李 玲，陳 宇，郭泓序

（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 智能工程學(xué)院，河南 鄭州 450046）

近年來，我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，新農(nóng)村的建設(shè)蓬勃發(fā)展。自2018年國(guó)家大力實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略以來，新農(nóng)村的建設(shè)可以說是日新月異，寬闊的街道上各種各樣的路燈，給鄉(xiāng)村帶來了便捷和光明，同時(shí)也增添了新農(nóng)村的魅力。但是由于道路路燈眾多，傳統(tǒng)的人工管理模式已經(jīng)和快速發(fā)展的鄉(xiāng)村現(xiàn)代化建設(shè)不相適應(yīng)。[1-2]我國(guó)鄉(xiāng)村居民對(duì)電能的使用需求日益提高，但是在需求提高的同時(shí)，也不可避免地導(dǎo)致了不同程度的電能浪費(fèi)。目前，鑒于各種因素的影響，鄉(xiāng)村道路的路燈由于缺少人力及有效地管理，在對(duì)路燈的開關(guān)控制上，經(jīng)常出現(xiàn)早開燈、晚關(guān)燈或者晚開燈、早關(guān)燈的現(xiàn)象，這不僅造成了巨大的電力浪費(fèi)，影響了人們的日常生活[3]，還損害了新農(nóng)村的形象。

基于以上事實(shí)，為了更好地節(jié)約資源，也更好地服務(wù)鄉(xiāng)村居民，本設(shè)計(jì)的目的就是設(shè)計(jì)一個(gè)基于光敏電阻為光控開關(guān)的路燈自動(dòng)控制系統(tǒng)，以最終實(shí)現(xiàn)路燈隨環(huán)境光線自動(dòng)亮滅的控制系統(tǒng)。通過對(duì)光控電路的設(shè)計(jì)、制作，著眼分析研究過程中出現(xiàn)的各種問題，最終找出路燈隨環(huán)境光線自動(dòng)亮滅的最佳設(shè)計(jì)方法。

本設(shè)計(jì)是在Protel DXP軟件環(huán)境下完成的。電子線路CAD是利用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)電子電路的過程，包括繪制電子電路圖、模擬電路功能和模擬工作環(huán)境、印刷電路板的設(shè)計(jì)布線和檢測(cè)。Protel DXP軟件還可以快速形成各種報(bào)告文件，如零部件庫(kù)存報(bào)告，為采購(gòu)零部件和工程預(yù)算及決算工作提供方便。總之，對(duì)于電子線路CAD軟件的使用以及完成相關(guān)操作、設(shè)計(jì)系統(tǒng)仿真等是極其便利的。運(yùn)用這款軟件對(duì)實(shí)際硬件電路進(jìn)行前期的設(shè)計(jì)和調(diào)整，在很大程度上可以減少資源的浪費(fèi)，同時(shí)也可以設(shè)計(jì)出許多精美的產(chǎn)品，可以說，Protel DXP軟件是很值得我們學(xué)習(xí)和推廣使用的。因此，用它實(shí)現(xiàn)對(duì)鄉(xiāng)村路燈自動(dòng)控制電路原理的設(shè)計(jì)與仿真，是十分實(shí)用可靠的。

1 電路工作原理及整體原理圖設(shè)計(jì)

1.1 電路工作原理簡(jiǎn)述

電路的設(shè)計(jì)主要包括原理圖設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)兩部分，在圖1中，具體展示了光控路燈設(shè)計(jì)的電路原理圖，主要包括兩部分，即電源電路和控制電路，二者通過一個(gè)電橋進(jìn)行連接。在路燈自動(dòng)控制開關(guān)電路中，主要是配合光敏傳感器實(shí)現(xiàn)亮滅的自動(dòng)控制，可以在黃昏時(shí)分自動(dòng)點(diǎn)亮路燈，并在黎明后自動(dòng)關(guān)燈。控制電路由電池供電，關(guān)燈后電路功耗小。通過自動(dòng)控制路燈電路，適應(yīng)不同季節(jié)的天黑時(shí)間來自動(dòng)控制路燈的亮與滅，目前很多城市也都運(yùn)用上了這種路燈，從目前的運(yùn)用情況來看，這種路燈不僅節(jié)約了能源，同時(shí)也減少了人力、物力的浪費(fèi)，無(wú)論是從經(jīng)濟(jì)角度還是在能源的節(jié)約利用領(lǐng)域，都有良好的實(shí)用價(jià)值。

圖1 電路原理圖

1.2 電路原理圖設(shè)計(jì)

對(duì)于一個(gè)實(shí)際電路來說，原理圖設(shè)計(jì)是電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是一切實(shí)際工作的先行準(zhǔn)備，只有在設(shè)計(jì)好原理圖的基礎(chǔ)上，才可以進(jìn)行印刷電路板的設(shè)計(jì)和電路仿真等相關(guān)工作。同時(shí)，一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)良的電路原理圖，有時(shí)候也可以起到事半功倍的效果。原理圖設(shè)計(jì)的具體步驟包括：新建原理圖文件、設(shè)置工作環(huán)境、放置元件、原理圖的布局布線、建立網(wǎng)格表、原理圖電氣檢查、編譯和調(diào)整以及最后的存盤和報(bào)表輸出等工作。在運(yùn)用Protel DXP軟件設(shè)計(jì)過程中，電路原理圖的設(shè)計(jì)規(guī)則具體流程如下：先創(chuàng)建項(xiàng)目文件，再創(chuàng)建原理圖文件，[4]出現(xiàn)圖紙之后，雙擊圖紙邊框設(shè)置相應(yīng)的圖紙參數(shù)，將捕獲參數(shù)設(shè)置為5，可視參數(shù)設(shè)置為10，然后調(diào)入所需要的元件庫(kù)，在元件庫(kù)中查找本次設(shè)計(jì)所需要的元器件并在原理圖中放置這些元器件到適當(dāng)?shù)奈恢?。之后，進(jìn)行原理圖的布局和布線設(shè)計(jì)，布局使原理圖更加美觀，布線整齊，沒有不必要的走線和錯(cuò)誤的交叉。最后將原理圖文件保存并截圖，打印輸出。這就是原理圖文件設(shè)計(jì)的大體流程。

圖1 是在Protel DXP軟件中設(shè)計(jì)好的整體電路原理圖，其中，整流橋左側(cè)為電源電路，包括VCC交流電源，起分壓作用的電阻R3、R5，以及電容C1。電容既可以起到保護(hù)電路的作用，也可以在實(shí)際運(yùn)行過程中隨時(shí)改變串入的電阻大小，以最終實(shí)現(xiàn)對(duì)供電電壓輸入大小的控制。同時(shí)在右側(cè)是實(shí)際的控制電路，通過它可以實(shí)現(xiàn)燈光隨著環(huán)境亮度自動(dòng)亮滅的控制，具體的分析見下文控制電路部分。

2 各部分電路原理圖

2.1 電源電路

圖2 為光控路燈電路設(shè)計(jì)的電源電路原理圖部分，在實(shí)際設(shè)計(jì)電路過程中，因考慮到實(shí)際電路的應(yīng)用性，采用220V家庭用電標(biāo)準(zhǔn)電壓作為本設(shè)計(jì)最終要求的電壓，對(duì)于路燈供電來說，因?yàn)楣╇婋妷狠^大，并不能直接用于燈泡的供電工作，因此就需要在VCC后加入一個(gè)整流電橋，起到整流穩(wěn)壓的作用，經(jīng)整流橋后，可實(shí)現(xiàn)使控制電路在接入降壓整流的電壓后正常運(yùn)行。此外，在本設(shè)計(jì)中的VCC和電橋中間，還加入了一個(gè)分壓整流電路，即在它們中間加入了串聯(lián)的電阻，起到適當(dāng)?shù)姆謮鹤饔?，運(yùn)用電容Cap，根據(jù)交流電壓的正反方向，適時(shí)地改變所需要的電阻阻值大小。

圖2 電源電路原理圖

2.2 控制電路

如圖3所示，它是一種采用雙向晶閘管控制的路燈控制電路。白天，光敏電阻RL暴露在自然光下，R1的電阻較低。用RL分壓后得到的電壓低于雙向二極管VDH的折疊電壓，因此晶體管Q被阻塞，LED燈DS1和DS2不亮。[2]當(dāng)夜幕即將降臨時(shí)，外部環(huán)境逐漸變暗，此時(shí)RL分壓逐漸升高，當(dāng)折疊電壓高于VDH時(shí)，三極管Q開通，LED燈DS1、DS2點(diǎn)亮。電路有一個(gè)軟啟動(dòng)過程，這有助于延長(zhǎng)燈泡的使用壽命。R1電阻的增大或減小會(huì)改變電路的光敏性，但一般不需要調(diào)節(jié)。VDH也可用于雙向觸發(fā)二極管，其旋轉(zhuǎn)電壓為20～40V。

圖3 控制電路原理圖

以上就是控制電路原理圖以及對(duì)其的分析，控制是本設(shè)計(jì)的核心，實(shí)現(xiàn)LED燈光亮度隨環(huán)境光線的變化進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整也是控制的最終目的。只有良好地控制，才可以保證最終設(shè)計(jì)目標(biāo)的完美實(shí)現(xiàn)。

3 元件選型

對(duì)于實(shí)際電路來說，要想實(shí)現(xiàn)最終的功能，除了要進(jìn)行良好的電路設(shè)計(jì)，最重要的一點(diǎn)就是進(jìn)行元器件的選型，只有選擇合適的原件型號(hào)和大小，在最后真正制作完成后，才能實(shí)現(xiàn)想要的功能，否則就會(huì)事倍功半，無(wú)法達(dá)到理想的效果。而在Protel DXP2004軟件中，當(dāng)電路原理圖設(shè)計(jì)并選型完成后，元器件的清單是可以自動(dòng)生成的。只需要在原理圖界面下執(zhí)行菜單命令ReportsBill of Material即可生成Excel格式的材料清單，材料清單包括電路圖中所有元件的名稱、類型和封裝號(hào)與元件的備注，十分詳細(xì)。

表1 就是運(yùn)用Protel DXP2004軟件自動(dòng)生成的元器件清單表，其中以序號(hào)列出各種元器件，并逐一標(biāo)明名稱、型號(hào)規(guī)格以及數(shù)量等基本信息，看上去一目了然，體現(xiàn)了這一軟件方便、快捷的特點(diǎn)。其中，由于Protel DXP2004軟件的元件庫(kù)中沒有現(xiàn)成的光敏電阻器件，所以在實(shí)際電路設(shè)計(jì)時(shí)，我們運(yùn)用了軟件的自制元器件功能，制作了阻值為100K的光敏電阻RL，以實(shí)現(xiàn)感光和最終實(shí)現(xiàn)控制電路的基本功能。

表1 元器件清單表

4 電路PCB設(shè)計(jì)

除了進(jìn)行電路原理圖的設(shè)計(jì)之外，運(yùn)用此軟件的另一個(gè)好處就是能夠及時(shí)地進(jìn)行電路PCB板的設(shè)計(jì)，更好地優(yōu)化電路板的布局布線。

進(jìn)行布局布線是為了使元件之間的導(dǎo)線連接簡(jiǎn)潔，減少導(dǎo)線的交叉，并充分利用PCB板的空間，做到緊湊而不擁擠，美觀而又容易觀察元器件之間的連接關(guān)系，進(jìn)行了元件的重新布局。同時(shí)，若有大功率器件，還應(yīng)盡可能地將它們放置在PCB板的邊緣，因?yàn)榇蠊β势骷菀装l(fā)熱，而且產(chǎn)生的熱量溫度高，放在電路板的邊緣有助于散熱。移動(dòng)元器件時(shí)參考了原理圖，了解各元件之間的連接，將連線較多的元件放在更近的地方。

4.1 自動(dòng)布線

圖4 是電路PCB板執(zhí)行自動(dòng)布線后的圖形。點(diǎn)擊自動(dòng)布線命令按鈕，執(zhí)行命令，菜單位置：執(zhí)行Auto Route/All后開始自動(dòng)布線。布線后見圖4。Protel也可以手動(dòng)對(duì)PCB圖進(jìn)行手動(dòng)布線，但由于水平有限而且電路較為復(fù)雜采用自動(dòng)布線。在使用Protel進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的高級(jí)階段，PCB圖的布局和布線都是手動(dòng)完成的。[5]

圖4 自動(dòng)布線圖

4.2 重新定義PCB板形狀

為了使PCB板在設(shè)計(jì)制作時(shí)更加美觀，同時(shí)重新定義PCB板形狀也就是為了最終確定要印刷的PCB板的實(shí)際大小，最終確定大小和制作加工價(jià)格等因素，以達(dá)到最實(shí)用、最經(jīng)濟(jì)的目的，同時(shí)節(jié)省資源。

在PCB板界面點(diǎn)擊Keep-Out Layer層，之后點(diǎn)擊放置、直線，在原有的空間上重新繪制PCB板的形狀。繪制好后點(diǎn)擊設(shè)計(jì)對(duì)話框→PCB板形狀→重新定義PCB板形狀，在彈出的界面中重新規(guī)劃PCB板形狀。[6]如圖5，就是設(shè)計(jì)電路的PCB板在執(zhí)行完重新定義PCB板形狀命令之后的圖像。這樣設(shè)計(jì)出的PCB板，大小合適、布局布線合理，同時(shí)也做到了對(duì)PCB板空間的最高效利用。

圖5 重新定義PCB板形狀

4.3 設(shè)計(jì)規(guī)則檢查

設(shè)計(jì)好的電路板，在經(jīng)過布局布線后，要想知道設(shè)計(jì)和布線是否有誤，就要在仿真之前進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)則檢查，對(duì)于Protel DXP軟件來說，進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)則檢查的方法步驟也很簡(jiǎn)單，只需要在設(shè)計(jì)好的PCB板界面中單擊工具選項(xiàng)卡，之后點(diǎn)擊第一欄設(shè)計(jì)規(guī)則檢查，如果整個(gè)電路板的設(shè)計(jì)沒有任何問題，就會(huì)彈出如圖6的PCB設(shè)計(jì)檢查結(jié)果。

圖6 設(shè)計(jì)規(guī)則檢查報(bào)表

圖6 就是電路設(shè)計(jì)規(guī)則檢查的報(bào)表圖。從圖中可以看出，本次電路設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)檢查的相關(guān)規(guī)則，電路各部分工作數(shù)據(jù)正常，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)則的相關(guān)功能。

5 電路仿真

那么，設(shè)計(jì)好并在設(shè)計(jì)規(guī)則檢查無(wú)誤后，電路是否可以正常運(yùn)行呢？這就要求我們要對(duì)電路進(jìn)行仿真，如果仿真無(wú)誤，那么就可以證明電路的各項(xiàng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)確，可以運(yùn)用，并可以進(jìn)入最終的打板制作環(huán)節(jié)。具體的仿真方法如下：建立原理圖后，在電路圖上放置仿真原件，并設(shè)置相應(yīng)的仿真原件參數(shù)。然后繪制仿真電路原理圖。之后最重要的就是要放置仿真激勵(lì)源。仿真中使用的激勵(lì)源可以從激勵(lì)源元件庫(kù)Simulation Sources.IntLib或電壓源元件庫(kù)Simulation Voltage Source.IntLib中提取，常用的信號(hào)源從仿真激勵(lì)源工具欄中提取。放置后還要設(shè)置激勵(lì)源的仿真參數(shù)，如直流電源電壓大小，正弦交流信號(hào)的幅值、頻率及相位等。之后放置電路的仿真節(jié)點(diǎn)。此次采用放置網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)的方法來設(shè)置要分析的電路節(jié)點(diǎn)。最后啟動(dòng)仿真器，打開仿真參數(shù)設(shè)置對(duì)話框及啟動(dòng)仿真器，選擇仿真方式并設(shè)置仿真參數(shù)，運(yùn)行電路仿真，獲得仿真結(jié)果。[7]

從圖7的仿真圖像及結(jié)果可以看出，電路設(shè)計(jì)符合相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，也就是當(dāng)周圍環(huán)境光線變亮?xí)r，光敏電阻阻值變大，使得電燈變暗，直至熄滅；隨著環(huán)境光線變暗，光敏電阻的阻值逐漸減小，進(jìn)而使電燈的光線逐漸變亮。最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)路燈點(diǎn)亮和熄滅的自動(dòng)控制，達(dá)到了實(shí)際設(shè)計(jì)目的。

圖7 仿真圖像

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本設(shè)計(jì)從實(shí)際出發(fā)，考慮到節(jié)能環(huán)保已逐步成為世界潮流，在各鄉(xiāng)村道路中，道路照明節(jié)能也日益成為人們的關(guān)注點(diǎn)。簡(jiǎn)單來說，道路照明節(jié)能主要可以從線路、光源和運(yùn)行方式上做出具體的節(jié)能舉措。[8]本設(shè)計(jì)的光控路燈就是從光源上做到節(jié)能效果，用Protel DXP2004設(shè)計(jì)相應(yīng)的PCB電路板以實(shí)現(xiàn)光控路燈的相關(guān)問題，光控路燈能夠使路燈（LED）的亮滅隨環(huán)境光線的變化而隨時(shí)改變亮度，這就在很大程度上解決了這一問題，同時(shí)也做到了對(duì)環(huán)境的保護(hù)和資源的節(jié)約利用。

縱觀整個(gè)設(shè)計(jì)過程，從一開始的原理圖繪制到元器件的選型，再到PCB板的設(shè)計(jì)布局、設(shè)計(jì)規(guī)則檢查，到最終的電路仿真，一系列的設(shè)計(jì)和繪制，最終形成了滿意的仿真結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。從設(shè)計(jì)的電器規(guī)則檢查來看，設(shè)計(jì)的電器規(guī)則符合相關(guān)的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)，該設(shè)計(jì)通過利用光敏電阻作為光敏傳感器用作信號(hào)的采集端，借助整流橋?qū)?20V交流電壓進(jìn)行了整流。而且，從電路的最終仿真結(jié)果來看，LED燈能夠在電路的控制下，實(shí)現(xiàn)在環(huán)境光線變亮?xí)r，燈光逐漸變暗，直至熄滅；環(huán)境光線逐漸變暗時(shí)，LED燈光逐漸變亮，最終實(shí)現(xiàn)照明的功能?？梢钥闯?，這樣的光控路燈，不僅設(shè)計(jì)制作簡(jiǎn)單，而且很大程度上節(jié)約了能源，并具有經(jīng)濟(jì)耐用的優(yōu)點(diǎn)。

“綠水青山就是金山銀山”。在實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興的道路上，不僅要迅速發(fā)展，節(jié)能環(huán)保也是十分必要的。本文設(shè)計(jì)的光控路燈電路，利用Protel DXP軟件進(jìn)行相關(guān)仿真后的結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)的電路原理圖、PCB的設(shè)計(jì)合理，實(shí)現(xiàn)了有關(guān)的設(shè)計(jì)要求和相關(guān)功能。同時(shí)，本設(shè)計(jì)也是通過利用光敏電阻原件實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換的功能，在一定程度上節(jié)約了能源。相信在實(shí)現(xiàn)新農(nóng)村建設(shè)的道路上，會(huì)發(fā)揮它的實(shí)用價(jià)值，促進(jìn)鄉(xiāng)村的快速發(fā)展、綠色發(fā)展。