4060的復(fù)位端(12腳)R前接傳感器電路，由于環(huán)境的變化，傳感器輸出反轉(zhuǎn)。比如該腳一旦變?yōu)楦唠娖?，?jì)數(shù)器將被清零或復(fù)位，這時(shí)4060計(jì)數(shù)器的所有輸出端都將被清零，包括本設(shè)計(jì)將要使用的Q14(3腳)輸出將變?yōu)榈碗娖?，此時(shí)振蕩器使用將無效；復(fù)位端(12腳)R一旦變?yōu)榈碗娖?，?jì)數(shù)器將開始計(jì)數(shù)，計(jì)時(shí)開始一個(gè)周期后，各分頻輸出端即有4分頻到10分頻，12分頻到14分頻等10種不同頻率脈沖信號輸出，只要利用不同的分頻輸出端即可得到不同周期的開關(guān)脈沖控制信號。本文利用14分頻(3腳：Q14)信號作為本設(shè)計(jì)的開關(guān)脈沖控制信號，電位器P1調(diào)節(jié)主頻率，14分頻后將會(huì)得到30分鐘到8個(gè)小時(shí)不等的開關(guān)脈沖控制信號，這是本設(shè)計(jì)的核心。14分頻的信號頻率為

其中f為主頻率，故第3管腳的輸出信號fQ14相對應(yīng)別的分頻輸出頻率最小，相對應(yīng)周期最長。

1.3 光線亮度采樣電路

當(dāng)一個(gè)邏輯“0”出現(xiàn)在CD4060(IC1)的復(fù)位輸入端R(12腳)時(shí)，時(shí)鐘脈沖電路開始工作，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，這是通過光敏電阻R14與門電路N1及其阻容網(wǎng)絡(luò)所完成的。

CD4077(IC2)為一個(gè)四2輸入端異或非門，本設(shè)計(jì)使用的N1、N2、N3、N4門電路皆屬于IC2，異或非門的邏輯就是：2個(gè)數(shù)進(jìn)行異或非運(yùn)算,相同為1,不同為0，恰好與異或門相反，下面不再贅述[2]。

當(dāng)外界光線亮度足夠時(shí)，光敏電阻阻值很小，電容C4通過電阻R8充電，門電路N1之1腳變?yōu)楦唠娖?，N1兩輸入端相同皆為高電平，輸出高電平，CD4060(IC1)12腳高電平，計(jì)數(shù)器復(fù)位，各輸出端皆為低電平“0”，振蕩器使用無效。

當(dāng)外界亮度下降時(shí)，光敏電阻阻值急劇增加，電容C4通過電阻R8、R10、P2放電，門電路N1之1腳反轉(zhuǎn)為低電平，N1兩輸入端電平相異，輸出低電平“0”(其出現(xiàn)的變化點(diǎn)可由P2調(diào)整而定)。

如果外界光線由于某種原因影響而亮度增加(比如晚上為了檢修控制電路而拿手電筒照射)時(shí)，則在光線變強(qiáng)超過10～20 s后，計(jì)數(shù)器才會(huì)復(fù)位，時(shí)鐘振蕩器將會(huì)停止工作，否則計(jì)數(shù)器不會(huì)動(dòng)作。這是由于門電路N1輸入、輸出端加入反饋滯回電阻R11引起的，該電阻的引入會(huì)延遲門電路N1的反轉(zhuǎn)時(shí)間，不會(huì)由于偶爾的光線亮度變化而使系統(tǒng)馬上關(guān)斷照明供電。就是說手電筒只有連續(xù)照射控制系統(tǒng)20 s以上，系統(tǒng)才會(huì)關(guān)斷照明供電，否則系統(tǒng)不會(huì)馬上動(dòng)作，避免了光線的偶爾變化會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)頻繁動(dòng)作的弊端。這是檢修控制系統(tǒng)是否正常工作的竅門之一。

當(dāng)一個(gè)邏輯“0”出現(xiàn)在IC1的復(fù)位輸入端(R)時(shí),時(shí)鐘脈沖電路開始工作，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。

在正常情況下(指外界光線很暗時(shí))，由于14分頻(3腳：Q14)輸出信號周期相應(yīng)很長，故Q14連續(xù)長期輸出低電平，門電路N2兩個(gè)輸入端電平相同，輸出呈邏輯“1”， 4060連續(xù)計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)。這時(shí)的晶體管Q1由門電路N4的輸出控制。

1.4 交流電源過零檢測電路

N3和N4一起組成一個(gè)簡單而有效的交流電源過零檢測器，其邏輯功能可以這樣描述。

門電路N3的9腳接地，恒為低電平，8腳連接變壓器T次級，但不經(jīng)過整流，當(dāng)輸入的工頻信號處于正半軸和負(fù)半軸，即非零輸入時(shí)，門電路N3兩輸入電平相異，輸出邏輯“0”電平；門電路N4之12腳低電平，13腳通過電容C2接地，C2沒有充電，故13腳也為低電平，N4兩輸入電平相同，輸出邏輯“1”電平，晶體管Q1基極高電平，上文已知此時(shí)的晶體管Q1發(fā)射級為高電平，故這時(shí)Q1截止，光電耦合器IC3的初級沒有電流通過，光耦次級沒有觸發(fā)信號輸出，雙向可控硅Q2門極G沒有開啟電流、處于關(guān)閉狀態(tài)，照明燈具熄滅。

門電路N3的8腳輸入的工頻電源信號從正半軸向負(fù)半軸(或相反)過零瞬間，N3兩個(gè)輸入電平相同，輸出高電平；由于電容C2兩端電壓不能突變，電容C2下端接地，故過零瞬間N4的13腳仍為低電平[3]。

由于過零時(shí)間極短，N3輸出的高電平不易保持，由R5和C2組成的積分電路作為N3的負(fù)載，其時(shí)間常數(shù)為R5*C2，R5可以延緩C2的充電時(shí)間，能保證N3在工頻電源過零瞬間輸出一個(gè)雖窄但有效的高電平，此刻N(yùn)4兩個(gè)輸入電平相異，輸出邏輯“0”電平，晶體管Q1導(dǎo)通，光耦I(lǐng)C3初級有電流，光耦次級有觸發(fā)信號輸出，雙向可控硅門極G出現(xiàn)開啟電流，雙向可控硅導(dǎo)通，照明燈具點(diǎn)亮。

以上交流電源過零檢測電路各測試點(diǎn)邏輯圖如圖2所示。

圖2 交流電源過零檢測電測試點(diǎn)邏輯圖

總結(jié)一下，由N3和N4組成的交流電源過零檢測器，導(dǎo)致N4的輸出在每周的零交點(diǎn)處提供一個(gè)窄脈沖，由于正弦信號在一周內(nèi)上升沿和下降沿各過零一次，故N4輸出的窄脈沖頻率為工頻信號頻率(50 Hz)的兩倍(100 Hz)，周期為10 ms,波形如圖2。

這個(gè)窄脈沖在N2輸出為邏輯“1”時(shí)，晶體管Q1導(dǎo)通從而觸發(fā)雙向可控硅導(dǎo)通。也就是說，雙向可控硅開關(guān)只在交流電源零點(diǎn)處導(dǎo)通——這是最理想的開關(guān)。照明燈LAMP也就是在此時(shí)被接通。

雖然在非過零時(shí)間可控硅沒有觸發(fā)信號，但仍保持導(dǎo)通狀態(tài)，在工頻交流信號電壓為零、可能會(huì)導(dǎo)致可控硅關(guān)斷的瞬間，恰好有一窄脈沖觸發(fā)信號提供開門電流，這樣可以保證可控硅在整個(gè)定時(shí)器工作周期期間導(dǎo)通，保持照明燈具點(diǎn)亮。

1.5 定時(shí)結(jié)束

當(dāng)IC1第一個(gè)計(jì)數(shù)周期結(jié)束時(shí)，其14分頻Q14輸出端將跳變?yōu)檫壿嫛?”，這個(gè)高電平通過二極管D2使時(shí)鐘振蕩器停振，并使Q14輸出端持續(xù)維持高電平。此時(shí)門電路N2的5腳呈邏輯“1”，而6腳呈邏輯“0”，N2的輸出恢復(fù)到低電平從而使晶體管Q1截止，雙向可控硅關(guān)斷，小區(qū)照明熄滅。

圖1電路中的二極管D2(IN4148)在本設(shè)計(jì)中不可或缺，如果沒有該二極管的存在，計(jì)數(shù)器IC1將會(huì)不停地振蕩下去，結(jié)果就是計(jì)數(shù)器第一個(gè)計(jì)數(shù)周期結(jié)束、導(dǎo)致小區(qū)照明熄滅后，只要天未亮，IC1將會(huì)繼續(xù)第二個(gè)計(jì)數(shù)周期，小區(qū)照明又會(huì)再一次亮起，這不是我們所希望的。第一個(gè)計(jì)數(shù)周期結(jié)束Q14輸出的高電平通過二極管D2可以使時(shí)鐘振蕩器停振，并使Q14輸出端持續(xù)維持高電平，即小區(qū)照明保持熄滅狀態(tài)[4]。

第二天天亮照明足夠時(shí)，光敏電阻R14阻值再次變得很小，門電路N1輸出高電平，計(jì)數(shù)器4060被復(fù)位，輸出全部清零(包括Q14)，控制系統(tǒng)靜靜等待再一次黑夜的來臨，以便再次開始一次新的計(jì)數(shù)定時(shí)，如此周而復(fù)始，循環(huán)不停。

2 結(jié)語

本設(shè)計(jì)也可以不用由N3和N4組成的過零檢測器來控制可控硅的導(dǎo)通，而直接使用帶過零檢測的光電耦合器來直接觸發(fā)雙向可控硅，后者是一種很成熟的過零控制技術(shù)；但如果采用不帶過零檢測的光耦觸發(fā)可控硅的話，就無法實(shí)現(xiàn)過零觸發(fā)，這時(shí)若采用由N3和N4組成的過零檢測器，仍然可以實(shí)現(xiàn)過零觸發(fā)。

故使用本文設(shè)計(jì)的“過零檢測器”也是一種比較高效、使用較廣泛的過零觸發(fā)技術(shù)，效果很是不錯(cuò)。