小区智能照明设计Word文档格式.docx
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第一章绪论
1.1课题概述
1.1.1课题研究背景
1.1.2课题研究的目的及意义
1.2路灯节能方法
1.2.1传统路灯节能方法
1.2.2智能路灯节能方法
第二章住宅小区路灯设计的方案和方法
2.1总体方案的确定
2.2灯位的布置
2.3灯具及光源的选择
2.4供配电及照明操纵
第3章路灯节能操纵系统的总体方案设计
3.1系统的总体方案设计
3.2系统的结构模型及功能分析
3.3系统操纵器的总体设计
3.3.1智能操纵器结构设计
第4章系统硬件设计
3.1系统硬件结构设计
4.2操纵器设计以及其外部电路
4.2.1操纵器最小操纵系统
4.2.2串行通信接口设计
4.2.3A/D和D/A转换电路
4.2.4开关量输入/输出电路
第五章软件结构设计
第六章结论
致谢
参考文献
1.1课题概述
1.1.1课题研究的背景
随着我国都市的进展、经济的繁荣、社会的进步和人们提高生活水平及环境质量的要求，小区道路照明和夜景照明差不多成为小区规划、建设和治理中的一项重要工作。
花园小区道路照明和夜景照明是方便都市居民必备的生活条件，而花园小区的夜景照明是再塑和美化小区形象、鼓舞民心、振奋精神的一项专门有意义的工作。
近几年来，全国许多大小都市的小区在设计和开发亮点方面，均把居住环境作为重点之一。
在推进都市亮化工程的同时，充分的利用和节约能耗也越来越得到各级政府的广泛重视。
采纳先进技术和科技手段，分时刻段对道路照明系统电压的调整、操纵，用智能化的操纵方式达到节约道路照明综合费用的目的〔电费和修理费用〕，还可将节约的大笔资金再投入其他的美化工程项目中去。
早在90年代初，发达国家就差不多广泛的使用了智能照明调控系统，来降低都市照明的费用支出。
国家发改委、建设部、国家质量技术监督局已在2000年下发了223号文件«
关于进一步推进"
中国绿色照明工程"
的意见»
的通知，提出推广节能、高效的照明灯具和智能照明调控系统，深入开展绿色照明节能工作。
目前国内大部分都市的道路照明治理系统直至现在仍在沿用简单的光控、时控等传统操纵方式。
这些系统普遍存在着难以反馈路灯运行状态信息、难以进行远程操纵等局限，差不多没有节电成效。
同时采纳传统的人工巡检，不仅使路灯治理部门的任务繁重，也增加了运行爱护的费用。
据调查，各小区照明的平均时刻为11小时，而晚22点后，小区内车少人稀，现在仍将道路上保持原照明的亮度，不能按需调控，明显是白白的耗资金。
我国大部分小区路灯都采纳〝全夜灯〞的方式进行照明，普遍存在的问题有
两点:
一方面，后半夜行人稀少，采纳〝全夜灯〞的方式白费太大，因此，有的地点采取前半夜全亮，后半夜全灭的〝半夜灯〞照明方式;
有的地点在后半夜采取〝亮一隔一〞或〝亮一隔二〞的节电措施，此种方式尽管节约了电费支出，却带来了社会治安和交通安全问题，不利于都市形象。
另一方面，在后半夜因行人稀少，而应该降低路灯的照度，以幸免光源污染，阻碍居民的晚间休息。
然而，由于后半夜是用电低谷期，电力系统电压升高，路灯反而比白天更亮了。
这不仅造成能源白费，还大大阻碍了设备和灯具的使用寿命。
目前，路灯照明广泛使用高压钠灯，其设计寿命在12000小时以上，在正常情形下至少可用3年，然而由于超压使用，现在路灯灯泡的实际寿命只有1年左右，有的甚至只有几个月，造成爱护和材料的白费极大。
较高的电压不仅不能让负载设备更有效地工作，而且会引起发热及过早损坏，还会产生不必要的电费开支。
基于以上缘故，专门有必要适当降低用电设备的电压。
本课题的研究意义能够归结为以下几个方面:
（l）为小区公共照明提供一种科学有效的节电方案。
（2）提高小区路灯治理水平，在改善小区道路照明质量的同时，又能够节约人力物力。
（3）从国家的都市公共事业建设策略上来说，网络化的公共照明系统也是数字化小区的一个重要组成部分，能够为小区的数字化建设做一个良好的基础和参考。
（4）提高了小区基础设施治理水平，有利于提高都市形象。
路灯是我国经济进展和国家建设中必需的用电设备，它在我国的整体用电量中所占比例庞大，假如通过节能装置对其进行有效操纵，就能够降低电力损耗，达到节约能源，降低生产安装成本，有助于我国经济的快速进展。
本文研究的智能照明系统是在路灯的启停和运行过程中，通过不同的照明操纵策略来调剂路灯的端电压，操纵路灯的照明亮度，从而改变了路灯在不同时段的耗电量，改善了功率因素，达到了节约电能的目的。
对现有照明系统的节能改造，一样采纳加装节能设备，较为经济和有用，目前国内销售的照明节能设备专门多，其中照明操纵调控装置所占比例最大。
传统的路灯节能方法能够分为以下几种:
（1）.晶闸管斩波型照明节能装置
原理:
采纳可控硅斩波原理，通过操纵晶闸管（可控硅）的导通角，将电网输入的正弦波电压斩掉一部分，从而降低了输出电压的平均值，达到控压节电的目的。
这类节能调控设备对比明系统的电压调剂速度快，精度高，可分时段实时调整，有稳压作用，因为要紧是电子原件，相对来说体积小、设备轻、成本低。
但该调压方式存在致命缺陷，由于斩波，使电压无法实现正弦波输出，还会显现大量谐波，形成对电网系统谐波污染，危害极大，不能用在有电容补偿电路中。
（现代照明设计要求规定，照明系统中功率因数必须达到0.9以上，而气体放电灯的功率因数在一样在0.5以下，因此都设计用电容补偿功率因数）在国外发达国家，已有明文规定对电气设备谐波含量的限制，在国内，北京、上海、广州等大都市，已对谐波含量超标的设备限制并入电网使用.大功率可控硅斩波型节电设备，因其自身存在谐波污染的缺陷，假如加装滤波设备，成本太高，是不经济的，因此此类设备是不宜用于照明电路中。
谐波的危害
a.缩短电力电容器的使用寿命，严峻情形下，会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。
b.变压器的铜耗、铁耗增大，减少变压器的实际使用容量，白费电能。
c.增加电气设备附加损耗，减少出力，白费电能，严峻时使电气设备过热，烧
损。
d.造成开关、接触器等电气设备的误动作，自动化外表不能正常工作。
e.产生严峻的、看不见的电磁波干扰，使有线和无线信号无法接收和传输，影
响手机、电视、广播、电脑等设备的正常使用，损害人体正常生理机能。
（2）.自祸降压式调控装置
现在市场上最多照明节电产品确实是此类产品。
它的原理是，通过一个自祸变
压器机芯，依照输入电压高低情形，接连不同的固定变压器抽头，将电网电压降
低5、10、15、20V等几个档，从而达到降压节电的目的。
这类产品最
大的优点是克服了可控硅斩波型产品产生谐波的缺陷，实现了电压的正弦波输
出，结构和功能都专门简单，因此可靠性也比较高。
存在的技术缺陷:
l）固定多档降压器
由于其核心部件是一个多抽头的变压器，变压比是固定的，一样副边有三到五个降压抽头，分别降5V、10V、15V、20V，一旦接线端固定，降低电压确实是固定值，当电网电压波动时，调控装置的输出电压也会上下波动，如此照明的工作电压处在不稳固波动状态，无法起到对电光源的爱护作用。
如下图，当电网电压高时，节电率不是最正确状态;
而电网电压低时，可能显现欠压现象，造成灯具无法正常点亮，反而降低灯具寿命，这是这类调控装置存在的最大安全缺陷。
当用电高峰时，电压过低，电气设备也无法正常运行。
2）接触器型降压器
这类调控装置为了能做到额定电压正常启动，并在过电压和欠电压时跳到旁路（设备的安全爱护），一样都用的差不多上交流接触器来进行切换，这是最简单和常用的方法。
然而，假如用接触器作为节电产品的电压调整装置的话，其安全性、可靠性和无故障工作寿命都不能保证，存在安全隐患，缘故如下:
a.交流接触器的工作原理是用电磁线圈吸合、断开，来操纵触头常开或是常闭，属机械移动部件，只适用于不经常动作的开关场合，如灯具、电器的开起和关断，切换次数是有限的，不适用于频繁切换的场合。
b.交流接触器在切换动作时，是机械的吸合和断开，因此会有短暂的10~20ms的断电，我们称之为〝闪断〞，如此的断电会导致HID灯（高压气体放电灯，如高压钠灯、金卤灯、高压汞灯等）熄灭。
这种灯的特性决定，在熄灭以后，必须等到灯管冷却，蒸气压下降后才能再点亮，一样需要5~10min左右，在使用中，这将是个严峻故障。
依照以上缘故，交流接触器是不能用来操纵照明调控装置进行频繁切换的。
因此，生产和销售此类节电产品的厂家，一样做不到实时稳固电压、多时段调控等功能，这也确实是这类节电产品的缺点所在。
从这两类节电产品来看，它们各有优缺点，之因此不能得到大量使用，是因为其本身都存在技术缺陷，可控硅（相控）型优点是，可实时精确操纵输出电压，满足照明用电的最正确值，缺陷是电压无法实现正弦波输出，有谐波污染。
而自祸降压型的优点正好是能做到电压正弦波输出，却不能实现电压的自动精确操纵，只能固定降电压，不能升压和稳压，假如能将两者优势结合互补，去除缺陷，确实是相对比较理想的照明节能产品了。
智能照明调控装置工作原理，采纳微电脑操纵系统，实时采集输出、输入电压信号与最正确照明电压比较，通过运算进行自动调剂，从而保证输出最正确的照明系统工作电压。
智能照明调控装置在结合前两类节能产品的优点的基础上，克服了其中存在的缺陷，具体优点表达在以下四个方面:
（1）优化电力质量，节约照明用电
针对电网电压偏高和波动等现象，调控装置可依照用户现场实际需求，实时在线调控输出最正确照明工作电压，并能将其稳固在±
2%以内，有效提高电力质量，从而达到节电10%~40%的成效。
同时能够依照用户实际的照明需求，调控装置还可通过程序进行多时段节能电压设置，从而满足用户不同光源、不同时刻的需求，实现最正确照明状态和最大节电率。
（2）有效爱护电光源，延长其使用寿命
软启动、慢斜坡
阻碍电光源寿命的一个重要因素是，启动和运行时电流和电压对光源的冲击。
为了有效的降低电流冲击和提高灯的寿命，在国外高档灯具产品中，要求灯具有软启动功能。
智能调控装置能够实现灯具的软启动和慢斜坡操纵过程。
灯具在启动时，采纳低压软启动，充分预热。
该过程可减少40%的启动电流冲击，有效提高光源寿命。
在调压、稳压的过程中，智能调控装置采纳慢斜坡方式，让电压在设定时刻内缓慢过渡，保证光源不受电压、电流波动的冲击，从而降低电光源损坏，延长使用寿命。
实时稳压、控压
在电压波动专门大的地点，如电气设备比较多的厂区，一分钟内的电压波动达到±
15%；
路灯后半夜的供电电压也会达到250V。
智能调控装置高稳固的最正确照明电压，能够延长电光源寿命2~4倍，减少照明运行、爱护成本30%~50%。
（3）智能照明调控
为了满足不同用户对比明灯具操纵的需要，智能调控装置有三种运行模式可供选用:
端子操纵节能运行模式
时刻操纵节能运行模式
通讯操纵节能运行模式
可按现场实际情形，通过天文钟、智能探头或内部编程、远程运算机遥控，实现时控、光控、程控等多种智能化操纵。
并可依照不同时段、不同灯具、不同亮度要求，每相独立调剂，承诺100%不平稳。
（4）适用性、可靠性
调控装置每相可独立调剂，可操作性强，能够承担三相100%的不平稳负载，且保证单相的故障绝不阻碍其它两相的正常运行。
同一个装置能够带不同类型光源负载，还能够独立调剂每相的输出电压。
这种节能方式的提出，与传统的路灯节能方法相比较具有本质上的突破，其综合性能如表1一1所示。
表1一1几种路灯节能方式比较
路灯节能方法法
常用操纵
节能方法
光源节能方法
智能路灯节能
操纵方法法
启动方法
一样启动
软启动
光源选择
常用光源
节能光源
操纵方式
简单操纵
智能操纵
能量损耗
较小
最小
可靠性
低
较低
最低
使用寿命
短
较短
长
启动电流
大
环境要求
无污染
有一定污染
光源更换周期
较长
成本
适中
电网谐波
小
负载容量
较大
节能成效
较好
好
由上表可知，智能路灯节能操纵系统与目前市场上常用的操纵节能方法、光源节能方法相比较，具有明显的技术优势，从产品的成本和其消耗使用效率上来看也具有较强的价格优势。
因此，综合来讲，智能路灯节能操纵系统在路灯照明节能领域应该专门有前途的产品。
现代住宅小区的照明设计已不单是小区道路的照明设计，往往还包括一些泛光照明设计。
照明设计分为两大类：
道路照明和环境照明。
其中为主体的的道路照明一样要求工作面上有充分的亮度、平均、无眩光、照明器布置与周围和谐、光源显色性好等等；
环境照明那么不同，要紧涉及照明心理学，一样要依照景观专业的需要设计被照耀物的明暗，明暗对比是营造气氛的一种有效手段。
亮度要有差异，不可均一，能够利用小面积眩光来制造魅力感，也能够利用专门色彩进行色彩照明。
讲通俗一点，一样道路照明要求亮度平均，而环境照明那么要求亮暗区分明显，一样一个小区都有一、二处亮点，当亮点的亮度为一般区域亮度的三倍左右时能够制造最正确的成效。
然而在处理住宅小区环境照明时应牢牢记住住宅小区道路照明的终极目标时让业主觉得本小区寂静、舒服。
住宅小区的照明只宜在主入口或公共区域设置，防止光污染的产生。
大型小区道路的特点时分叉多、路型复杂，因此要求道路照明要有较好的视觉指导作用。
在比较窄的道路上采纳单侧布灯的方式，该种布灯的优点是诱导性好，造价较低，缺点是不设灯的一侧路面亮度低于设灯的一侧，明暗过于明显。
在比较宽的道路上能够采纳之字型交替排列的布灯方式，该种布灯的优点时亮度平均，专门是恶劣天气时所提供的照明条件比单侧布灯好得多，缺点是诱导性差。
为了幸免小区道路照明给居民内环境引起不良的阻碍，要合理地选择灯位。
灯具及光源的选择是室外照明的关键。
庭院灯外观好而且形式多样，能专门好地与小区建筑风格统一，因此道路照明灯具一样采纳庭院灯，灯高操纵在2.5~4m之间。
庭院灯不但夜晚能专门好地保证照明成效，白天也能为小区营造文雅的环境气氛。
其材料可选用钢管、铸铝、不锈钢等。
为了防止飞虫等小生物进入灯具，灯具的防护等级不低于IP55。
由于小区〔主干道、主入口、公共生活区除外〕要求环境寂静而冷色光源更易给人静的感受，因此住宅小区中室外照明中普遍采纳高压钠灯及金属卤化物灯。
此类光源的优点是显色性好、光效高、使用寿命长，且满足了节能要求。
大型住宅小区内庭院灯数较多，从一个供配点供电往往馈出管线过多，同时供电半径过大，引起末端电压过大，假如仅靠增加线径来解决电压缺失过大那个问题会大大的增加投资，给甲方带来不必要的经济负担。
因此能够考虑分区供电的方式，既能解决电压缺失过大的问题，又能减少馈出的管线根数，使配电系统更加简单，有利于今后管线的爱护，各配电点经操纵电缆直截了当联接到小区路灯操纵室，有条件的能够配备照明操纵系统。
小区主干道照明、支路照明、绿化景观照明可采纳单独回路供电，如此就能够依照不同的需要，对主干道上和部分路灯及绿化景观内的路灯实行单独操纵，既节约电能，又满足不同节目亮灯的需求。
综上所述，在现在住宅小区的照明系统中，对路灯的操纵使我们智能照明系统的核心，把握了路灯节能操纵系统，就差不多解决了智能照明系统，因此在下面本文着重介绍只能路灯操纵器。
目前，常用调光方法有:
（1）可变电阻调光法;
（2）调压器调光法;
（3）脉冲占空比调光法;
（4）脉冲调频调光法;
（5）调剂高频逆变器供电电压调剂法等。
调光按照使用的操纵方法能够分为模拟调光（模拟1~10V调光）与数字调光（数控调光）两大类。
操纵范畴大小的实现方法又能够分为现场总线操纵和运算机网络调光操纵两大类。
照明操纵系统能够分为以下几类:
l点灯操纵型2.区域操纵型3.网络操纵型.4.节能操纵型.目前，路灯系统一样采纳钠灯、水银灯、金卤灯等灯具。
模拟调光和数字调光的镇流器工作原理图如图3—1和3—2所示:
3—1模拟调光电子镇流器工作原理图
早期的灯光操纵使用0-10V的模拟量来代表亮度0%~100%，而每一回路以一条信号线（共用公共线）来处理。
.而回路越多代表连线数越多，传送距离越远信号压降问题也就越严峻。
图2—2数控调光电子镇流器工作原理图
数控调光电子镇流器由IR21592可调光操纵集成电路和微处理集成电路等组成，能够接收人工指令，遥控指令以及由程序设定的定时，开关灯等操纵指令。
图3—3是本文提出的道路照明治理系统的组成示意图。
该系统由照明治理中心平台、照明区域操纵器和智能节点组成。
照明治理中心平台负责整个系统的集中治理，包括进行远程实时操纵、系统运行信息采集和监测。
照明区域操纵器负责所辖路段的智能化照明操纵、解析执行治理中心指令和采集上报运行数据。
智能节点负责单个路灯的操纵和状态检测。
照明区域操纵器和照明治理中心之间采纳GS树GPRS进行数据传输，智能节点和照明区域操纵器之间采纳电力线载波通信方式进行数据传输。
其系统结构图如图3—4所示虚框内的智能操纵系统是本论文研究的重点。
图3—4路灯节能系统结构框图
该节能方法是通过智能操纵器对功率单元进行操纵，进而操控可变电抗变换器来改变路灯的输出电压，通过改变路灯的光照来实现节能。
此方法利用了人眼在夜晚行进时对光照要求不敏锐的特点改变了路灯的端电压，在不同的时段依照实际要求获得相应的照度，实现路灯亮度的智能化调剂。
其功率单元原理图如以下图3—5所
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