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路灯控制系统设计毕业设计论文

毕业设计（论文）

题目：

路灯控制系统

摘要

公共照明系统广泛采用高压钠灯（highpressuresodiumlamp）或金属卤化物灯（metallichalidelamp），传统照明系统经常采用电感镇流器，照明灯具采用统一开关控制方案。

随着数字技术和网络技术的发展，公共照明数字化和网络化已经成为一种必然趋势。

节约能源、保证灯具寿命、提高照明管理水平、美化城市夜量和保证城市夜间出行安全等，已经成为对公共照明系统的一项基本要求。

本文将介绍基于镇流器的全数字公共照明系统。

该系统实现了远程单个路灯节点的任意监控，并重点介绍了系统的核心设备——组群控制器的作用、组成、工作原理是以及主要软件结构框图。

20XX年XX月

Abstract

Thepubliclightingsystemwidelyusesthehigh-pressuredsodiumlamporthemetalhalogenidelamp,thetraditionlightingsystemusestheinductanceballastfrequently,illuminatesthelampsandlanternstousetheunificationswitchcontrolplan.

Alongwiththedigitaltechnologyandthenetworkingdevelopment,thepubliclightingdigitizationandthenetworkalreadybecameoneinevitabletrend.Savestheenergy,theguaranteelampsandlanternslife,theenhancementilluminationmanagementlevel,beautifiesacitynightofquantityandguaranteedthecitygoesonajourneyatnightthesecurityandsoon,alreadybecametoapubliclightingsystembasicrequest.Thisarticlewillintroducebasedontheballastentiredigitalpubliclightingsystem.Thissystemindomestichasforthefirsttimerealizedthelong-distancesinglestreetlightnodewillfullymonitoring,andintroducedwithemphasisthesystemcoreequipment--groupgroupcontrolregulatorfunction,thecomposition,theprincipleofworkareaswellasthemainsoftwarearchitecturediagram.

一路灯控制的分类及特点------------------------------------------------1

三整体设计------------------------------------------------------------2

三镇流器--------------------------------------------------------------2

四组群控制件工作原理与系统组成---------------------------------------12

4.1组群控制件系统组成--------------------------------------------12

4.2GSM模块------------------------------------------------------13

4.3电力载波通信模块----------------------------------------------22

4.4双CPU通信方法与RS-485通信-----------------------------------24

4.5交流接触器控制与状态保持--------------------------------------26

4.6时钟与控制策略------------------------------------------------26

4.7软件的实现----------------------------------------------------27

五硬件设计------------------------------------------------------------29

5.1PIC16F877的特点----------------------------------------------29

5.2单片机及接口技术----------------------------------------------30

5.3DS1302的结构及工作原理---------------------------------------31

5.4MAX485--------------------------------------------------------34

结语-------------------------------------------------------------------35

致谢-------------------------------------------------------------------36

参考文献---------------------------------------------------------------37

前言

随着时代的发展，城市现代化建设步伐不断加快，对城市道路照明及城市亮化工程需求也更大，而能源的供需矛盾也越来越突出，节电节能、绿色照明的要求越来越迫切，越来越高。

现在再采用那些传统的手控、钟控城市照明系统的方法已不能满足要求。

如何充分利用高科技手段解决上述矛盾也就成为当前照明控制领域一个新的和紧要的课题。

城市道路照明自动化控制和智能化管理作为城市现代化的标志之一，它所带来的经济和社会效益是十分显著的，它的推广和实施也将是市政工程建设中的一项重要内容。

本文将介绍基于镇流器的全数字公共照明系统。

该系统实现了远程单个路灯节点的任意监控。

随着时代的发展，城市现代化建设步伐不断加快，对城市道路照明及城市亮化工程需求也更大，而能源的供需矛盾也越来越突出，节电节能、绿色照明的要求越来越迫切，越来越高。

现在再采用那些传统的手控、钟控城市照明系统的方法已不能满足要求。

如何充分利用高科技手段解决上述矛盾也就成为当前照明控制领域一个新的和紧要的课题。

城市道路照明自动化控制和智能化管理作为城市现代化的标志之一，它所带来的经济和社会效益是十分显著的，它的推广和实施也将是市政工程建设中的一项重要内容。

一路灯控制的分类及特点

（一）、路灯控制方法（技术）的分类：

目前，市场上普遍采用的路灯控制方法（技术）主要有以下三类：

1、人工干预控制；

2、时钟控制；

3、DDS独立控制技术；

（二）、各种周界防盗报警系统的技术特点

1、人工干预控制：

在道路照明设施建设之初，按照需要的照明方式施工建设以实现路灯的隔一亮一等特殊照明模式。

在需要开启/关闭路灯时派出人员操作控制开关来实现对路灯的控制。

优点：

具有一定的应变能力。

缺点：

管理难度大、安全系数低、工作量，不能检测整个线路路灯的工作状况。

2、时钟控制：

其原理是将原人工控制开关更换为时钟控制器，由此实现一般状况下的路灯自动控制。

优点：

一般状况下可免除人干预，工作量降低，成本较低；

缺点：

应变能力较差，如果将时钟控制器设置在每天19：

00开启次日08：

00关闭，则无论在任何季节以及任何气象条件与能见度的情况下都将死板的按照预定时间工作。

3、DDS独立控制技术：

其原理是在每个路灯的线路上加装控制检测器，并采用无线或有线的方式与控制主机相连再采用有线或无线的方式与控制系统连接，以此来实现对路灯的开关控制或定时开关控制。

并可实现预设的工作模式（如隔一亮一等），以及对路灯故障精确侦测并报告。

优点：

高程度自动化，高应变能力，提供多样的工作模式，并可检测路灯故障。

缺点：

造价高昂，施工难度大：

要在每盏路灯下安装独立的控制器施工难度可想而知，由此又使得工程造价过高。

本文将介绍基于镇流器的全数字公共照明系统。

该系统在国内首次实现了远程单个路灯节点的任意监控，并重点介绍了系统的核心设备——组群控制器的作用、组成、工作原理是以及主要软件结构框图。

二整体设计

在该系统中，每个路灯节点采用全数字化电子镇流器，可以实现0%、50%、80%、100%功率输出，可以随时发送路灯的电流、电压信息，并具有开路、断路和路灯老化报警功能。

每一个路灯节点内包含一个电力载波通信（PLC）模块，利用电力载波模块实现路灯节点之间以及路灯节点与组群控制器之间信息通信。

组群控制器采用双CPU结构，负责日常系统的正常运行控制，并可以随时响应上位管理计算机发出的指令。

组群控制器与照明管理计算机通过GSM/GPRS短信方式实现正常情况下的通信。

在组群控制器发生故障的情况下，照明管理计算机可以通过GSM/GPRS直接实现路灯线路的开关控制，实现系统安全双保险。

照明管理计算机采用地理信息系统（GIS）技术，实现图形化动态实时监控管理。

三镇流器

由于气体放电灯（如荧光灯、霓虹灯、卤素灯、金卤灯等）是一种负阻性电光源要使其正常稳定工作，需加一个限流装置。

这个限流装置叫做镇流器。

目前气体放电灯使用的镇流器有两种：

（1）电感式镇流器；

（2）高频交流电子镇流器。

由于电感式镇流器工作在市电频率，体积大、笨重，还需消耗大量铜和硅钢等金属材料，散热困难、效率低、有频闪，所以现在一些电光源界的科技工作者纷纷寻找新的镇流方法，而高频交流电子镇流器就是一种有效方法。

电子镇流采用高频开关变换电子线路的方法实现镇流，具有无频闪、效率高、体积小、重量轻、可调光，不使用大量铜材和硅钢材料的特点，所以自20世纪70年代以来，高频交流电子镇流器一问世，由于它的体积小、发光效率高（发光效率与工作频率关系曲线如图2所示）无频闪效应，适应供电电压范围宽、节能的一系列优点，受到了用户的欢迎。

据统计，世界上照明用电占了世界上产生的总电量的1/4，如仅将现用的200亿只灯泡中的50亿只换成节能的电子镇流灯泡，就可节省200GW的电能，从而少建几十个电站。

由于高频交流电子镇流器节能和巨大的市场潜力，进入20世纪90年代后，各种气体放电照明灯广泛采用高频电子镇流器，形成一个"绿色照明"的新兴产业。

"绿色照明"是90年代初国际上对节约电能、保护环境照明系统的形象说法。

美、英、法、日等主要发达国家和部分发展中国家先后制定了"绿色照明"的计划，并已经取得明显效果。

事实上，照明的质量和水平已成为衡量社会现代化的一个重要标志，成为人类社会可持续发展的一项重要标志。

目前，我国已成为照明器具的生产大国，现有照明器具生产企业1000家，电光源产品有60多个门类3500多个品种规格，灯具产品30多个门类500多个品种规格。

我国照明节能大有潜力可挖。

目前，荧光灯、稀土三色紧凑型荧光灯已生产出适合家用的H、双H、O、D、双D、SL型等多种产品。

这种灯与照度相同的管型荧光灯相比约节电27%，与白炽灯相比，可节电70%。

2001年，按每户仅用一只节能灯计算，全国4亿只节能灯就可节电2000万千瓦电力，投资只需120亿元，而要生产2000万千瓦的电力，即需投资500亿元。

所以在我国照明节能是一项很重要的课题。

目前，世界上一些著名的大专院校、科研院所、公司都投入了较大的力量进行高频交流电子镇流器的科研开发、生产。

如美国弗吉尼亚大学功率电子研究中心（VPEC），李泽元教授领导的科研中心每年都有相关论文和实验报告在IEEE功率电子学学刊刊出，并提出了如高频能量反馈、采用电荷泵功率因数校正的电子镇流器等概念，美国加州理工大学（UCT）的S.CUK教授关于单级高功率因数电子镇流器，一种用于紧凑型荧光灯的E类电子镇流器，西班牙、巴西、我国台湾和香港地区的一些著名高等院校、科研院所、公司都投入了一些高水平的科研人员进行开发。

同时，国内一些著名科研院所、大学也投入了较大力量进行科研开发。

这点可从国内相关科技文献看出。

勿容置疑的是我国是世界上电子镇流器的一个生产大国，我国有较多的公司、企业从事这种"绿色电光源"产品的生产。

特别是自20世纪80年代末、90年代初，IEC928（1990）、GB15143（1994）《管形荧光灯用交流电子镇流器一般要求和安全要求》及IEC929（1990）、GB/T15144《管形荧光灯用交流电子镇流器的性能要求》等技术标准相继颁布与实施，使交流电子镇流器的研究、开发、生产有了统一技术规范。

由于高频交流电子镇流器要求体积小、造价低，并且对电磁辐射干扰、输入功率因数、波峰因数、可靠性等技术指标严格，所以要做出一个满足高性能、低价格、体积小、低电磁辐射干扰，使用安全可靠的高频交流电子镇流器并非件易事，所以往往让人感到：

看似简单的一个电子产品，但是技术含量很高，是一个涉及电路拓扑、高频电子变换、谐振开关（ZVS、ZCS）、LC串并联谐振、功率因数校正、电磁干扰抑制（EMC、EMI）、信号传感、采集和控制、电子元器件、电光源器件等电力电子技术的方方面面。

同时，如何测量高频交流电子镇流器的技术参数，如功率、高频谐波成分、效率、电磁辐射干扰（EMI），也是高频交流电子镇流器的研究热点。

实践证明，要做出一只高性能的高频交流电子镇流器，还需对它的负载--灯的技术特性、灯对电源的技术要求有所了解，否则要做出高性能的高频交流电子镇流器是不现实的。

由于对电网供电质量的要求不断提高，国际电工技术委员会1982年分别制定了IEC555-2《家用设备及类似电器设备对供电系统的干扰》标准，和IEC1000-3-2《电磁兼容性标准》，分别对相关电器设备的功率、谐波成分、电磁辐射干扰等技术指标做出了要求，对高频交流电子镇流器而言也相应增加了电路的设计难度和制造难度。

二、常用高频交流电子镇流器电路与改进

（一）单级半桥谐振式

由于半桥谐振式逆变电路工作可靠，对开关管耐压要求较低，所以采用半桥谐振式逆变电路为灯负载供电的功率变换电路使用最为广泛。

它主要由：

交流市电供电整流电路（滤波）、启动电路、串联谐振高频逆变电路、保护电路、灯负载几部分组成。

这是一个典型的、自激振荡、自启动的LC串联谐振半桥逆变的高频交流电子镇流器电路，谐振主要由L、、C3、C4完成，利用谐振时C4上的高频电压点亮灯负载，当灯负载电流发生变化时，会影响谐振回路Q值，从而影响谐振电容C4上的谐振电压，来实现稳定灯负载电流的作用。

由于这种电路采用元件少、造价低，所以目前国内市场上见到的高频交流电子镇流器大多采用类似的这种电路。

但这种电路存在以下缺点：

（1）无灯丝预热功能，易产生灯丝电极溅射作用，而降低灯丝的使用寿命，使用时间一长易造成灯管一端发黑的现象；

（2）由于采用市电整流后直接给半桥逆变级供电，所以会产生很强的高次谐波干扰，降低交流市电输入侧的功率因数，并降低电源供电效率,采用这种电路的高频交流电子镇流器大量使用时，会造成三相四线供电电网的地电位偏移，因而造成用电设备的损坏；（3）由于半桥逆变级工作在高频开关逆变状态，所以产生的高次谐波，会产生相应的电磁幅射干扰，影响其它用电设备的正常工作；（4）由于电路没有设保护电路，所以一旦市电电源供电发生故障（如电网电压升高过多）或灯负载发生破裂等故障时，易造成电路损坏，严重时还会发生火灾事故。

（二）双级谐振式高频交流电子镇流器

针对单级半桥谐振式高频交流电子镇流器电路存在的以上缺陷，人们又开发设计出了双级谐振式高频交流电子镇流器电路。

它主要在普通的单级谐振高频交流电子镇流器的基础上，再加了一级有源功率因数校正（APFC）电路，用以进行交流市电输入整流滤波的功率因数校正，并限制高次谐波成分，从而达到减小电磁幅射干扰，提高输入侧功率因数的目的。

并且由于有源功率因数校正（APFC）还有预稳压的作用，同时还可以调光（调节APFC输出电压），所以既可提高电子镇流器的电性能，又可提高电子镇流器的可靠性。

有源功率因数校正按电路构成可分为：

降压式、升/降压式、反激式、升压式等几种。

按控制市电输入电流的工作原理可分为：

平均电流型、滞后电流型、峰值电流型、电压控制型几种。

按功率因数校正电路中电感电流的工作方式又可分为：

电流连续型（CCM）、电流不连续型（DCM）。

由于升压式有源功率因数校正电路具有PF值高、THD小、效率高，但需输出电压高于输入电压，适用于75W-2KW的应用场合，所以目前应用最为广泛。

由于DCM型APFC电路简单，开关管应力小的优点，所以在电子镇流器中应用广泛。

两级式具有APFC功能的高频交流电子镇流器电路由于增加了一级有源功率因数校正电路，所以增加了电路的复杂性，使成本提高许多，虽然双级式高频交流电子镇流器性能好，但由于成本、体积等原因也很难于大范围推广使用。

（三）无源功率因数校正

针对两级式有源功率因数校正电路的缺点，人们又试图探讨用无源功率因数校正的方法来提高高频交流电子镇流器的性能，如经常提到的有采用三只二极管和二只电容器的逐流电路的无源功率因数校正和高频复合能量反馈等方法，虽然在理论分析上可行，并有相应的实验结果、结论，但是至今未见广泛使用。

还需进一步提高技术性能，但无疑这是一个很好的发展方向。

（四）常用高频交流电子镇流器调光

由于高频交流电子镇流器具有节能的优点，特别是在不需电子镇流器满功率进行的场合下，采用调光控制节能效果会更加明显。

调光控制有一个用户可控制的调光控制输入端并应具有以下基本功能：

能检测灯电流、灯电压、灯功率；利用反馈电路来调节用户设定的亮度。

常用的调光方法主要有以下四种：

占空比调光法、调频调光法、调节高频逆变器供电电压调光法、脉冲调相调光法。

1、占空比调光法

这种调光控制法利用调节高频逆变器中功率开关管的脉冲占空比，实现输出功率调节，对半桥逆变的最大占空比为0.5，以确保半桥逆变器的两个开关管有一个死时间，以免两个开关管共态导通损坏。

这种调光方法存在的问题是：

如果电感电流连续并滞后于半桥电压Uxy，则开关可能导通时工作在零电压状态，关断瞬间需采用吸收电容达到ZCS工作条件，这样可进入ZVS工作方式，这是优点，EMI和开关管应力可明显降低。

然而，如果占空比太小，以至电感电流不连续，将失去ZVS工作特性，并且由于供电直流电压较高，而使开关管上的应力加大，这种不连续电流导通状态将导致可靠性降低和加大EMI幅射。

除了小的脉冲占空比，当灯管发生故障时，也会出现不连续电流工作状态，当灯为开路故障时，电感电流将流过谐振电容，由于这个电容的容量较小，所以阻抗较大。

除非两个开关管有吸收电路保护，否则开关管将承受很大的电压应力。

2、调频调光法

调频调光法也是常用的调光方法。

如果高频交流电子镇流器的开关频率增加，则电感的阻抗增加，这样，电感电流就会下降。

调频调光法的局限性：

A．调光范围由调频范围决定，如果调频范围不大，则功率调节范围也不大。

B．为了实现在低灯功率工作条件下实现调光，则调频范围应很宽（即从25KHZ--50KHZ）。

磁芯的频率范围、驱动电路、控制电路可能限制调光范围。

C．在整个调频范围内不易实现软开关。

轻载时，不能实现软开关，并使开关管上的电压应力加大。

硬开关的瞬态过渡是EMI幅射的主要来源。

D．如果半桥逆变器不工作在软开关状态，则导致逆变器的损耗加大，导致效率降低。

E．当开关频率在红外遥控的频率范围内时，荧光灯将发射低电平的红外线，如果调频范围很大，其它的红外遥控装置如电视机将会受到影响。

F．灯电流近似反比于逆变器开关频率，调光与开关频率间不是线性关系。

G．当灯管发生开路故障时，将出现DCM工作状态，特别是当开关频率很低时。

3、改变半桥逆变器供电电压调光法

利用改变半桥逆变器供电电压法实现调光有以下优点：

A．调节半桥逆变器供电电压来实现调光。

B．采用固定占空比（约0.5）的方法，使半桥逆变器工作在软开关电感电流连续的宽调光范围调光（这也可使开关控制电路简化）。

C．由于开关频率固定，所以可以针对给定的灯型号简化控制电路设计。

D．由于开关频率刚好大于谐振频率，所以可以降低无功功率和提高工作效率。

E．由于开关频率固定，所以可以较方便的确定无源器件的参数。

F．在较宽的灯功率范围内（5%--100%）保持ZVS工作条件。

G．在很低的半桥逆变器供电电压下，将会失去软开关特性，将会出现电感电流不连续的工作状态。

然而在直流供电电压很低的情况下，这种工作状态不再是个问题，这时的开关管应力和损耗将很小，即使硬开关在低直流供电电压情况下（如20V），也不会产生太多EMI幅射。

H．可实现平滑和几乎线性的灯功率控制特性。

I．可得到低功率解决方案，半桥逆变器的供电电压可以选得很低（如5%--100%的调光范围对应30-120V），这样可采用低电压电容和MOSFET。

J．调光控制仅通过控制SEPIC变换器输出电压实现。

由于半桥逆变器工作在恒频工作状态，所以可采用简单的AC/DC控制即可实现调光。

K．灯电流近似和DC变换器的电压成正比，调光几乎和SEPICDC变换器的输出直流电压成正比。

调光曲线如图6所示。

4、脉冲调相调光法

利用调节半桥逆变器中两支开关管的导通相位的方法来调节输出功率，从而达到输出调光的目的。

调相法调光曲线图如图7所示。

相控调光法主要有以下特点：

⑴可调光至此1%；⑵可在任意调光设定值下启动；⑶可应用于多灯应用场合；⑷调光相位灯功率关系线性好。

（五）两级高功率因数电子镇流器常用IC及特点

由于高频交流电子镇流器的巨大市场和经济效益，国际上许多有实力的半导体厂商纷纷开发相应的集成电路，以方便用户、生产厂商使用，大批量生产。

有的半导体厂商还给出了相关的电子镇流器设计软件。

世界上主要生产、开发高频交流电子镇流器的主要生产厂商有：

美国国际整流器公司（IR）、莫托罗拉公司（MC）、美国微线公司（ML）、韩国三星公司等。

下面以美国IR公司为例，介绍其主要电子镇流器用控制集成电路、相关设计软件。

美国国际整流器公司（IR）主要有以下型号的新型高频交流电子镇流器控制集成电路，它们分别为：

IR21571、IR2159/IR21591、IR2167、IR2153、IR2156等型号。

它们分别用于以下场合：

①IR21571：

驱动600VMOSFET的荧光灯和高强度放电灯（HID）的电子镇流器驱动控制集成电路。

②IR2159/IR21591：

调光控制和600VMOSFET驱动控制功能合一的电子镇流器控制集成电路。

③IR2167：

具有PFC功能的高集成度，600VMOSFET驱动控制集成电路，常用于荧光灯和高强度放电灯（HID）的驱动控制。

④IR2153：

IR2153/IR2151驱动控制集成

电路的改进型，用以驱动半桥功率变换级。

⑤IR2