TOP3 智能照明控制環境光測量與計時電路
戶外照明通常是由人工操作機械開關控制照明系統的打開或關閉。為了節省能源,您可能不希望整個晚上都在某個區域開啟照明系統,這種情況下,如果能夠精確地控制照明系統,在必要的時候自動打開或關閉照明系統,將會帶來更多的便利條件。利用控制器可以檢測環境光強,天黑時打開照明燈并保持一定的時間間隔,然后在指定時間自動關閉照明燈。早上,則對該過程進行反向操作。如果預定時間內環境光強仍低于預設的照明門限,系統將打開照明燈。環境光足夠亮時,系統將關閉照明燈。利用環境光傳感器(ALS)檢測、測量環境光強,據此設計智能化照明控制器并不困難。由于控制器配備實時時鐘(RTC),還可在規定的時間打開或關閉照明系統。本文介紹的管理系統可用于市電照明系統。
集成系統組件
本設計中的照明控制器利用ALS測量環境光亮度,目前市場上有兩種不同的ALS:一種輸出與環境光亮度成比例的模擬電壓,另一種提供數字輸出。本系統采用數字輸出ALS。控制器需要知道準確的時間,所以采用實時時鐘(RTC)。考慮到可能發生斷電,所以時間信息需要備份電池。通過用戶界面設置時間和其它參數。這里的用戶界面包括兩個7段LED顯示器和一個按鈕。短按按鈕時,系統顯示時間和其它參數;長按按鈕時,可調整時間和參數。系統具有自動/手動開關,以使能手動控制照明燈。系統由市電供電,照明系統通過一個繼電器接通/斷開電源。系統的數字信號與市電采用電氣隔離。
人工操作模式下,自動/手動開關必須切換至手動位置。手動模式下,繼電器保持導通,照明系統由標準的墻上控制開關打開/關閉。手動/自動開關處于自動模式時,墻上控制開關必須打開,以確保控制器正常工作。如果墻上開關未打開,控制器將無法控制照明。照明系統可能包含多盞照明燈。
圖3 系統原理圖
憑借現代化半導體技術,系統可按照預設方式測量環境光亮度并控制照明系統的開啟/關閉。本文介紹了如何設計可基于環境光和時間信息實現智能化照明管理的控制器方案,該系統理想用于市電照明系統。
采用NE555定時器環境濕度測試儀系統電路
濕度頻率轉換電路采用NE555定時器,成本低,性能可靠,只需要外接幾個電阻、電容,就可以實現多諧振蕩器、單穩態觸發器及施密特觸發器等脈沖產生與變換電路。本電路其與濕敏電容HS1100和電阻等構成多諧振蕩器,通過恰當設置電路中的電阻值,輸出方波,實現濕度監測量向頻率信號的轉換,通過頻率信號的高低我們就可以得知環境濕度是否正常。基準頻率振蕩器和頻率電壓轉換器都采用十四位串行計數器CC4060,它采用CNOS制作工藝、標準DIP-8封裝的14位二進制串行計數/分頻器集成電路,振蕩器的結構可以是RC或晶振電路。CC4060復位端為高電平時,計數器清零且振蕩器使用無效;復位端為低電平時,由外接的振蕩定時元件控制產生一定頻率的信號,并可以輸出4分頻到 10分頻,12分頻到14分頻的脈沖信號。本電路的基準頻率振蕩器由CC4060及其定時元件組成,產生的頻率信號經 12分頻后送至D觸發器,為D觸發器提供時鐘脈沖。頻率電壓轉換器則利用的是CC4060的分頻功能,將NE555定時器輸出的頻率信號送至 CC4060,經12分頻后輸出至D觸發器輸入端,根據環境是否潮濕產生相應的電平,驅動D觸發器工作輸出控制電平。輸出控制電路可以根據實際需要采取相應的電路,本電路的輸出控制部分由三極管控制繼電器實現,D觸發器輸出的高電平,使三極管導通驅動繼電器動作,產生報警信號或驅動干燥電路工作,使環境濕度恢復到正常值范圍。
濕度監測及濕度頻率轉換電路
C是濕敏電容HS1100,容量會隨著環境濕度的變化而改變,使②腳和⑥腳的充放電時間常數發生變化,改變③腳的輸出信號的頻率,實現環境濕度的變化轉換為頻率的變化,由非電量轉變為電量。⑤腳外接電阻R3的阻值為910 kΩ,與集成電路內接的電阻5 kΩ相差很大,所以一般基準電壓就可以認為是電源電壓VCC,R1的阻值50 kΩ,濕敏電容常態下為180pF,R2的阻值一般為576 kΩ左右,可根據調試的需要串聯電位器,實現最佳的控制精度。由以上數值可算出③腳常態下輸出的脈沖周期T=(R1+2R2)Cln2,為0.15ms左右,則頻率在6 667 Hz左右,當環境濕度增大為90%RH時,頻率會減少到6 186 Hz左右,引起后續電路動作,實現增干和報警。
基準頻率振蕩器
基準頻率產生電路主要由十四位串行計數器CC4060實現,CC4060⑨⑩腳外接基準頻率定時元件,產生信號由腳送入CC4060,本電路C1為 0.01ΩF,R4為2.7 kΩ,RP1為4.7 kΩ電位器,通過調節電位器,可以產生周期為0.059 4 ms~0.162 8ms,頻率為16.8 kHz~6 kHz信號(f=1/2.2(RP1+R4)C1),此信號經12分頻后可以得到4 Hz~1.5 Hz的頻率,由①腳輸出,進入D觸發器CD4013③腳,為頻率電平轉換提供時鐘脈沖。Q1、Q2兩個三極管構成線與電路,正常工作時Q1或Q2有一個導通,則復位端腳為低電平,計數器正常工作,當⑦腳4分頻輸出和①腳12分頻輸出同時為高電平時,Q1和Q2同時輸出高電平,計數器清零,重新開始計數,這個電路主要保證監測電路工作一段時間(0.33ms~1 ms)自動清零一次,避免長時間出現數據錯誤影響電路正常工作。R5、R6一般都為10 kΩ,R7為47 kΩ,D1為1N4148,Q1、Q2為1015。
頻率電壓轉換電路
頻率電壓轉換電路主要由十四位串行計數器CC4060和四D觸發器CD4013組成,由NE555③腳送來的頻率信號,由CC4060 U2的腳送入計數器,經十二分頻后由①腳輸出,常態頻率為1.6 Hz,濕度增大到90%RH時,頻率降為1.5 Hz,送至D觸發器CD4013⑤腳,同時輸出高電平使Q3導通,鎖存進入的信號電平,阻止后面的脈沖信號再次進入CC4060 U2,防止出現干擾,D觸發器在CC4060 U1的時鐘脈沖(頻率為4 Hz~1.5 Hz)控制下,在CD4013①腳輸出高電平,控制繼電器工作,帶動報警或增干電路工作。D觸發器工作與否顯然取決于CC4060 U1送入的時鐘脈沖,U1和U2輸出的脈沖下限頻率是一樣的,這顯然無法控制D觸發器正常工作,這就需要我們在調試的過程中,輕微調節RP1,使 CC4060 U1輸出的時鐘頻率稍高于1.5 Hz,但低于1.6 Hz(對著濕敏電容吹氣增回濕度的方法調試),就能保證電路在常態時D觸發器不工作,當濕度超過90%RH時,D觸發器輸出高電平,驅動后面電路工作。 R9為2.2 kΩ,R10為10 kΩ,R11可以和R7合為一個電阻,Q3為1815。
輸出控制電路
輸出控制電路采用三極管驅動繼電器實現,將CD4013①腳輸出的電平信號送至NPN型三極管1815的基極。常態時,CD4013①輸出低電平,三極管截止,繼電器釋放;當濕度超過規定量時,CD4013輸出高電平,三極管導通,繼電器吸合,報警和增干電路工作。用濕敏電容HS1100、十四位串行計數器CC4060、D觸發器CD4013等組成的環境濕度測試儀,具有操作簡單,調試方便,體積小,精度高等優點,對于一般的電子愛好者都可以輕松調試成功。
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