基于Protel DXP軟件的鄉村道路自動控制路燈電路設計*

李 玲，陳 宇，郭泓序

（鄭州航空工業管理學院 智能工程學院，河南 鄭州 450046）

近年來，我國經濟迅猛發展，新農村的建設蓬勃發展。自2018年國家大力實施鄉村振興戰略以來，新農村的建設可以說是日新月異，寬闊的街道上各種各樣的路燈，給鄉村帶來了便捷和光明，同時也增添了新農村的魅力。但是由于道路路燈眾多，傳統的人工管理模式已經和快速發展的鄉村現代化建設不相適應。[1-2]我國鄉村居民對電能的使用需求日益提高，但是在需求提高的同時，也不可避免地導致了不同程度的電能浪費。目前，鑒于各種因素的影響，鄉村道路的路燈由于缺少人力及有效地管理，在對路燈的開關控制上，經常出現早開燈、晚關燈或者晚開燈、早關燈的現象，這不僅造成了巨大的電力浪費，影響了人們的日常生活[3]，還損害了新農村的形象。

基于以上事實，為了更好地節約資源，也更好地服務鄉村居民，本設計的目的就是設計一個基于光敏電阻為光控開關的路燈自動控制系統，以最終實現路燈隨環境光線自動亮滅的控制系統。通過對光控電路的設計、制作，著眼分析研究過程中出現的各種問題，最終找出路燈隨環境光線自動亮滅的最佳設計方法。

本設計是在Protel DXP軟件環境下完成的。電子線路CAD是利用計算機設計電子電路的過程，包括繪制電子電路圖、模擬電路功能和模擬工作環境、印刷電路板的設計布線和檢測。Protel DXP軟件還可以快速形成各種報告文件，如零部件庫存報告，為采購零部件和工程預算及決算工作提供方便。總之，對于電子線路CAD軟件的使用以及完成相關操作、設計系統仿真等是極其便利的。運用這款軟件對實際硬件電路進行前期的設計和調整，在很大程度上可以減少資源的浪費，同時也可以設計出許多精美的產品，可以說，Protel DXP軟件是很值得我們學習和推廣使用的。因此，用它實現對鄉村路燈自動控制電路原理的設計與仿真，是十分實用可靠的。

1 電路工作原理及整體原理圖設計

1.1 電路工作原理簡述

電路的設計主要包括原理圖設計和PCB設計兩部分，在圖1中，具體展示了光控路燈設計的電路原理圖，主要包括兩部分，即電源電路和控制電路，二者通過一個電橋進行連接。在路燈自動控制開關電路中，主要是配合光敏傳感器實現亮滅的自動控制，可以在黃昏時分自動點亮路燈，并在黎明后自動關燈。控制電路由電池供電，關燈后電路功耗小。通過自動控制路燈電路，適應不同季節的天黑時間來自動控制路燈的亮與滅，目前很多城市也都運用上了這種路燈，從目前的運用情況來看，這種路燈不僅節約了能源，同時也減少了人力、物力的浪費，無論是從經濟角度還是在能源的節約利用領域，都有良好的實用價值。

圖1 電路原理圖

1.2 電路原理圖設計

對于一個實際電路來說，原理圖設計是電路設計的基礎，是一切實際工作的先行準備，只有在設計好原理圖的基礎上，才可以進行印刷電路板的設計和電路仿真等相關工作。同時，一個設計優良的電路原理圖，有時候也可以起到事半功倍的效果。原理圖設計的具體步驟包括：新建原理圖文件、設置工作環境、放置元件、原理圖的布局布線、建立網格表、原理圖電氣檢查、編譯和調整以及最后的存盤和報表輸出等工作。在運用Protel DXP軟件設計過程中，電路原理圖的設計規則具體流程如下：先創建項目文件，再創建原理圖文件，[4]出現圖紙之后，雙擊圖紙邊框設置相應的圖紙參數，將捕獲參數設置為5，可視參數設置為10，然后調入所需要的元件庫，在元件庫中查找本次設計所需要的元器件并在原理圖中放置這些元器件到適當的位置。之后，進行原理圖的布局和布線設計，布局使原理圖更加美觀，布線整齊，沒有不必要的走線和錯誤的交叉。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計的大體流程。

圖1 是在Protel DXP軟件中設計好的整體電路原理圖，其中，整流橋左側為電源電路，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電路的作用，也可以在實際運行過程中隨時改變串入的電阻大小，以最終實現對供電電壓輸入大小的控制。同時在右側是實際的控制電路，通過它可以實現燈光隨著環境亮度自動亮滅的控制，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 為光控路燈電路設計的電源電路原理圖部分，在實際設計電路過程中，因考慮到實際電路的應用性，采用220V家庭用電標準電壓作為本設計最終要求的電壓，對于路燈供電來說，因為供電電壓較大，并不能直接用于燈泡的供電工作，因此就需要在VCC后加入一個整流電橋，起到整流穩壓的作用，經整流橋后，可實現使控制電路在接入降壓整流的電壓后正常運行。此外，在本設計中的VCC和電橋中間，還加入了一個分壓整流電路，即在它們中間加入了串聯的電阻，起到適當的分壓作用，運用電容Cap，根據交流電壓的正反方向，適時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]當夜幕即將降臨時，外部環境逐漸變暗，此時RL分壓逐漸升高，當折疊電壓高于VDH時，三極管Q開通，LED燈DS1、DS2點亮。電路有一個軟啟動過程，這有助于延長燈泡的使用壽命。R1電阻的增大或減小會改變電路的光敏性，但一般不需要調節。VDH也可用于雙向觸發二極管，其旋轉電壓為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其的分析，控制是本設計的核心，實現LED燈光亮度隨環境光線的變化進行自動調整也是控制的最終目的。只有良好地控制，才可以保證最終設計目標的完美實現。

3 元件選型

對于實際電路來說，要想實現最終的功能，除了要進行良好的電路設計，最重要的一點就是進行元器件的選型，只有選擇合適的原件型號和大小，在最后真正制作完成后，才能實現想要的功能，否則就會事倍功半，無法達到理想的效果。而在Protel DXP2004軟件中，當電路原理圖設計并選型完成后，元器件的清單是可以自動生成的。只需要在原理圖界面下執行菜單命令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、類型和封裝號與元件的備注，十分詳細。

表1 就是運用Protel DXP2004軟件自動生成的元器件清單表，其中以序號列出各種元器件，并逐一標明名稱、型號規格以及數量等基本信息，看上去一目了然，體現了這一軟件方便、快捷的特點。其中，由于Protel DXP2004軟件的元件庫中沒有現成的光敏電阻器件，所以在實際電路設計時，我們運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，以實現感光和最終實現控制電路的基本功能。

表1 元器件清單表

4 電路PCB設計

除了進行電路原理圖的設計之外，運用此軟件的另一個好處就是能夠及時地進行電路PCB板的設計，更好地優化電路板的布局布線。

進行布局布線是為了使元件之間的導線連接簡潔，減少導線的交叉，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系，進行了元件的重新布局。同時，若有大功率器件，還應盡可能地將它們放置在PCB板的邊緣，因為大功率器件容易發熱，而且產生的熱量溫度高，放在電路板的邊緣有助于散熱。移動元器件時參考了原理圖，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 自動布線

圖4 是電路PCB板執行自動布線后的圖形。點擊自動布線命令按鈕，執行命令，菜單位置：執行Auto Route/All后開始自動布線。布線后見圖4。Protel也可以手動對PCB圖進行手動布線，但由于水平有限而且電路較為復雜采用自動布線。在使用Protel進行電路設計的高級階段，PCB圖的布局和布線都是手動完成的。[5]

圖4 自動布線圖

4.2 重新定義PCB板形狀

為了使PCB板在設計制作時更加美觀，同時重新定義PCB板形狀也就是為了最終確定要印刷的PCB板的實際大小，最終確定大小和制作加工價格等因素，以達到最實用、最經濟的目的，同時節省資源。

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

圖5 重新定義PCB板形狀

4.3 設計規則檢查

設計好的電路板，在經過布局布線后，要想知道設計和布線是否有誤，就要在仿真之前進行相關的設計規則檢查，對于Protel DXP軟件來說，進行設計規則檢查的方法步驟也很簡單，只需要在設計好的PCB板界面中單擊工具選項卡，之后點擊第一欄設計規則檢查，如果整個電路板的設計沒有任何問題，就會彈出如圖6的PCB設計檢查結果。

圖6 設計規則檢查報表

圖6 就是電路設計規則檢查的報表圖。從圖中可以看出，本次電路設計符合設計檢查的相關規則，電路各部分工作數據正常，能夠實現設計規則的相關功能。

5 電路仿真

那么，設計好并在設計規則檢查無誤后，電路是否可以正常運行呢？這就要求我們要對電路進行仿真，如果仿真無誤，那么就可以證明電路的各項設計準確，可以運用，并可以進入最終的打板制作環節。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，并設置相應的仿真原件參數。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源。仿真中使用的激勵源可以從激勵源元件庫Simulation Sources.IntLib或電壓源元件庫Simulation Voltage Source.IntLib中提取，常用的信號源從仿真激勵源工具欄中提取。放置后還要設置激勵源的仿真參數，如直流電源電壓大小，正弦交流信號的幅值、頻率及相位等。之后放置電路的仿真節點。此次采用放置網絡標號的方法來設置要分析的電路節點。最后啟動仿真器，打開仿真參數設置對話框及啟動仿真器，選擇仿真方式并設置仿真參數，運行電路仿真，獲得仿真結果。[7]

從圖7的仿真圖像及結果可以看出，電路設計符合相關的設計參數要求，能夠實現設計目標，也就是當周圍環境光線變亮時，光敏電阻阻值變大，使得電燈變暗，直至熄滅；隨著環境光線變暗，光敏電阻的阻值逐漸減小，進而使電燈的光線逐漸變亮。最終實現了對路燈點亮和熄滅的自動控制，達到了實際設計目的。

圖7 仿真圖像

6 結束語

綜上所述，本設計從實際出發，考慮到節能環保已逐步成為世界潮流，在各鄉村道路中，道路照明節能也日益成為人們的關注點。簡單來說，道路照明節能主要可以從線路、光源和運行方式上做出具體的節能舉措。[8]本設計的光控路燈就是從光源上做到節能效果，用Protel DXP2004設計相應的PCB電路板以實現光控路燈的相關問題，光控路燈能夠使路燈（LED）的亮滅隨環境光線的變化而隨時改變亮度，這就在很大程度上解決了這一問題，同時也做到了對環境的保護和資源的節約利用。

縱觀整個設計過程，從一開始的原理圖繪制到元器件的選型，再到PCB板的設計布局、設計規則檢查，到最終的電路仿真，一系列的設計和繪制，最終形成了滿意的仿真結果，實現了設計要求。從設計的電器規則檢查來看，設計的電器規則符合相關的設計要求，同時，該設計通過利用光敏電阻作為光敏傳感器用作信號的采集端，借助整流橋對220V交流電壓進行了整流。而且，從電路的最終仿真結果來看，LED燈能夠在電路的控制下，實現在環境光線變亮時，燈光逐漸變暗，直至熄滅；環境光線逐漸變暗時，LED燈光逐漸變亮，最終實現照明的功能。可以看出，這樣的光控路燈，不僅設計制作簡單，而且很大程度上節約了能源，并具有經濟耐用的優點。

“綠水青山就是金山銀山”。在實現鄉村振興的道路上，不僅要迅速發展，節能環保也是十分必要的。本文設計的光控路燈電路，利用Protel DXP軟件進行相關仿真后的結果表明，該設計的電路原理圖、PCB的設計合理，實現了有關的設計要求和相關功能。同時，本設計也是通過利用光敏電阻原件實現了光電轉換的功能，在一定程度上節約了能源。相信在實現新農村建設的道路上，會發揮它的實用價值，促進鄉村的快速發展、綠色發展。