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路灯节能控制器设计思路
路灯节能控制器设计思路
信息工程系—电气074班—张帅
摘要
本文通过对路灯的调查研究,阐述了路灯在夜间行车安全及节能中的重要作用,分析并指出当前路灯建设过程中存在的各种问题,并且针对这些问题提出了行之有效的建议。
以便达到节能减排,降低路灯的能耗,提高电能的使用效率的效果。
由此可见，随着城市建设的高度现代化及城市照明工程的逐步扩大,节电节能和使用先进路灯控制系统的要求越来越迫切。
为此本文分析了城市路灯照明的现状,提出了一种基于AT89S52单片机控制的路灯节能控制器的设计方案。
介绍了路灯控制系统的节能原理、硬件电路的设计和软件部分的主程序流程图。
该系统能延长灯具寿命,具有可靠性高,成本低,节电效果明显等优点,可以明显提高路灯的用电效率。
关键词：
路灯;单片机;道路照明;智能;节能控制
Abstract
Basedoninvestigationandresearchoflamp,theimportantroleoflampondrivingsafetyduringnightandenergy-savingwaselaboratedinthispaper,thevariousproblemsinthepresentconstructionoflampwereanalyzed,effectivesuggestionaboutthesetoughproblemswasputforward.Thepurposeistorespondtothecallofenergy-savingandreducingthedischargeofournation,toreducetheenergyconsumptionoflampandimprovetheefficiencyofelectricity.Thisshows,withtheheightofmodernurbanconstructionandthegradualexpansionofthecitylightingengineering,energysavingandadvancedlightingcontrolsystemaremoreandmoreurgent.Therefore,thisarticleanalysesthepresentsituationofbiggerenergyconsumptionofurbanroadlighting,putforwardthedisignofenergyeconnomizerofintelligentstreetlampbasedonAT89S52microcontrollercontrol.Itintroducestheworkingtheoryoftheenergy-savingstreetlampcontrolsystem、thedesignofthehardwarecircuitandthemainprocedurecontrolflowchart.Thissystemhassuchadvantagesaslonglife,highreliability,low-cost,energy-savingandcansignificantlyimprovedtheenergyefficiencyofstreetlamps.
Keywords：
lamp;SCM;roadlighting;intelligence;energy-savingcontrol
目录
摘要
第一章绪论
1课题概述
1.1课题研究的背景
1.1.1照明的发展史
1.1.2路灯的照明现状及发展
2课题研究的目的及意义
2.1道路照明的作用
2.2城市照明存在的问题
2.3我国在路灯节能方面的状况
2.2.1我国路灯照明节能的现状
2.2.2我国城市道路照明节能的措施
3路灯节能的基本原理
4路灯节能的几种方法及分析对比
4.1照明设备的节能
4.2路灯供配电系统节能
4.3路灯管理节能
4.4使用先进控制装置，实现智能控制节能
5路灯节能产品的选择
第二章路灯节能控制系统的总体方案设计
1系统的总体方案设计
2系统的结构模型及功能分析
3系统控制器的总体设计
3.1智能控制器结构设计
第三章系统硬件设计
1系统硬件结构设计
2控制器设计以及其外部电路
2.1控制器最小控制系统
2.2串行通信接口设计
2.3A/D和D/A转换电路
2.4开关量输入/输出电路
第四章软件结构设计
第五章结论
致谢
参考文献
1课题概述
1.1课题研究的背景
1.1.1照明的发展史
在历史的长河中，人类实现照明的方式非常简单，那就是直接借助各种火源的直射光，例如蜡烛、油灯等等。
这些发光设备虽然在人类的历史长河中点燃了漫漫岁月，却因为极低的发光效率和发光质量，只能尘封在历史的博物馆中。
人类尝试夜晚在城市街道上进行人工照明始于15世纪初。
1417年,为了让伦敦冬日漆黑的夜晚明亮起来,伦敦市长亨利·巴顿发布命令,要求在室外悬挂灯具照明。
后来,他的倡议又得到了法国人的效仿。
16世纪初的时候,巴黎居民住宅临街的窗户外必须安装照明灯具。
路易十四时,巴黎的街道上出现了许多路灯。
1667年,被称为“太阳王”的路易十四还正式颁布了城市道路照明法令。
传说,正是因为这部法令的颁布,路易十四的统治才被称为法国历史上的“光明时代”。
最初的路灯光线比较弱,因为路灯里面用的都是普通的蜡烛和油。
后来改用煤油后,路灯的亮度有了明显的提高,而路灯真正的革命是在汽灯出现之后。
但最初,它的发明者英国人威廉·默多克却饱受讥讽。
沃尔特·斯科特曾在写给一位朋友的信中称道有一个疯子要用一种冒着“黑烟”的路灯来给伦敦的夜晚照明了。
尽管默多克的路灯惹来了很多争议,但这种路灯的优势却不容忽视。
1807年,这种新型路灯被安装在了波迈大街上,并很快风靡欧洲各国的首都。
人类用电照明的历史与两位发明家的名字紧密相连,那就是俄罗斯人亚力山大·洛德金和美国人托马斯·爱迪生。
1873年亚力山大·洛德金因设计出白炽灯泡而获得了彼得堡科学院颁发的罗蒙诺索夫奖。
不久,这种灯泡被应用于彼得堡海军大厦的照明。
几年之后,托马斯·爱迪生对这种灯泡进行了改进,使这种灯泡的亮度更强,生产成本更低。
随着这种灯泡的大量出现,汽灯迅速退出了道路照明,电灯取而代之,成为城市夜晚户外照明的重要工具。
人类社会的电力照明设备大致有这几个重要的发展成果：
①白炽灯，主要以钨丝作灯丝因为钨有高熔点及低蒸发率。
白炽灯的大部分辐射光是红外线，所以120V白炽灯的照明效率在2400K时约为8lm/W，一般100W白炽灯只有7%的电功率转变为可见光。
②钨丝卤素灯，为减少钨丝蒸发率以增加其寿命及工作温度，在灯泡中添加卤素气体作成的钨丝卤素灯也较为流行。
一般钨丝卤素灯均在高温工作，灯泡也较小，用的是比较坚硬的玻璃壳，其寿命比钨丝白炽灯要高两倍。
③日光灯，一般日光灯用低压放电可以产生11000-13000K的高温，目前日光灯可以用的材料有汞即水银和钠，汞灯释放紫外线故多用于一般日光灯，灯管涂上荧光分以产生白光。
④低压钠灯，用钠代替汞可以得到含有589nm及589.6nm的黄光但是钠熔点比汞熔点高，也比汞活泼，要用抗钠玻璃。
大部分应用在街道级公路上。
⑤高压汞灯，高压汞灯的一般功率变成热，所以效率不高，但是温度稳定性极佳，大部分应用在街道照明及商用建筑的照明。
⑥高压钠灯，可以产生50-1000W功率，演色性差不适合用于室内照明。
⑦金属卤化物灯，是在高压汞灯中加入了其它金属，这样可以改进发光效率及演色性。
1.1.2路灯的照明现状及发展
1、随着城市道路、公园绿地的不端新建和改造，我国道路照明及景观照明在大中型城市电能浪费严重。
以大中城市为例，据统计，一般城市，2000年室内照明的电费支出1200万元，2001年1830万元，2002年则为2300万元，三年间城市灯光的电费几乎犯了一番。
我国是个发展中国家，在大部分中小型城市，夜12点后道路上几乎空无一人；随便是北京、上海、广州这样繁华的都市，凌晨2点以后，路上也罕见行人，车辆也比较稀少。
从这一段直接清晨6点，在低交通流量的道路上仍然保持较高照度显然是没有必要的。
城市公共照明在我国照明耗电中一直占有较高的比例，以30％的比例计算，每年约消耗439亿KWH，以平均电价0.65元/kwh计算，一年开支285亿元。
2、小型城市，包括大中型城市部分街道“有路无灯”“有灯不亮”现象严重。
有路无灯是一个普遍存在的问题，而有灯不亮则影响更大。
据有关资料显示某市107国道某路段4公里，竟有近两年有灯不亮。
该路段是一个主干道，车流量、人流动川流不息，该路段夜晚频发交通事故，犯罪分子也乘天黑进行抢劫活动，当地群众对此反映强烈。
而且路灯设置被盗严重，近年来路灯设施被盗案件时有发生，盗窃分子作案手段越来越猖獗，由于去偷灯门、镇流器，发展道现在偷盗电缆、供电变压器。
由单独作案发展道团伙作案，由的甚至开吊车强行盗窃供电变压器，尽管路灯管理单位采取各种防盗措施，但是还是防不胜防。
据了解，每年各个街道办路灯设施被盗直接经济损失一、二百万，全市那年累计盗窃损失越二千多万元，这种代且破坏路灯设施行为必须整治不能再发展下去。
否则，正常道路照明就难以保障从而会造成更大的公民交通和财产安全隐患。
3、路灯节点方式落后。
目前国内绝大部分城市和地区大部分采用的是道路灯隔盏关灯的节点方法，该节点方法不仅导致了路面照度分布不均，给治安及交通买下了隐患，而且导致后半夜电网电压的升高，对路灯寿命造成影响。
因此造成省电不省钱的结果。
而美国环保局（EPA）早再1991年1月就已经提出实施“绿色照明（greenlights）”和推进“绿色照明工程（Greenlightsprogram）”的概念了，我们目前道路照明的现状是否只值得反思呢？
2课题研究的目的及意义
2.1道路照明的作用
道路照明作为城市中密度最大、数量最多的市政设施之一，其在城市景观中作用是不言而喻的，具有白天和夜晚双重景观作用。
具体来说，道路照明的作用归纳如下：
1、提高夜晚环境质量
城市的夜晚因天然照明不足，一切陷于黑暗中，人们的活动受到限制。
路灯创造了人工的照明环境，满足了市民活动的需要，使城市的夜晚因此而活跃起来。
首先，增加了人们夜晚的能见度，提高安全感，创造夜晚舒适怡人的社会活动、交往空间；其次，保证车辆和行人夜晚活动的安全，减少夜间交通事故和犯罪、暴力事件的发生；最后，满足城市不同区域的功能需要，为各分区的活动和相互间的交通、联系提供照明条件。
2、美化城市形象
道路照明能明晰城市结构，将城市亮点有机联系在一起，表现城市夜晚整体格局，勾勒出城市夜晚的轮廓线，产生良好的艺术效果。
3、促进经济繁荣
城市照明使城市经济活动时间增长，促进了旅游与消费，这是照明之于城市的经济功能，对比北京王府井、上海南京路、广州上下九等商业街照明所带来的经济效益就可知道。
2.2城市照明存在的问题
1、认识误区
从城市景观角度看待道路照明，不少人首先想到的就是路灯装饰化，在路灯造型上下功夫，专注装饰性而忽略功能性，或把路灯的功能性放在次要位置。
这种认识非常有害，不少城市在主干道大搞花灯、庭院灯，灯本身美仑美奂，但眩光、散逸光严重，照明效果差强人意。
另一方面，不少人把景观照明设计简单理解为以灯为景，把灯作为城市景观的主角。
事实上，路灯本身是城市景观，特别是道路景观的重要元素，但绝不是主角。
白天，灯杆本身的设计再优秀，如果不能和周围的景观融为一体的话，肯定会破坏城市景观。
晚上，路灯的意义在于提供光明，营造气氛，为市民的交往、活动提供安全、舒适的照明环境。
2、现实问题
近年来，我国城市道路照明建设取得了巨大成绩，也存在很多问题。
根据某权威人士从2001年至今曾到香港、北京、上海、大连、重庆、南京、杭州、苏州、厦门等城市进行路灯专题调研的结果来看，各城市的情况有所不同，但主要问题很相似，并结合实际情况，归纳如下：
（1）忽略人的需求
路灯对城市景观的最大贡献，在于创造安全、舒适的人工照明环境，符合人的需求，从而提升市民晚上外出活动的意欲，促进城市活动的发生和发展，构筑和谐、怡人的城市景观。
而人工照明环境和市民心理感受的好坏，主要由路灯的照度和亮度、眩光控制、诱导性、光色等功能性指标所决定。
因此，我们必须从人的需求出发，首先考虑路灯的功能性，严格按照国内国际标准，根据道路的车速、车流量、人流量等因素，为快速路、主干道、支路和居住区道路等不同等级道路创造优美的照明环境，构筑良好的城市夜晚景观。
但不少城市在提升形象的口号下，以灯为景，以亮为好，过分强调路灯的装饰性，路灯造型五花八门，层出不穷，路灯与周边环境的协调性很差，反而对城市整体景观造成破坏；同时，不理会道路等级标准，全部道路都采用高亮度，破坏了城市夜晚的明暗层次和主次脉络，眩光、散逸光严重，反而抑制了市民夜晚活动的意欲。
（2）缺乏城市特色
路灯造型“千城一面”，各城市间互相抄袭严重，如上海世纪大道的球拍造型路灯，几年时间已飞遍全国，在大中小城市均能看到其身影。
我国城市情况千差万别，城市风格各有特点，有的以历史见长，有的以现代取胜，路灯建设也应因城而异，反映城市特色。
特别一些历史文化名城，如西安、苏州的老城区，路灯造型要体现历史的厚重。
（3）缺乏整体性
目前，国内完成城市照明专项规划的城市很少，深圳已编制但尚未正式实施。
由于没有统一规划，路灯的风格各异，造型五花八门，色彩杂乱。
一些分期建设的道路，各路段间杆型不统一，照度标准各异，甚至光色也不同，整体性无从体现。
如果从整个城市层面看，路灯的整体性更差，各自为政的现象非常严重，路灯的选择往往在于领导的一句话。
（4）与夜景照明割裂
路灯和夜景照明都是城市照明的重要组成部分，两者的互补性很强，但却往往被人为割裂，规划、设计、建设分开进行，管理权限在很多城市也分属不同部门，往往路灯属于市政、电力部门，夜景照明则由市容部门管理。
由于不能协调建设，不但效果欠佳，还造成浪费。
2.3我国在路灯节能方面的状况
2.2.1我国路灯照明节能的现状
现在，尽管LED白光技术有了突飞猛进的发展，但是如果要将LED灯用在城市照明系统中还有不少问题需要解决，所以目前，高压钠等仍然是城市照明系统的主要照明工具。
针对高压钠灯，有两种节能方式：
1）采用半夜灯；2）采用调压的方式。
半夜灯节能方式是最早的也是最直接的节能方式。
半夜灯是指在后半夜人流量和车流量较少的时候，关闭一部分灯以节约电能的方法。
这种方法优点是投资小，操作简单，但最大的缺点是道路照明不均匀，并且无法解决路灯寿命降低的问题。
采用调压的方法不但可以做到节能，还可有效延长灯具的寿命，是一种比较理想的节能方式。
传统的调压法节能包括：
1）晶闸管斩波型照明节能方法。
这种方法对照明系统的电压调节速度快，精度高，还可以实现可分时段，实时调整，同时具有体积小，成本低的好处。
但这种方法会产生大量谐波，对电网有谐波污染，危害极大，因此不适宜用在照明电路中。
2）自祸降压式调控方法。
这种方法可以避免出现谐波污染，可靠性也比较高，但不能升压和稳压，只能固定的降压，因此也不能推广使用。
现在的道路照明设备大都是以气体放电为主的，在这种情况下，采用交流斩波调压节能方法很具有可行性。
这种方法不会造成谐波污染等后果，同时也可以稳压，降压，大大延长了灯泡的使用寿命，因而也降低了照明系统维护的成本。
从这个角度来说，此种方法符合电力电子技术的高频化和低污染发展方向，将会得到越来越广泛的应用。
目前，还出现了一种新型的节能方法，智能路灯节能方法。
它有效克服了传统节能方法的缺陷，具有以下几个突出的优点：
1）优化电力质量，大大节约了照明用电；2）有效保护电光源，增加其使用寿命；3）适用性较强、可靠性较高；4）绿色环保，污染小。
2.2.2我国城市道路照明节能的措施
城市道路照明系统节能的途径有很多，总结下来，节电效果较好的有合理地选择光源、科学先进的照明系统设计、照明控制系统合理和定期维护等几项。
在选择光源方面，选用节能效果好的光源和灯具是第一步，选择标准包括经济性好、维护费用低、发光效率高、使用寿命长和显色性好等等。
目前，高压钠灯由于其技术性能稳定和维护系数高等优点，已经成为了许多城市道路照明光源的选择。
合理的道路照明设计对于照明节能很重要，在设计前要充分做好调研工作，然后在遵循国家相关规范和标准的前提下，仔细考虑道路照明情况，道路交通情况和照明设施选择等等问题，最后再着手设计，否则图纸设计不当，会造成大量人力物力和财力的浪费。
路灯的控制设置要合理，争取做到控制方便、准确并且安全，实时性高，这也是路灯照明节能的一个重要方面。
在道路照明系统节能过程中要做到降低照明线路无功损耗和缩小供电半径。
因为当无功电流通过线路系统时，由于导线上有电阻会造成电能损失，并且损失会随着功率因数的降低和电力的增大而增加，最终导致路灯亮度降低，照明质量不能保证的问题。
适当缩小供电的半径，可以减小电压降，因此供电半径一般选在500～800m为宜。
为了更好的节能，定期对路灯系统和灯具维护时必须的。
在检修过程中，拆除有潜在隐患的灯杆，更换低效率的灯具，可以最大限度的发挥灯具的照明特性，节约能源。
3路灯节能的基本原理
早期的路灯节能产品，是以SCR可控硅移相调压实现功率（亮度）调节，其工作原理如家用调光台灯，就象调光台灯上不能安装节能灯一样，这种设备不能控制带功率因数补偿电容的路灯。
另外谐波电流电压产生电磁干扰，因此无法用于大功率照明节能。
经过历次技术革新，路灯节能产品不断升级换代。
目前市场上路灯节电设备种类繁多，按控制方式可分为集中控制和单灯控制，按调节方式可分为固定降压、中途调节换档、碳刷无级调节，等等。
但其基本的节能原理都是将供电系统的输入电压予以优化，采用DVR（电网电压调节）技术调整剩余电压，使输送给灯具的负载电压为最适宜值，达到既实现节电又保证照明要求的双重目的。
根据电工学基本原理：
P=V2/R。
设灯具上施加的电压为V，光源的阻抗（为简单比喻起见）设为阻性电阻R，那么它在电压V下所消耗的功率为P，若适当降低电压到V1值，则这时消耗的功率P1将随电压的平方关系下降。
而P1小于原有电压V时所消耗的功率P，其有功节电率可表示为：
ε%=（1-V12/V2）×100%
只要电压下降的幅度不超过额定电压的10%，则绝大部分电器设备均可无妨碍地使用。
4路灯节能的几种方法及分析对比
4.1照明设备的节能
4.1.1光源的节能
道路照明系统应积极推广节能型的高压钠灯、金属卤化物灯。
高压钠灯和金属卤化物灯是目前高强度气体放电灯（HID）中主要的高效照明产品。
高压钠灯的特点是寿命长、光效高、透雾性强。
可广泛用于道路照明、泛光照明、广场照明等领域。
用高压钠灯替代高压汞灯，在相同照度下可节电37%。
金属卤化物灯是一种在高压汞灯的基础上在放电管内添加金属卤化物，使金属原子或分子参与放电而发光的高压气体放电灯，它的特点是寿命长、光效高、显色性好，广泛应用于城市景观照明、商业照明、体育场馆照明等领域，用它替代高压汞灯，在相同照度条件下，可节电30%。
大功率高光效LED是近年来国内外快速发展起来的新型光源，它具有光效高（≥90lm/W（1WLED））、寿命长（30000～50000h）、耐震动不易损坏、瞬时启动、光源中不加汞，无污染等优点。
在同样亮度下，LED灯的耗电量仅为普通白炽灯的1/10，而其寿命却可延长100倍，特别符合绿色照明的理念和要求，因此积极推广LED路灯具有重要的节能意义。
4.1.2灯具的节能
转变道路照明工程建设的传统规划观念，积极选择配光好、效率高、维护工作量小的灯具，如：
LED照明，在达到同等照明水平的基础上，减少灯具的数量，从而起到节约能源的效果。
各个城市可因地制宜选择太阳能路灯和风光互补型新型的路灯。
考虑主干道采用高压钠灯照明；次干道和一般道路使用太阳能和电网自动投切供电的高效LED照明形式；城郊结合部道路积极推广高效LED太阳能或风光互补型路灯。
通过减少路灯照明对电网供电的依赖，达到用电节能的目的。
4.1.3选用节能型电感镇流器
电子镇流器的工作原理是将50Hz工频电源先整流为直流电，再经高频振荡电路变为高频交流电亮灯。
电子镇流器采用有源功率因数校正的方法，其功率因数可达0.99，降低了输入电流，降低了供电线路的负荷与损耗。
电子镇流器与电感镇流器相比，节电30%以上，对电网输电损耗减少70%以上。
由于电子镇流器需要并联电容产生高压谐振点亮灯的特点，如果谐波控制不当，会增强电极溅射、电磁波污染严重等缺点，但因其高的节能性、大量节约有色金属的优点，仍是路灯系统的首选。
4.2路灯供配电系统节能
4.2.1变压器节能
保持变压器的高效率工作，是减少变压器损耗的基本手段。
路灯供电系统应根据负荷大小，合理选择变压器容量和高效率的变压器，使其运行过程中保持较高的效率。
同时在白昼期间对变压器实施高压侧切除，以消除变压器的空载运行损耗，也可实现节能的效果。
4.2.2三相平衡
合理布置变电站的位置，保持负荷的三相平衡，减少线路损耗，也能起到节能效果。
4.2.3采用智能光源降压-稳压-调光技术
在繁忙时段，控制路灯保持较高的照度，接近午夜时分，开始自动调光、控制路灯保持较低的照度，采用光源降压-稳压-调光技术在调光的同时大幅度降低了电耗，节约有功电耗达30%以上，采用此项技术还可延长路灯的使用寿命。
4.2.4无功补偿
由于道路照明灯具绝大部分属于感性负荷，运行功率因数往往不到0.5，所以线路中存在较大的无功电耗。
如果将现有的供电系统电容集中补偿形式改造成单个灯具内进行功率因数补偿，则可将功率因数补偿到0.9以上，则可降低线损70%以上。
4.2.5规范电工操作工艺
在路灯规划和安装的过程中，通过进行合理的布局，尽量减少导线的接头、改善导线铰接工艺质量、做好连接导线处的绝缘恢复等工作，来积极降低导线接触电阻的影响，达到电能传输线路损耗降低的目的。
4.3路灯管理节能
4.3.1合理确定照明标准
根据道路类别、所在环境及在城市路网中的重要性等，确定所设计道路的合适照度值，不应盲目追求高照度。
一般中小城市道路的平均照度取值接近设计标准的低档值，中心城市、大都市的设计取值靠近设计标准的高档值；即使同一城市，也可根据道路的需要合理的选择照度值，实现电能的有效利用。
4.3.2半夜灯控制
现在城市的主干道路幅较宽，较多的考虑使用了双臂灯或单臂灯，而下半夜，车辆稀少，对照明质量的要求可以适当降低。
此外，现在很多三块板式的道路结构，在照明设计时通常考虑了快、慢车道及人行道的照明。
而在后半夜，慢车道的非机动车和行人很少，对照明的要求不高。
对于这些情况，采用全、半夜灯的运行模式，合理的关掉部分路灯照明，可取得较好的节能效果。
4.3.3合理的养护与管理制度
由于光源和照明灯具的污染，使光通量降低，这也是造成能源浪费的原因。
制定合理的养护管理制度，及时修复故障灯，定期更换寿命到期、光通量降低的光源，及时维护供电线路也是重要的。
通过对照明灯具的经常清洗，去除灯具表面的灰尘和污垢，只需花费少量的资
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