智能节能路灯控制系统的硬件设计Word下载.docx
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silluminationandbrightness,whenchangedthestreetlightisagaindifferenttheendpowerconsumption,improvedthepowerfactor,achievedsavedtheelectricalenergygoal.
Thisarticleunifiesthedomesticandforeignnewestresearchresults,comparedwithcentralizedcommonlyusedstreetlightenergyconservationcontrolmethod.Discussedhasgivenvariablereactancetechnologythepowerunitstructureandthesystemconstruction.Describedthestreetlightintelligentcontrolsystem'
shardwarearchitecture,thecircuitdesignindetail,finallyhascarriedonthesimulationandthedebuggingtothesystem,andhascarriedontheanalysistotheexperimentstructure.
Keywords illuminationelectricitysaving;
Monolithicintegratedcircuit;
intelligentcontrol
摘要……
Abstract
第1章绪论……………………………………………………………………1
1.1课题概述…………………………………………………………………1
1.2课题的国内外研究现状…………………………………………………2
1.2.1国外研究现状……………………………………………………….2
1.3论文的主要研究内容……………………………………………………3
第2章智能路灯节能控制系统方案设计…………………………………….4
2.1智能路灯节能控制系统的构思…………………………………………4
2.1.1传统节能方法……………………………………………………….4
2.1.2具有智能控制的节能方法………………………………………….4
2.2智能路灯节能控制系统方案设计………………………………………5
2.3智能路灯节能控制系统结构设计………………………………………7
2.4本章小结………………………………………………………………....7
第3章检测与采集设备设计…………………………………………………10
3.1硬件结构设计…………………………………………………………...10
3.2光学信号的采集与检测设计…………………………………………...11
3.2.1光源检测原理………………………………………………………11
3.2.2检测装置所需器件及选型…………………………………………11
3.3声学信号的采集与检测设计…………………………………………...13
3.3.1声学检测原理………………………………………………………13
3.4功率变换单元与触发控制系统设计……………………………………16
3.5本章小结………………………………………………………………...19
第4章智能控制器硬件设计…………………………………………………21
4.1智能控制器硬件设计……………………………………………………21
4.1.180C51单片机的基本结构………………………………………….21
4.1.280C51的应用模式…………………………………………………22
4.1.380C51的内部结构………………………………………………….22
4.1.480C51的并行口结构和操作………………………………………23
4.1.5并行口的负载能力…………………………………………………24
4.2模/数转换器的设计…………………………………………………….24
4.2.1逐次逼近式ADC的转换原理……………………………………..24
4.2.2双积分式ADC的转换原理………………………………………..25
4.2.3A/D转换器的主要技术指标………………………………………..25
4.2.4ADC0809芯片及其与单片机的接口………………………………25
4.3数/模转换器的设计…………………………………………………….27
4.3.1D/A转换器的原理………………………………………………….28
4.3.2D/A转换器的主要性能指标……………………………………….28
4.3.3DAC0832芯片及其与单片机接口…………………………………28
4.4开关量接口……………………………………………………………...30
4.4.1开关量输入接口……………………………………………………30
4.4.2开关量输出接口……………………………………………………30
4.5显示器及其接口………………………………………………………...31
4.6本章小结………………………………………………………………...32
第5章系统可靠性的提高……………………………………………………33
5.1电源干扰及其抑制……………………………………………………...33
5.1.1交流电源的干扰及其抑制方法……………………………………33
5.1.2直流电源抗干扰措施………………………………………………33
5.2地线干扰及其抑制……………………………………………………...33
5.3其他提高系统可靠性的方法…………………………………………...34
5.4本章小结………………………………………………………………...34
第6章系统的建摸与仿真……………………………………………………35
6.1可变电抗变换器建模与仿真…………………………………………...35
6.2智能路灯节能控制系统的等效模型仿真……………………………...36
6.3本章小结………………………………………………………………...39
结论……………………………………………………………………………..40
致谢……………………………………………………………………………..42
参考文献………………………………………………………………………..43
附录……………………………………………………………………………..45
第1章绪论
1.1课题概述
1.1.1课题研究的背景
随着社会的发展，能源问题已经成为全球最为关注的问题之一，能源危机已经成为全人类所面临的主要危机，特别是我国的电力能源近年来显得十分吃紧，电力紧张阻碍着我们的日常生产、生活，甚至严重影响到我国经济的发展与社会文明的进步。
而在我国的整体用电中，照明用电又占有很大的比例。
城市路灯是现代城市建设中重要的组成部分，它服务于交通安全和人们的生产、生活，美化了城市容貌，为创建良好的投资环境起着举足轻重的作用。
随着我国经济的发展，照明路灯的数量越来越多，其用电量占城市的总用电量的比例也在不断增加。
据统计显示，我国在路灯照明方面每年消耗超过1000亿元的电费，其发展速度十分惊人。
在城市亮化、美化大潮的趋势下，城市景观照明耗电也吞噬着我们的电力资源。
电力供应缺口很难在短期内得以缓解，发展与节约并重，已经成为经济建设的必然选择。
此时，灯光照明行业节电也成为了我们的必然选择！
另一方面，在后半夜因行人稀少，而应降低路灯的照度，以避免光源污染，影响居民的晚间休息。
但是，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。
这不仅造成能源浪费，还大大影响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，在正常情况下至少可用3年，但是由于超压使用，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，造成维护和材料的浪费极大。
较高的电压不仅不能让负载设备更有效的工作，而且会引起发热和过早损坏，还会产生不必要的电费开支。
基于以上原因，很有必要适当降低用电设备的电压。
此外，在电力供电输送过程中，为了避免送电过程中供电线路的损耗，要以较高的电压传送以确保用电设备达到额定电压。
因此，路灯系统实际的承受电压通常会高于本身的额定电压。
在电网电压高于设备额定电压时，电源向设备供应的电能完全消耗在设备上。
设备所需要的能量只是电源供应的电能的一部分，另一部分则以发热等形式消耗掉了，这部分不仅造成浪费，也减损了设备的使用寿命。
一般情况下，电网电压高于设备额定电压，如果不装路灯节电器，则电源向设备供应的电能完全消耗在设备上。
设备真正发挥作用的能量只有有效电能，另一部分无效电能则以发热等形式消耗掉，依发热等形式消耗的能量减损设备寿命，同时浪费用户金钱[1][2]。
1.1.2课题研究的目的及意义
正如前文所述，路灯照明建设不仅仅存在电能消耗过渡的问题，路灯直接全压启动时所产生的大电流也会对路灯、电网机电网中的其它设备都会造成影响，因此，路灯的节能控制技术已成为热门的研究课题。
路灯是我国经济发展和国际建设必须的用电设备，它在我国的整体用电量中所占比例巨大，如果通过节能装置对其进行有效控制，就能够降低电力损耗，达到节约能源，降低生产成本，有利于我国经济的快速发展[3][4]。
本文研究的智能路灯节能控制系统是基于单片机的智能控制系统，通过配套的功率变换组件，可在路灯的启动停止和运行中，有效的调节路灯的端电压，控制路灯的照明和亮度，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。
1.2课题的国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
近年来，国际节电研究界提出了一种叫“在保证照明效果下点着灯节电”的新概念，这样的概念才是科学的，合理的，这是发达国家道路照明系统的重要设计思想[5]。
近20年来，美国和日本照明节能集中在使用紧凑型银光灯（CFL）和银光灯采用镇流器两个方面,两个国家中用新技术替换老产品的过程有点不同：
2001年美国销售的镇流器中电子的占53%，而日本只有36%。
二两个国家在销售CFL灯占白炽灯的比例中，美国只占3%，日本占了15%。
两个国家的国家、省和地方都在立法，鼓励和普及活动这三方面做文章，旨在推动节能产品的广泛使用。
一个国家的民众、经济和能源情况均有所区别，所以在节能的措施上也有所差异。
电费的高低是决定能效因素的首要考虑内容。
日本电费在发达国家中最贵，约美国的2.5倍，因此，在日本推进节能工作即早又容易，只要提供相应产品的信息就可以使他们购置节能产品，当然像税收上的一些鼓励政策也会起点作用，但远没有电费价格的驱动力。
倘若有些消费者在推进采用节能产品是不那么积极的话，那么使用立法和宣传活动就能鼓励消费者购买节能产品，这就取决于采用的方式方法了。
总之电费是起到推动该国家节能产品使用的有利杠杆。
国外照明节能技术的发展具有以下特点[6]：
（1）大力推动绿色照明，在光源的材料，使用规范上加以有效管理，出台了一系列的标准和管理要求，将照明节能推广到全民范围；
（2）不断提高功率器件性能要求，主要体现在镇流装置上技术提高。
通过对镇流器技术改进来提高设备的功率因素；
（3）积极推广节能奖励政策，鼓励民众节能，节电，建立了完善有效的奖励机制。
1.2.2国内研究的现状
目前我国市场上有多种路灯节能控制产品，能达到一定的节能效果，但就功能和效果上还不能尽如人意，主要有以下几类情况：
采用自耦变压器及磁饱和电抗器的降压技术。
其不足是由于反应速度较慢，用电高峰时电压降到非稳定区，容易造成灯光闪灭，不能自动调节，同时如果电压突然升高，则不能避免灯具要受到市电的瞬时高压冲击，对灯具的保护能力较差；
相对来说稳压功能较差[7][8]。
针对磁饱和电抗器来说，除了上述不足外，其效率也普遍偏低。
采用电子器件构成的可控硅式设备。
该设备主要采取简单的相控技术，不足之处是元件易发热烧坏，由于采用相控技术产生谐波污染电网，使荧光灯及气体灯不停闪动，减损灯具寿命及相关附件的使用寿命，降低照明质量，既不体现绿色也不体现环保，国家相关规定已明令禁止使用这种无功率补偿技术设备[9]。
以系统节电滤波形式，主要是净化电网，补充无功功率，补偿电网，而对于有功电度表计量系统，缺少实际节电效果。
一个较为理想的智能路灯节能控制系统一般应具备如下性能：
（1）软启动软过渡性能。
稳定的高质量软启动功能大大减缓灯具启动过程中冷启动大电流对光源的冲击，从而延长光源的使用寿命[10]。
（2）稳压性能。
避免灯具由于上述原因产生的高压冲击或灯具熄火，同时不产生高次谐波，不污染电网[11]。
（3）降压和补压性能。
通常条件下，为了节约能源，我们会采取降压的方式来达到节能；
补压功能则可以使得当路灯电压低于设定值时，微处理器迅速反应给予补偿，避免了灭灯现象。
（4）绿色环保性能。
智能路灯节能控制系统自身不应产生谐波畸变，并对路灯电器产生的谐波具有抑制功能，不对电网造成污染；
同时能避免闪烁、炫光等光污染对人类的危害[12][13]。
1.3论文研究内容
详细描述了路灯智能控制系统的硬件结构、电路设计，最后对系统进行了仿真，并对实验结构进行了分析。
论文研究的主要内容：
（1）基于可变电抗技术的功率单元系统结构设计；
（2）路灯节能控制系统硬件设计；
（3）路灯节能控制系统的仿真和试验研究。
第2章智能路灯节能控制系统方案设计
2.1智能路灯节能控制系统的构思
2.1.1传统节能方法
（1）控制节能方法
长期以来，国内大多数城市路灯照明控制广泛采用传统控制方式，其节能方法主要有以下几种：
人工控制节能方式：
根据开关等时间表有值班人员手动进行开/关灯操作。
时控节能方式：
以时间为唯一的开关依据，不论强项条件如何变化，均只能在规定时刻开关灯，随季节变化人工干预调整开关时间。
光控节能方式：
按光照的差异来控制路灯开关。
这些节能方式存在着较为明显的缺憾，国内大多数城市路灯的开/关灯控制有个变压器（配电箱）分散控制，尽管城市路灯运行有专门控制线，只有控制功能而无法实现监测。
由于不能严格按室外自然光照度进行控制，不仅实时性差，故障率高，而且浪费严重。
另外，传统控制方式要求人不离岗，即使控制灯光的开启和关闭，由于人工控制误差而造成电能浪费很是惊人。
比如采用定时器控制方式时，由于一年四季的时差，要经常对定时器进行人工调整，从夏至到冬至，日出时间提前、日落时间推迟，据此天气现象，要求路灯开关时间根据日出日落时间进行调整[14]。
这样不仅消耗大量人力资源，还可能由于调整不及时而造成浪费。
（2）光源节能方法
近年来我国节能点光源产量发展迅猛，各类节能卤钨灯、荧光灯和高强度气体放电灯年产量已达4.5亿只，节能光源已经开始大量代替原有的路灯光源。
使用节能灯具可以在获得相同照度的情况下大幅降低能耗，同时节能光源具有较长的使用寿命，可以节省大量的灯具成本消耗。
但光源节能方法也存在着许多不足：
首先，我国还没有建立统一的、指令性的照明节能法规，节能光源标准不一；
其次，节能光源与环境保护存在一定矛盾，主要是汞污染的防治问题还有待解决[15]；
同时在产品结构上，节能性产品所占比例仍然很低，仅占光源总产量的12%左右，其质量水平和生产技术装备水平与国际先进水平还有一定差距。
2.1.2具有智能控制的节能方法
该节能方法是通过智能控制器对功率单元进行控制，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感的特点改变了路灯的端电压，在不同的时段根据实际要求获得相应的照度，实现路灯亮度的智能化调节。
其基本思想是：
将可变电抗器的一次绕组直接与路灯负载相连接，在变换器中增加二次线圈，将二次线圈与功率变换器以及智能控制器连接。
通过智能控制器与电力电子功率变换单元来控制可变电抗器的二次绕组，达到改变了变电抗变换器一次阻抗的目的，进而改变路灯的输入电压，使路灯既可实现软启动又可以对其进行调节。
其工作过程为：
首先，通过光照信号的采集，由智能控制器判断路灯照明系统是否需要开启，如需要运行则由功率单元来完成路灯的软启动（一般情况下是由数十、甚至上百盏路灯组成一条街道的照明系统）。
路灯打开后，根据路面安装的声学传感器采集到的路面车流量与行人流量所发出的声信号，由智能控制器来发出控制信息，通过功率变换单元来控制可变电抗器来决定路灯输出电压的大小。
如果实时车辆与行人的流量较大，即需要路灯的照度较高，系统根据需求自动调高路灯的输出电压；
如果实时车辆与行人的流量较小，即需要路灯的照度不需要很高，系统就会自动降低路灯的输出电压。
子夜时分，街道上车辆与行人寥寥无几，这时路灯的照度可以调低，满足最低限度的照明即可，而这一时段通常为4-5个小时，在这段时间内合理的控制路灯的照度，减少其功率消耗，不仅可以节约大量的电能，同时也能提高灯具的利用率，增长其使用寿命，从物资的消耗上节约其成本，以达到更高效率的节约[16]。
智能控制器作为整套系统的核心部分，采集的信号通过放大、转换后输入到控制器的微处理器中，这里我们采集的信号为光信号和声音信号两种，其中光信号用来控制整套系统的启动和停止，而声音信号则用来实时反映外部环境的要求。
2.2智能路灯节能控制系统方案设计
本文设计的路灯节能控制系统所遵循的基本原则有：
（1）稳压控制：
任何功率电器在使用过程中都应处于其稳定的电压范围内，作为与我们日常生活密切相关的路灯照明设备就更应该稳压工作，保持路灯电压平稳从节能和供销两方面来说都具有十分重要的意义[17]。
所以无论在用电高峰还是低谷始终将供电电压稳定在规定范围内是路灯控制首要解决的问题。
（2）软启动功能：
由于路灯并联后属于大功率电器，而现在所使用的启动方式均为直接启动，这种启动方式会造成启动电流过大，对灯具的耐用性有一定的损害，而且该启动电流会引起电网电压急剧下降，电压频率也会发生变化，这会破坏同电网其他设备的正常运行，因此使用软启动功能来点亮路灯可以防止启动时大电流对照明设备的不良影响[18][19]。
（3）自动起停：
路灯作为我们日常生活必备的公共设施，它的启动和停止跟道路上行人与车辆的需求有着直接的关系，只要是环境需要无论是在雷雨将至的暑天午后还是日常状况下的夜幕之时，它都会根据外部环境的明暗程度来自动判断系统是否需要开闭。
（4）具有较高的使用效率：
现代大功率器件的控制理论中所遵循的一条基本原则是使大功率器件在运行使用过程中尽量不受电网中谐波的影响，使其电压调节平稳，这样就可以大大提高负载的使用寿命。
因一条或多条街道上的路灯数量从几十盏到数百盏不等，并联后可视为大功率电器，所以使之具有较高的使用效率也是我们要考虑的重要因素之一。
除上述基本原则外，本文拟采用的路灯节能
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