道路照明中的智能低压照明控制系统.docx
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道路照明中的智能低压照明控制系统
北京信息科技大学
毕业设计（论文）
题目：
道路照明中的智能低压照明控制系统
学院：
自动化学院
专业：
电气工程及其自动化
学生姓名：
李龙成班级/学号电气0801/2008010954
指导老师/督导老师：
白雪峰
起止时间：
2011年2月20日至2011年6月15日
摘要
能源是经济社会发展的重要物质基础，要实现2020年我国GDP翻两番的宏伟目标和国民经济的持续高速增长，仅靠常规能源难以解决能源和电力短缺。
占电力供应70%的煤电燃料——煤炭，它探明的剩余开采储量为有限的1390亿吨，并且煤炭开采还将带来严重的环境污染。
我国的石油资源不足,天然气资源也不够丰富,天然铀资源短缺。
我国水能资源可开发量为4.02亿千瓦，年发电量1.7万亿千瓦时，再经过20～30年的开发，70%左右将被开发完。
所以我们应该行动起来在各方面节约能源。
我国全国路灯每天要消耗4000万度电，这是很多能源消耗，所以我们应用智能低压照明系统，他可以节约40%的耗电。
在中国，大多数城市的路灯都是人工或定时开关的，有时经常忘了关路灯，白白叫它亮了一白天。
这不仅是电能的浪费，同时也较少了灯泡的使用寿命。
一个灯泡是一件小事，但是整个中国甚至全世界的路灯加一块就是一件大事了。
所以我们应该科技改变这种状态。
低压智能路灯就可以很好的解决这种现象。
它通过多种传感器组合（光敏电阻）的方式来感应环境的变化，传感器来控制新型智能路灯控制系统。
并且根据自然光的强弱，对路灯的控制电压进行调节，使自然光和路灯的保持一个定值，灵活控制路灯。
关键字：
光敏电阻；节能；路灯；
Abstract
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Energyisoneoftheimportantmaterialbaseindevelopmentofeconomicsociety,ToachievethegrandgoalofthequadruplingGDPoverthesustainablegrowthofnationaleconomyin2020,ifOnlydependonconventionalenergyisdifficulttosolveenergyandpowershortages.
Thereare70%ofpowersupplyinchinaisCoalfuel,therestofthecoalminingreservesof139billiontons,itisverylimited.Andthecoalminingwillalsobringseriousenvironmentalpollution,fossiloilandnaturalgasresourcesarealsoLackof,especiallytheNaturaluraniumresourcesareshortage.TheexploitablecapacityofHydropowerresourcesinourcountryare402millionkilowatt,andAnnualgenerationcapacityof1.7trillionkilowatt-hours,And70%ofthehydropowerresourceswillbeexploitedafter20~30yearsofdevelopment.Soweshouldactinvariousaspectstosaveenergy.InChinaitisalotofenergyconsumptionthatconsumes40millionKWHeverydayonthestreetlights,soweapplicationintelligentlow-pressurelightingsystem,itcansave40%ofthepowerconsumption.
InChina,mostofthestreetlightsinthecityareartificialortimerswitch,sometimesoftenforgettoturnofflights,andcallitavainlightduringthewholeday.Itisnotonlyawasteofelectricalenergy,butalsoreducestheservicelifeofthebulb.Alightbulbisasmallmatter,butthewholeofChinaandeventheworldwithapieceofstreetisagreatthing.Soweshouldusescienceandtechnologychangesthisstate.Lowvoltageintelligentstreetlightcanbeasolutiontothisphenomenon.Itthroughavarietyofsensorcombination（photoconductiveresistance）waytosensingthechangeofenvironment,sensortocontrolthenewintelligentstreetlightcontrolsystem.Itaccordingtothestrengthofthenaturallight,sothattocontrolvoltageregulation.Itmakesnaturallightandlamptokeepafixedvalue,flexiblecontrolstreetlights.
Keyword:
photoconductiveresistance,Energy-saving,Streetlight
目录
摘要（中文）I
（英文）II
第一章绪论5
1.1路灯照明节能的意思5
1.2路灯照明节能的前景5
1.2.1路灯照明的现状与发展5
1.2.2路灯照明节能技术5
1.3本论文的主要工作6
第二章工作原理及总体设计7
2.1四大模块的组成7
2.1.1三相桥式整流电路的组成7
2.1.2TC787触发电路的组成7
2.1.3闭环智能控制电路的组成9
2.1.4电源电路组成11
2.2智能低压路灯照明控制系统的设计原理与优化11
2.2.1系统设计原理11
2.2.2系统设计优化方案14
2.2.3智能低压照明系统的应用创新14
2.2.4效益展望15
第三章硬件设计16
3.1引言16
3.2三相桥式整流电路的硬件设计16
3.3触发电路的硬件设计18
3.4电源电路的硬件设计20
3.5闭环控制电路的硬件设计21
第四章硬件电路板的制作22
4.1引言22
4.2确定工作层22
4.3定义PCB形状及尺寸23
4.4加载PCB元件封装库22
4.5元器件的布局23
4.6布线23
4.7制板23
第五章总结25
5.1本文的工作及总结25
结束语26
参考文献27
第一章绪论
1.1路灯照明节能的意义
城市路灯照明是城市管理的一个重要方面,它既关系到市民夜晚出行的安全,又关系到城市夜景的亮化美化,既要保证道路装灯率达100%,又要保证亮灯率达98%,还要尽可能的减少路灯照明的电能损耗和维护费用,随着环境污染的不断加剧，为保证我国经济和社会的健康可持续发展，国家大力提倡建设节约型社会，注重节能减排，走可持续发展道路。
我国能源消耗大，存在着严重的能源缺口，为了缓和我国电力能源供应的紧张局面，应坚持能源开发与节约并重。
因此需要科学认真的管理和采用先进的节能节电技术及手段。
城市路灯照明一直备受人们的关注。
国际统计局的数据显示，目前全国路灯总数约为128317万盏，每年新曾各种路灯10%以上，其中城市路灯照明在我国照明耗电中约占15%。
以2006年为例，我国城市道路照明用电为490亿千瓦时，以平均电价0.5元/千瓦时计算，一年电费开支245亿。
个别地区曾尝试用路灯隔盏开灯的方法来节能，但结果不仅导致了路面亮度分布不均，给治安及交通安全埋下了隐患，而且不能避免后半夜电网电压的升高对路灯寿命的减损，因此不能称为真正意义上的节能。
因此，怎样才能让城市亮得更科学、亮的更省钱是道路照明节能急需研究的一大课题。
室内调光已经流行多年，主要是因为室内灯功率小，容易实现。
而路灯照明则完全不同，首先灯泡功率大，不易控制，其次使用环境恶劣。
20世纪90年代，电力电子技术有了突飞猛进的发展调光技术有了可靠的质量保障，通过一些地区的规模应用，其完美的调光效果和节电功能得到了人们的一致认同，在德国，美国这些耗电大国，此类技术也得到了政府的大力扶持和推广，不仅节约了电能，而且稳定了电压，延长了路灯的使用寿命，达到了双重意义的节能。
1.2路灯照明节能的前景
1.2.1路灯照明现状与发展
绿色照明工程的推广和应用不断加强随着全球性环保意识的增强，世界各国，尤其是发达国家和地区，对绿色照明的应用将更加普遍。
现代化绿色照明系统。
对于保护环境、维护生态平衡、保护人类健康都具有重大意义。
高效节能光源与节电设备普通被采用随着绿色照明工程的推进和科学技术的进步，具备高效节能和无污染的特性的新光源产品和节电设备，在国际绿色照明推广中将会颇受重视，前景可观。
产品更新换代速度加快，产品的科技含量不断提高随着社会发展和科技进步，照明产品的更新换代不断加快。
现代照明的科技含量大大提高，逐步朝着节能化、智能化、景观化、艺术化的目标发展。
在未来的3-5年的时间内，绿色节能照明产品市场潜力巨大节能置换照明工程产品将会成为整个照明行业发展的一种延续与补充，必将成为商家抢占市场的“焦点”。
1.2.2路灯照明节能技术
本课题的设计思路就是：
在道路繁忙的时间段，控制路灯，使它保持较高的照明度；在接近午夜时分，开始系统的自动调光；在后半夜道路上人稀少时，则控制路灯保持较低的照明，它的优点主要是在调光的同时，也大幅降低了电能的损耗，降低了有功电耗达到30%以上。
本方案最大的特点就是利用简单的电气设备实现了路灯照明中的智能低压照明，自动调压技术采用闭环控制来实现，具有结构简单、成本低廉、反应速度快等优点。
他涉及到了城市路灯照明的实际状况，根据人体工程学中的视觉理论，采用现在化控制论中的最优控制方法，实现了对路灯电压及照度的动态正能化管理。
1.3本论文的主要工作
本论文在了解了路灯照明现状和发展的基础上，主要做了以下几个方面工作。
1、阐述了智能低压照明的可行性与发展的前景。
2、阐述了智能低压的控制原理与基本结构。
4、阐述了电路如何通过闭环控制来实现。
5、对各个模块的搭接进行调试，控制。
第二章工作原理及总体设计
智能低压照明控制系统可分为四大部分，三相桥式整流电路，触发电路，闭环控制电路和电源电路。
本设计主要对TC787触发三相桥式整流电路进行调试，对闭环控制电路进行研究。
2.1四大模块的组成
2.1.1三相桥式整流电路的组成
将交流电源变换成直流电源的电路称之为整流电路。
整流电路按照交流输入相数分为单相和多相，整流电路按照电路形式又可分为半波、全波和桥式整流。
三相桥式整流电路由6个晶闸管（3个共阳极和3个共阴极）组成，共阴极组在正半周期导电，共阳极组在负半周期导电，正负半周期都有电流流过变压器，因此变压器使用率提高。
三相整流桥式电路有输出电压高且脉动小，网侧功率因数高以及动态响应快等优点。
如图:
图2.1
图2.1..1三相整流电路原理图
三相桥式全控整流电路的特点：
1）2管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件。
2）对触发脉冲的要求：
按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60。
共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120。
同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180。
3）ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。
4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲可采用两种方法：
一种是宽脉冲触发、一种是双脉冲触发（常用）。
5）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。
2.1.2TC787触发电路组成
1、TC787介绍
TC78是采用先进的IC技术，并参照国外最新集成移相触发电路而设计的单片机集成电路。
他可单电源工作，也可以双电源工作。
与TCA785及KJ004相比，具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰能力好、外接元件少等优点。
只需一只TC787集成触发电路就可以完成三只KJ004与一只KJ041和一只KJ042的功能，多用于晶闸管三相桥式全控移相触发电路中。
2、TC787的内部结构及工作原理
TC787的内部结构及工作原理框图如2.1.2所示。
由图可知，在它们内部集成有三个过零和极性检测单元、三个锯齿波形成单元、三个比较器、一个脉冲发生器、一个抗干扰锁定电路、一个脉冲形成电路、一个脉冲分配及驱动电路。
它们的工作原理可简述为：
经滤波后的三相同步电压通过过零和极性检测单元检测出零点和极性后，作为内部三个恒流源的控制信号。
三个恒流源输出的恒值电流给三个等值电容Ca、Cb、Cc恒流充电，形成良好的等斜率锯齿波。
锯齿波形成单元输出的锯齿波与移相控制电压Vr比较后取得交相点，该交相点经集成电路内部的抗干扰锁定电路锁定，保证交相唯一而稳定，使交相点以后的锯齿波或移相电压的波动不影响输出。
该交相信号与脉冲发生器输出的脉冲（对TC787为调制脉冲，对为方波）信号经脉冲形成电路处理后变为与三相输入同步信号相位对应且与移相电压大小适应的脉冲信号送到脉冲分配及驱动电路。
假设系统未发生过电流、过电压或其它非正常情况，则引脚5禁止端的信号无效，此时脉冲分配电路根据用户在引脚6设定的状态完成双脉冲（引脚6为高电平）或单脉冲（引脚6为低电平）的分配功能，并经输出驱动电路功率放大后输出，一旦系统发生过电流、过电压或其它非正常情况，则引脚5禁止信号有效，脉冲分配和驱动电路内部的逻辑电路动作，封锁脉冲输出，确保集成电路的6个引脚12、11、10、9、8、7输出全为低电平。
图2.1.2TC787管脚与原理图
3、设计特点
（1）TC787适用于主功率器件是晶闸管的三相全控桥或其他拓扑结构电路的系统中作为晶闸管的移相触发电路。
而适用于以功率晶体管（GTR）或绝缘栅双极晶体管（IGBT）为功率单元的三相全桥或其他拓扑结构电路的系统中作为脉宽调制波产生电路，且任一种芯片均可同时产生六路相序互差60°的输出脉冲。
（2）TC787在单、双电源下均可工作，使其适用电源的范围较广泛，它们输出三相触发脉冲的触发控制角可在0～180°范围内连续同步改变。
它们对零点的识别非常可靠，使它们可方便地用作过零开关，同时器件内部设计有移相控制电压与同步锯齿波电压交点（交相）的锁定电路，抗干扰能力极强。
电路自身具有输出禁止端，使用户可在过电流、过电压时进行保护，保证系统安全。
（3）TC787/分别具有A型和B型器件，使用户可方便地根据自己应用系统所需要的工作频率来选择（工频时选A型器，中频100～400Hz时选B型器件）。
同时，TC787输出为脉冲列，适用于触发晶闸管及感性负载；输出为方波，适用于驱动晶体管。
因两种集成电路引脚完全相同，故增加了用户控制用印制电路板的通用性，使同一印制电路板只需要互换集成电路便可用于控制晶闸管或晶体管。
（4）TC787可方便地通过改变引脚6的电平高低，来设置其输出为双脉冲列还是单脉冲列。
4、主要电参数和限制
（1）工作电源电压VDD：
8～18V或±5V～±9V；
（2）输入同步电压有效值：
≤（1/2√2）VDD；
（3）输入控制信号电压范围：
0～VDD；
（4）输出脉冲电流最大值：
20mA；
（5）锯齿波电容取值范围：
0.1～0.15；
（6）脉宽电容取值范围：
3300pF～0.01μF；
（7）移相范围：
0～177°；
（8）工作温度范围：
0～+55℃。
2.1.3闭环智能控制电路的组成
闭环智能控制系统主要有两个主要的电气器件组成：
LM339电压比较器和光敏电阻
1、LM339电压比较器
LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：
1）失调电压小，典型值为2mV；2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为0~（Ucc-1.5V）Vo；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用。
图2.1.3
（1）LM339管脚图
LM339类似于增益不可调的运算放大器。
每个比较器有两个输入端和一个输出端。
两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。
用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。
当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。
当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。
两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。
LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。
选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。
因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。
另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。
LM339可构成单限比较器、迟滞比较器、双限比较器（窗口比较器）、振荡器等。
LM339还可以组成高压数字逻辑门电路，并可直接与TTL、CMOS电路接口。
图2.1.3
（2）LM339原理图
2、光敏电阻
光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。
在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻如图所示。
为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。
构成光敏电阻的材料有金属的硫化物、硒化物、碲化物等半导体。
半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。
当光敏电阻受到光照时，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴，电子—空穴对的出现使电阻率变小。
光照愈强，光生电子—空穴对就越多，阻值就愈低。
当光敏电阻两端加上电压后，流过光敏电阻的电流随光照增大而增大。
入射光消失，电子-空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值，电流也逐渐减小。
3、总体设计
单环无静差闭环智能照明控制系统如图2.1.2。
当输入一个参考电压值Un时，该参考电压与光敏传感器的反馈电压Uf进行比较，经过运放处理后变成Uct，利用脉冲发生器将电压信号转换为晶闸管导通角信号，再去控制路灯的整流电路，就能控制路灯两端电压的大小。
图2.1.3（3）单环无静差闭环智能照明控制系统电路图
2.1.4电源电路组成
7815为三端正稳压器,TO-220F封装，能提供多种固定的输出电压，应用范围广。
内含过流、过热和过载保护电路。
带散热片时，输出电流可达1A。
虽然是固定稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。
一般的双电源（正负对称电源）都没有连续可调的功能，给使用带来一定程度上的不便。
用一块7815和一块7915三端稳压器对称连接，可获得一组正负对称的正负15V稳压电源。
如果能够提供足够的散热片，它们就能够提供大于1.5A的输出电流。
虽然是按照固定电压值来设计的，但是当接入适当的外部器件后，就能能获得各种不同的电压和电流。
整流电路如图2.1.4
图2.1.415v整流电路电路图
2.2智能低压路灯照明控制系统原理与设计
2.2.1系统设计原理
城市路灯通常是彻夜亮着，平均每天照明12h，路灯长期工作在高压状态下，由于路灯照明灯具现在都是采用气体放电灯，起启动电压虽然是220V，但维持照度的电压只需180-200V就可以了，因此，采用低压进行照明不仅可以节省电能，而且能够延缓灯具的老化速度，减少设备的损耗和维护费用。
传统的路灯从晚上18:
00开启到次日早上6:
00，照明亮度始终不变，但是自然光在晚上18:
00到19:
00和早上5:
00到6:
00是渐变的，因此，可以通过逐步改变灯具两端电压来保证自然光和路灯产生的光照强度之和不变。
在白天，自然光充足时，路灯不会亮起。
到了傍晚，自然光慢慢变暗，当光敏电阻感应到一个定值时，会反馈触发电路对整流电路进行触发，使路灯亮起。
同时在光敏电阻在综合自然光和路灯的总和，如果总和没有达到定值，会控制路灯变亮。
当清晨时，自然光变强，这时光敏电阻感应总和，调低灯光亮度。
当电网电压波动时，传统路灯的亮度会发生变化，采用智能低压节能照明系统后，不仅能够保证路灯亮度不随电网电压波动而变化，而且能够防止午夜过后由于用电量减小引起电网电压升高而导致灯具过亮的现象
傍晚时分行人车辆较多，路灯使用效率高，因此，照度参考值可以比较高；午夜以后，行人车辆逐渐减少，路灯使用率降低，因此，照度参考值可以比较低。
分时对路灯进行调节，能够最大限度的优化照明，节省电能。
图2.2.1
（1）为本方案的原理图。
由于环境的亮度是简便的，当夜幕降临时，定时开关闭合，开始照明。
随着环境亮度减弱，光照强度降低，导致光敏传感器产生的电压下降，受其控制的晶闸管导通角因此变小，使得灯具两端的电压上升，从而提高灯具光照强度。
当白昼来临的时候，环境亮度逐渐增大，光照强度提高，导致光敏传感器产生的电压升高，受其控制的晶闸管导通角因此变大，使得灯具两端的电压下降，从而降低灯具的光照强度。
另外，在午夜时分随着用电量的减少，电网电压呈上升趋势。
灯具两端的电压上升时，灯具的光照强度提高，导致光敏传感器产生的电压上升，受其控制的晶闸管导通角因此变大，使其灯具两端的电压保持稳定。
由此系统实现闭环控制，在环境亮度发生变化时能够保证环境亮度稳定。
图2.2.1
（1）方案原理图
方案的关键在于照明光源选择，应根据光源的效率、光通量、寿命、光色、控制配光的难易程度及道路条件等因素进行综合比较来确定。
在我国现阶段适用于道路照明的光源有高压钠灯、高压汞灯、金属卤化物灯及低压钠灯等光源。
道路照明对电光源的的要求是：
发光效率高，使用寿命长，寿命周期的一致性好，有较好的显色性和适当的低照性。
在表2.2.1中对道路照明常用电光源（
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