智能化光控路灯电路分析

摘要：本设计采用光敏电阻作为光照强度传感器，声音作为路灯的触发信号。白天自然光强度较高时关灯，夜晚或者有人开灯，实现对路灯自动控制，节约了电能，有利于节能减排。本电路采用了555组成的延时电路，可以在光线不足人经过路灯下面之后，可以延迟30秒钟后自动熄灭，同时采用了两级放大电路对声音信号进行放大。主要的元件有光敏电阻、可控硅、话筒等元件。

关键字：声控；光控；路灯；控制电路

1 引言 目前，很多学校路灯控制系统多数采用定时设置或者采用人工去扳动闸刀开关控制路灯，不管是春季、夏季、秋季、冬季，还是阴雨天、晴天，到了晚上六点，路灯便开始工作，到了早上六点，路灯便停止工作。它们的利用率很低，这种路灯不仅浪费了资源，也消耗了人力资源[1]。我国目前还有大部分是利用煤炭来发电。煤炭发电存在许多的问题，第一由于煤炭的储存量是有限的，由于人类的大量开采，煤炭的存储量已经是越来越少，同时煤炭的大量使用，产生的大量的有毒，有害气体的导致的全球问题，也日益显著，所以我们十分有必要节约用电。路灯在我们日常生活中必不可少的，它为人们的生活提供了十分的便利。同时，路灯也是一个十分耗能的地方，像在农村或者校园一般午夜是很少有行人，但是路灯依然亮着，这就十分的浪费能源。由于缺乏科学有效的监控管理手段，在自然光亮度能够提供照明的时候，路灯依然亮着，也有在天黑的时候，路灯还是没有亮的情况往往发生，给人们的生活带来不便。智能化道路照明系统可以根据外界自然光的亮度来自动调节和控制路灯的开关时间。所以能过达到节能的目的。

随着电子技术的发展，以及人们生活水平的不断提高，人们对自己的生活和社会的能源也开始重视起来，生活的每个角落都离不开电，可见电在生活中的重要性。随着生活水

平的提高，电力的供需矛盾也是不断加强，这就意味着要消耗更多的煤炭、石油、天然气、等不可再生资源，还给社会带来了相应的环境污染问题，但是整个地球上的资源是有限的，所以我们要节能[2]。

所以我就设计一个节能的自动开关，此开关的主要功能是：白天路灯一直关闭，在晚上或者是光线不足够的情况下闻声而亮，此后开始延时，等到延时时间到了就自动熄灭，达到节能的目的。

2 用于光控电路的光敏元件

2.1光敏电阻及型号

光敏电阻器是利用半导体和光电效应制成的一种阻值随入射光的光强而变化的电阻器，光敏电阻的工作原理是基于内光电效应,光电效应是指物体吸收了能量后转化为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。由于物质的结构和性能不同，以及光和物质的作用条件不同，光电效应通常分为外光电效应和内光电效应[3]。在本设计中我们应该使用暗电流Id较小，光电流Ic较大的光敏三极管，在本设计中我采用的型号为3DU511的光敏三极管，其暗电流为小于0.5

uA,光电流大于

10 mA。

2.2光电效应简述

当某些金属或者是半导体表面受到光照时，若入射光子的能量足够大，则它与物质中的电子相互作用，致使电子逸出物质的表面，这种现象称为外光电效应，当光子与材料中的电子相互作用时，电子获得光子的全部能量hv，若电子获得光子的全部能量hv，若电子获得光子的全部能量hv大于电子的溢出功，则电子可以逸出材料的表面，光子的动能

1

为

1mv2hv 2 （1）

式中：m为电子的质量；v为电子从物质逸出的速度。

该式即爱因斯坦光电效应方程。当hv=是，v=0，存在一个的频率大于

vc=

h，只有当入射光

vc时，才能导致光电效应的发生。

当导体材料受到光照时，由于光子的吸收引起载流子的浓度的变化而导致材料的导电率变化，具体可以描述为当半导体材料受到光照时，材料中处于价带的电子吸收光子的能量，如果光子的能量hv大于半导体材料的禁止带宽

Eg，则价电子的获得的能量跃迁到导

带，使导带内的电子和价带内的空穴增多，产生电子空穴对，导致它的导电性能发生变化，产生光电效应。

hc1.239

hv00Eg(nm) （2）

式中0表示波长，v表示入射光的频率，c表示光速，

Eg一种光导体，存在一个入射

光的波长极限0c，只有在波长小于0c的入射光照射在光导体上，才会有光电效应的发生，即发生电子在能级间的跃迁，从而使光敏电阻的电阻减小，光敏电阻的导电率增加[4]。

根据以上原理光敏电阻是采用半导体材料制作，利用内光电效应工作的光电元件。它在光照的作用下其阻值往往变小，光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的照

2

射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子—空穴对，参与导电，使电路中电流增强。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极常采用梳状图案，它是在一定的掩膜下向光电导薄膜上镀金或铟等金属形成的。光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等组成。

2.3 光敏三极管的两个参数：暗电阻和亮电阻

光敏电阻在室温和全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，或暗阻。光敏电阻在明亮条件下的稳定电阻成为亮电阻，或称为亮阻。本电路中光敏电阻暗阻大于等于100K。亮阻小于等于200[5]。

2.4使用光敏电阻的优点：

光谱响应相当宽，通过采用不同的光导材料，可以将光敏电阻的灵敏区域调整到短波的紫外光区和可见光区，同时也可以调整到长波的红外区和远红外去。光敏电阻主要用于对光的检测，对很弱的光也可以进行检测，而且灵敏度高，工作电流大，可达数毫安。没有正、负极之分，因此使用和安装都很方便，而且成本低。光敏电阻除了有上述特点之外还有下列优点：可靠性好，体积小，灵敏度高，反应速度快，允许的光电流大，结构简单而且牢靠，工作寿命长。

2.5光敏电阻的制作工艺

在外部黑暗的条件下，光敏电阻的阻值很大，当外部环境的光照强度增强并且光辐射的能量足够大的时候，光导材料中的电子受到能量大于其禁止能量，从而使光子受到激发而发生跃迁，从而使导带的电子数目增加，价带的空穴数目增大，电阻率减小，电路导通。

3

入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到波长的光线照射时，电流就会随光强的而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少，在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在透明壳里就构成光敏电阻，为了增加其灵敏度，两电极常做成梳状。为了有利于更好的吸收光能，光敏电阻一般多做成为薄片结构。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。光敏电阻具有体积小，灵敏度高，重量轻，稳定性强反应速度快，光谱特性强等特点之外，在高温、湿度大等恶劣环境中还可以保持其高度的稳定性和可靠性。光敏电阻虽然工作机理比较复杂，但是结构却是十分简单，只是在一块均匀的光导体两端接上电极即可。

3 用于光控电路的晶闸管

晶闸管是简单讲是一种可以控制的二极管，它分为阳极（A），阴极（K），控制极（G），它的阳极（A）和阴极（K）与电源和负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极G和阴极K与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路，

图1 晶闸管

4

Fig 1 Thyristor

在晶闸管的A和K两端加上一个反向电压时，无论门极G处在何种电位状态，晶闸管都处在截止状态。在晶闸管的A和K两端加上一个正向电压时，在门极G处在高电位是晶闸管触发，使晶闸管导通。在晶闸管处在导通的状态下，此时无论门极G处在何种电位状态，即高电位或者是低点位，晶闸管都处在导通在，即门极G只是一个触发作用。

4 定时电路及原理（针对NE555）

定时器主要由三个5k的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电BJT T以及缓冲器G组成[6]。

(a)

(b)

图2 555定时器引脚图和内部结构

5

Fig 2 555 timer pin diagram and the internal structure

定时器的主要功能取决于比较器，比较器的输出控制RS触发器和放电BJT T的状态。图中RD为复位输入端，当RD为低电平的时候，不管其他的输入端的状态如何，输出的vo为低电平，因此在正常工作的时候，应将其接高电平。由图2可以知道，当5脚不接的时候，比较器C1和C2的比较电压分别为、

2Vcc3和

1Vcc 3。当

vI1>

2Vcc3时，

vI2>

1Vcc 3,比较器C1输

出低电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器被置0，放电三极管T导通，输出端vo为高电平。当

vI1<

2Vcc3时，

vI2<

1Vcc 3,比较器C1输出高电平，比较器C2输出低电平，基本

vovI1RS触发器被置1，放电三极管T截止，输出端为高电平。当<

2Vcc3 时，

vI2>

1Vcc 3,基本

RS触发器被置R=1、S=1，触发器的状态不变，路也保持原状态不变[7]。

将2脚作为触发信号的输入端，再将高触发端TH和放电管输出端D接在一起，并与定时元件R和C连接，则可以构成一个单稳态触发器，具体的延时过程为，输入一个低电平信号时候触发器发生翻转，从555触发器的功能表可以看出，输出端3为高电平，电路进入暂稳态，此时放电管VT截止，Vcc通过R对C充电，当低电平，电路自动回到稳态。

2VccTH3时，输出端跳变为

5 路灯光控电路的分析

5.1电路图

光控路灯电路图如图3所示

6

图3整体电路图

Fig 3 whole circuit

5.2光控电路工作原理分析

交流220V电压通过桥式整流滤波电路的整流、滤波，稳压二极管D4稳压之后得到的+9V的直流脉动电压，为整个电路提供稳定的电源，这个+9V的电压既为555定时器提供工作电压，也为晶闸管提供正向偏压[8]。

白天亮度达到一定程度的是时候，光敏三极管U3处在低电阻状态，其阻值很小，使三极管Q4处在饱和状态，它的集电极和发射极短路，此555定时器的4脚为低电平，定时器此时将处于强制复位状态，也就是说无论其他的脚的电位如何，555都不会发生翻转，输出端3脚为低电平时单向可控硅因为没已有触发电流处于截止状态，此时整个电路处在关闭状态，此时的声控也不起作用。

夜晚亮度小于一定范围的时候，光敏电阻U3处在高电阻状态，他的阻值达大于100k，是三极管Q4处在截止状态，它的集电极和发射极断路，此时的定时器的4脚为

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高电平，所以整个电路处在正常的工作状态。当微弱的声音信号通过放大转化为放大的电信号的时候，电信号通三极管Q2的集电极输出一个低电平信号，这个低电平信号触发定时器的2脚，从而使555翻转置位，此时3脚输出的高电平使可控硅触发导通，灯泡点亮，灯泡持续亮的时间为30秒钟，这个时间是由单稳态电路的时间常数决定，过了30秒钟后灯泡将熄灭，等待下一下次信号的输入。

小结：在白天或者亮度足够的情况下，无论有没有声音信号的输入，路灯始终是关闭,在黑夜或者是亮度不够的情况下，且在有声音信号输入的时候，路灯才点亮，并且持续约三十秒钟后路灯自动熄灭。

电源部分采用桥式整流滤波电路，电源电路如图4。

图4电源电路

Fig 4 power supply circuit

市电为220V的交流电，所以进行降压，但是降压后的电压不够稳定，为了使电路能够稳定的工作，需进行整流、滤波、以及稳压。220V的交流电压既为灯泡提供正常的工作电压，通过电阻降压为整个电路提供稳定的工作电压，二极管桥D3和有R10、C7并联组成的部分并在交流电压上，起到了降压和整流及滤波的作用。经过C2的滤波，再经过稳

8

压管D4的稳压之后，给控制电路提供稳定的直流+9V的电压。

5.3光声信号放大电路

当有人通过路灯下时的声音信号很微弱，为了提高整个控制电路的灵敏度，必须对拾音器收集到的声音信号进行放大，信号放大采用两级放大电路，主要由两个三级管组成[9]。其电路图如图5所示。

图5信号放大电路

Fig 5 signal amplifier

当环境噪声作用在U2话筒上时，其将声音信号转化成电压，电压通过电容器C1耦合至三极管Q1和Q3进行直接耦合电压放大。电压从Q3的集电极出来经过C4耦合，二极管D1导通流向Q2基极。此时Q2处于工作的饱和导通，集电极输出低电平触发后面的单稳态电路[10]。

5.4延时控制电路设计

例如我们校园一般在晚上十点以后就很少有人在校园里面行走，同时无人通过的时候，

9

路灯也亮着，浪费电能，所以我设计一种在晚上没有人通过的时候，路灯依然是熄灭的，在有人通过路灯下面时路灯自动亮起来，之后路灯自动熄灭，这种功能可用延时电路来控制路灯的点亮的持续时间。

由555和R8、C1、三极管Q1等组成的单稳态延时控制电路如图6。光敏电阻对不同的光照呈现不同的阻值，所以对4脚产生高低电平，使555处于待触发状态，或者是处在复位位置。

图6延时电路

Fig 6 dely circuit

在白天的时候，阳光充足，光敏电阻U3处于低电阻状态，三极管Q4的基极电流大于集电极的电流，工作状态处于饱和导通状态，相当于集电极和发射极处于短路的状态。555的4脚处于低电平从而使555处在复位状态，此时无论2脚的电位有多高，555都不会发生翻转，无论2脚的输入电位为多少，都不会引起输出脚3电压的变化，所以可控硅不会触发导通，所以此时灯泡仍然处于熄灭的状态。

在夜晚或者光线不够充足的情况下。此时的光敏电阻U3处于高电阻并且电阻阻值大于100k，三极管Q4基极电流为零，从而工作在截止状态，相当于集电极和和发射极处

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在断路状态，即使555的4脚处在高电位，所以555处在单稳态触发状态[11]。此时如果有声音信号的输入，经过拾音和放大之后，正极信号使三极管Q2饱和导通，下降信号加到555的2号脚上使555翻转置位，导致脚3输出的是高电平，经过R9限流后触发可控硅D5并导通，电灯亮。路灯点亮的持续时间为单稳态电路的高电平持续时间，它由单稳态电路的时间常数决定即：

twR6C5ln31.1R6C5 （3）

式中

tw为输出脉冲宽度，即路灯点亮的持续时间。经过计算，电路中灯泡持续亮的时

间为30秒。

6 总结

将该电路对比非智能的路灯开关系统，该智能光控系统有以下几大有优点。智能化光控系统不需要人的控制能够根据外部环境的改变自动控制路灯的开关。智能化光控路灯点亮一次的持续时间只有三十秒钟，不像非智能路灯那样打开以后那样持续很长的时间亮着，节省了大量的电能。智能化光控路灯由于大量的缩短了灯泡的工作时间，延长的灯泡的使用寿命，很大程度上减少了维修量，节省了路灯维护资金。

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A circuit for intelligence controlling road lamp

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Abstract: This circuit use light sensitive resistance as sensor, it can response enviro-

nmental light intensity and the circuit can control road lamp intelligently. Because it can automatically turn the road lamp on and off, thus can save electric energy notably. This circuit uses a delay circuit composed of 555, people in low light after street below, you can automatically turn off after a delay of 30 seconds, while using the two amplifier circuit amplifies the sound signal. The main components are photosensitive resistance, SCR, microphones and other components.

keyword: sound control；light control；road lamp；automatic control

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