智能路灯节能控制器的设计与应用Word文档格式.docx
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课题的题目:
1.1.2课题研究的背景
随着社会的发展，能源问题己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。
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。
而发电企业投资和建设需要一个较长的周期，快速的经济发展需要更多更充足的电力供应和消耗，电力的供求之间矛盾重重。
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!
1.1.3课题研究的目的及意义
路灯是我国经济发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，降低生产安装成本，有助于我国经济的快速发展。
本文研究的智能路灯节能控制系统是通过配套的功率变换组件，可在路灯的启停和运行中，有效的调节路灯的端电压，控制路灯的照明亮度，从而改变了路灯在不同时段的耗电量，改善了功率因素，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20年来，美国和日本照明节能集中在使用紧凑型荧光灯（CFL）和荧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%。
而两个国家在销售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。
国外照明节能技术的发展具有以下特点.
（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照明设备的功率因素。
1.2.2国内研究现状
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:
采用自祸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。
.针对于磁饱和电抗器来说，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，使荧光灯及气体灯小停闪动，减损灯具寿命及相关附件的使用寿命，降低照明质晕，不绿色不环保，国家相关规定已明令禁止使用这种无功补偿技术设备。
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。
1.3论文的主要研究内容
本文结合国内外最新研究成果，比较几种常用的路灯节能控制方法。
讨论了基于可变电抗技术的功率单元的结构和系统构建。
详细描述了路灯智能控制系统的硬件结构、电路设计，并应用模糊控制算法进行了控制算法设计，最后对系统进行了仿真和调试，并对试验结构进行了分析。
论文研究的主要内容:
（1）基于可变电抗技术的功率单兀系统结构设计;
（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。
2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
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:
根据开关灯时间表由值班人员负责手动进行开/关灯操作。
时控节能方式:
以时间为唯一的开关灯依据，不论气象条件如何变化，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:
按光照度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/关灯控制由各变压器（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。
由于不能严格按照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，及时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，日出时间推迟、日落时间提前;
从冬至到夏至，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。
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。
2.1.2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。
其系统结构图如图2-1所示。
图2-1路灯节能系统结构图
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:
将可变电抗变换器的一次绕组直接与路灯负载相接，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，达到改变可变电抗变换器一次阻抗的目的，进而改变路灯的输入电压，使路灯既可实现软起动又可以对其进行调节.
其工作过程为:
首先，通过对光照信号的采集，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变换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儿，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，从物资的损耗上节约其成本，以达到更高效率的节约。
智能控制器作为整套系统的核心部分其控制方式选取的为模糊控制算法，采集的外部信号通过放大、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与声音信号两种，其中光信号用来控制整套系统的启停，而声音信号则用来实时反映外部环境的要求，通过模糊控制的方式将采集的数据进行处理比对，选取最优化的控制信号加以输出。
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功效两方面来说都具有十分重要的意义。
所以无论在用电的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）软起动功能:
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，而且该起动电流还会引起电网电压急剧下降，电压频率也会发生变化，这会破坏同电网其它设备的正常运行，因此使用软启动功能来点亮路灯可以防止起动时大电流对照明设备的不良影响.
（3）自动启停:
路灯作为我们日常生活必被的公共设施，它的启停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。
除上述基本原则外，本文拟采用的路灯节能控制方案的特点也是其关键之处在于添加了智能调压控制部分，基于模糊控制算法的该智能控制器可根据交通道路上车人流量的大小（子夜后）自动调整路灯供电电量的高低。
通过控制路灯输出电压大小，降低其在人车流量稀少时的照度（该照度的降低不会影响此时段人的正常通行），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2-1所示。
表2-1几种路灯节能方式比较
路灯节能方法
常用控制节能方法
光源节能方法
智能路灯节能控制方法
启动方法
一般启动
软启动
光源选择
常用光源
节能光源
控制方式
简单控制
智能控制
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
由上表可知，智能路灯节能控制系统与目前市场上常用的控制节能方法、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。
所以，综合来讲，智能路灯节能控制系统在路灯照明节能领域应该很有前途的产品。
2.3智能路灯节能控制系统结构设计
本系统的主要结构由可变电抗变换器、功率单元、智能控制器组成。
其中可变电抗变换器与功率单元共同组成本文所提出可变电抗器，将可变电抗变换器的一次线圈与路灯负载串接，构成一次阻抗串联电路，其二次线圈与功率变换单元构成二次阻抗变换电路，通过改变二次阻抗来改变一次阻抗与负载阻抗的比例关系，实现负载调功，从而改变路灯端电压。
功率变换单元由电力电子功率器件、触发控制器、信号检测与处理器等组成。
通过对晶闸管控制角的调整来控制可变电抗变换器二次线圈电流的大小，进而使得路灯的端电压发生变化来改变路灯的照明亮度，它的基本工作原理如图2-3所示。
图2-3功率单元工作原理图
图中，触发装置收到来自于智能控制器的控制信号，触发板输出脉冲信号则使功率变换单元按要求改变晶闸管的导通情况，晶闸管的导通情况不同直接决定了可变电抗变换器二次线圈的电压或电流发生变化，由于电磁感应，使电抗器一次侧电抗值发生变化（即可变电抗变换器），进而改变路灯的输入电压，使路灯不仅可以实现软起动，也可以按要求进行自行调压控制其照度。
智能控制器通过对采集信号的处理，输出实时需要的控制信号。
与控制器相连的传感器有光学传感器和声学传感器两种，光线的明暗经过光学传感器转变成模拟信号，智能控制器通过对该信号的处理输出对路灯是否开启或关断的控制决策:
而现场的声音情况通过声学传感器的采集和处理也得到相应的模拟信号，将此信号输入至智能控制器中，山智能控制器依据模糊控制算法来调整路灯的输入电压，将路灯的照度与实时街道上人车流量相对应，使其亮度效果达到最佳.智能控制器控制流程图如图2-4所示。
图2-4智能控制器控制流程图
3硬件设计
3.1硬件结构设计
智能路灯节能控制系统的硬件部分由智能控制器和功率变换单元组成。
其中功率变换单元由电力电子功率器件、触发控制器、信号检测与处理器等组成。
智能控制系统硬件主要由声学传感器、光学传感器、信号变送器、微处理器、AM和D/A转换器等组成。
硬件系统的工作原理为:
光信号通过光电传感器转变成模拟信号，经变送器输入至A/D转换器，实现系统的开启和关闭。
噪声信号通过噪声传感器转变成电信号，通过模糊控制算法实时处理人车流量信息，动态调节灯光强弱度，实现节能控制。
其系统框图如图3-1所示。
图3-1硬件结构图
3.2光学信号的采集与检测设计
3.2.1光源检测原理
光源检测其实就是利用了一个光电式传感器。
所谓光电式传感器是能将光能转换为电能的一种器件，简称光电器件。
它的物理基础是光电效应，而光电效应是指物体内部的导电电子因吸收辐射而发生运动状态的改变，从而导致电学特性改变的现象。
它在现代测量与控制系统中，应用非常广泛。
光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件3部分组成。
其基本原理是以光电效应为基础，把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号.光电效应是指用光照射某一物体，可以看作是一连串带有一定能量为的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光界射的物体产生相应的电效应·
通常把光电效应
分为3类:
（1）在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，如光电管、光电倍增管等;
（2）在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应，如光敏电阻、光敏晶体管等;
（3）在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，如光电池等。
3.2.2检测装置所需器件及选型
在本系统的设计过程中，光源检测用于整套系统的开启和关闭，因此只需要有内光电效应的光敏器件即可。
光敏器件包括光敏电阻、光敏二极管及光敏三极管等。
光敏电阻的工作原理是用光电导体制成的光电器件又称光导管，它是基于半导体光电效应工作的。
光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时可加直流偏压，也可以加交流电压。
当无光时，光敏电阻值（暗电阻）很大，
电路中电流很小。
当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮阻值）急剧减少，因此电路中电流迅速增加.
光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，其符号如图3-3所示，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小，称为光敏二极管的暗电流;
当有光照时，载流子被激发，产生电子空穴，称为光电载流子。
在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该电流称为光电流。
光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。
图3-3光敏二极管
光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能，其符号如图3-4所示。
光敏三极管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极—发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。
为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光卞要被基区吸收。
工作时集电结反偏，发射结正偏。
比一般三极管的穿透电流还小:
当有光照时，激发大量的电子空穴对，使得基极产生的电流Ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。
图3-4光敏三极管
由于本系统涉及的光源采集为系统启停提供控制信息，所以采用光敏电阻即可满足系统需求。
光敏电阻和其它半导体光电器件相比有以下特点:
（1）光谱响应范围相当宽.根据光电导材料的不同，光谱响应可从紫外光、可见光、近红外扩展到远红外，尤其对红光和红外辐射有较高的响应度.
（2）工作电流大，可达数毫安。
（3）所测光强范围宽。
既可测强光也可测弱光。
（4）灵敏度高。
光导电增益大于to
图3-5所示是利用光敏电阻控制的路灯自动启停电路。
该电路由两部分组成。
电阻R、电容C和二极管D组成半波整流电路。
CdS光敏电阻和J组成光控继电器。
路灯接在继电器常闭触点上，光控继电器控制灯的1从燃和熄灭。
工作原理是:
晚上光线很暗，CdS光敏电阻阻值很大，流过J的电流很小，使继电器J不动作，路灯接通电源点亮。
早上，天渐渐变亮，即照度逐渐增大，CdS光敏电阻受光照后，阻值变小，流过J的电流逐渐增大，当照度达到一定值时，流过继电器的电流足以使i动作，使其闭合，其常闭触点断开，路灯熄灭。
图3-5光敏电阻控制的路灯自动点电路
3.3声学信号的采集与棒测设计
3.3.1声学检测原理
声音测量结构如图3-6所示。
其中，外部声音信号传播到传声器，并通过运算放大器将输入的微弱音频信号转换为一信号电平（电压信号），此电压信号则由A/D转换器转换成数字信号发送至单片机，单片机根据输入的数字信号进行处理，并经量纲转换出所对应的DB值，最后在单片机控制下由LCD实时显示出来。
图3-6声音检测结构框图
3.3.2检测装置所需器件及选型
本系统选用传声器作为路面声音信号的采集装置。
传声器microphone俗称话筒.是将声源通过空气振动产生的声波转换成电信号的换能设备，是一种重要的电声器件。
传声器作为音频系统的第一环节，应具备结构坚固、性能稳定的品质，能满足在特定使用条件下的基本要求。
其基本技术特性为:
（1）传声器的灵敏度
传声器的灵敏度表示传声器的声一电转换效率，当传声器的振膜受到声压的作用时，在负载上所产生的电动势或电压的数值，称为传声器的灵敏度。
视负载情况不同，分为开路（空载）灵敏度和带载灵敏度。
（2）传声器的响应频率
传声器的频率响应指传声器灵敏度依从频率的关系，简称频响，灵敏度与频率之间的关系曲线叫频响曲线。
在给定的频率范围内，频响的不均匀度以dB来度量。
响特性是评价传声器音质的最重要的标准，如果频响曲线从低端到高端都很平坦，则说明它能真实地再现原声，而事实上即使是最高级的传声器也存在高频提升、低频下降的情况。
因此，在一定频带宽度内频响的不均匀度越小，其有效频率范围就越窄。
为获得良好的音质，要求传声器的频响应具有宽而平直特性。
（3）传声器的指向性
传声器的指向性是传声器的灵敏度随声波入射方向变化的特性，又称为方向性。
不同的声波入射角所得入射角频率曲线，就是传声器的指向频响曲线。
通常以传声器与声源同声轴0。
（正向）900（侧向）和180。
（背向）这二种角度来测定其频响，从中确定其频率特性.正背相差越大，指向性就越强。
传声器的输出阻抗指传声器的交流内阻，又称源阻抗.通常的测定方法是:
在声频为1000Hz、声压为1Pa的声场中，调节传声器输出端可变电阻的阻值，使传声器的输出电压值为不接可变电阻时开路输出电压值的1/2，此时电阻的阻值即为传声器的输出阻抗。
（4）传声器的最大声压极
在强声压作用下，传声器输出产生非线性谐波失真达到0.5%一1%时的声压级称为最大声压级。
它是衡量传声器性能优劣的一项重要指标。
传声器的种类很多，按换能原理可分为电动式、电容式、电磁式、压电式、半导体式传声器;
按接收声波的方向性可分为无指向性和有方向性两种，有方向性传声器包括心形指向性、强指向、双指向性等;
按用途可分为立体声、近讲、无线传声器等。
（1）动圈传声器
动圈传声器是一种最常用的传声器。
它的结构主要由振动膜片、音圈、永义磁铁和升压变压器等组成.它的工作原理是当人对着话筒讲话时，膜片就随着声音前后颤动，从而带动音圈在磁场中作切割磁力线的运动。
根据电磁感应原理，在线圈两端就会产生感应音频电动势，从而完成了声电转换。
为了提高传声器的输出感应电动势和阻抗，还需装置一只升压变压器。
动圈传声器结构简单、稳定靠、使用方便、固有噪声小，被广泛用于语言广播和扩声系统中。
但缺点是灵敏度较低、频率范围窄。
近几年己有专用动圈传声器，其特性和技术指标都较好。
（2）电容传声器
电容传声
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