智能节能路灯控制系统设计之欧阳史创编.docx
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智能节能路灯控制系统设计之欧阳史创编
河北机电职业技术学院毕业论文
时间：
2021.02.10
创作：
欧阳史
题目智能节能路灯控制系统设计
系别电气工程系
专业电气自动化技术
姓名孟学文
指导教师刘成伟
智能路灯节能控制系统设计
杨亮亮
（安徽工业大学工学院农业电气化与自动化07级）
摘要：
随着我国经济的快速发展，电力消费也随之快速地增长。
电力资源已成为紧缺资源。
如何节能降耗已成为近年来研究的热点课题。
本文研究的智能路灯节能控制系统是针对我国在城市照明上所存在的巨大的能源消耗而开发的基于单片机的新型节能控制系统，集稳压控制、软起动功能、自动起停、智能调压控制于一体。
智能路灯节能控制系统将晶闸管功率变换单元和智能控制系统相结合，利用可变电抗器隔离高压和低压，将可变电抗器的一次绕组（高压）与路灯相串联，将二次绕组与晶闸管和具有模糊控制算法的控制系统相联，通过改变其低压绕组上的电压来控制高压绕组上电压的变化，从而达到改变路灯端电压的效果，以实现路灯的软起动和调压节能。
本文对基于单片机的智能路灯节能控制系统进行了深入分析和研究。
讨论了智能路灯节能控制系统的构思、设计方案，介绍了该装置的系统设计、工作原理，详细分析了以89C51为主控单元的硬件电路设计，以及电气连接。
关键词：
单片机、智能路灯
Abstract:
withtherapiddevelopmentofoureconomy,electricityconsumptionissubsequentlyfastgrowth.Electricpowerresourcehasbecomeshortageresources.Howtoenergyconsumptionhasbecomethehottopicresearchinrecentyears.
ThispaperstudiesofintelligentstreetlampenergysavingcontrolsystemisaimingatexistinginurbanlightingonthehugeenergyconsumptionanddevelopmentbasedonSCMsystem,setthenewenergy-savingcontrolvoltagecontrol,softstartertofunction,theautomaticstartingandstopping,intelligentpressureregulatingcontrolinonebody.Intelligentstreetlampenergysavingcontrolsystemswillbethyristorpowerchangingunitandintelligentcontrolsystembycombining,highvoltageandlowvoltagevariablereactorisolation,awindingvariablereactor（HVT）andstreetlampinseries,willbesecondarywindingsandthyristorandfuzzycontrolalgorithmwithassociatedthecontrolsystembychangingitslowvoltagetocontrolthewindingvoltagehvwinding,soastoachievethechange,theeffectsofvoltagechangestreetlampsinordertorealizethesoftstartandpressureregulatingenergy-saving.
Thispaperbasedonsinglechipmicrocomputerintelligentstreetlampsofsavingenergycontrolsystemforthein-depthanalysisandresearch.Discussestheenergycontrolsystemofintelligentstreetlampconceive,designproject,introducedthedevicesystemdesign,workingprinciple,andanalyzedthe89C51asthecontrollerinthehardwarecircuitdesign,theunitandelectricalconnections.
Keywords:
SCM,intelligentstreetlight,electricalconnections.
1绪论
1.1概述
近年来，随着经济的发展，城市道路照明的重要性同益增大。
所以，保证道路照明设备的有效性与安全性，得到了越来越多的重视。
此外，城市亮化工程也是城市现代化建设的重要内容，为营造优美舒适的投资环境，提升城市形象，我国城市照明工程发展迅猛，从而大大增加了城市的用电量，导致政府承担巨额的财政支出，同时也加剧了我国日趋紧张的能源供需矛盾。
随着路灯照明规模的不断扩大，传统的技术方式下管理部门的维护成本也高速增长。
因此，提高路灯系统的管理水平，在满足城市道路照明要求的同时，实现智能化的节能照明，在客观上有迫切要求，也是解决城市美化与能源紧张最佳选择。
节能路灯不仅为城市交通提供一种科学有效的方案，保证路灯照明的有效性与安全性；而且有效利用电力资源，尽量避免电力资源的浪费；还提高了城市基础设施管理水平,在改善城市道路照明质量的同时，节省人力财力物力。
课题设计的主要研究内容是针对目前路灯照明中存在的问题，结合国内外各种路灯节能的研究成果，设计一种基于可变电抗器的新型路灯节能系统。
课题研究的主要内容是基于可变电抗技术的功率单元系统结构设计；和路灯节能控制系统硬件设计；
2方案论证与选择
智能路灯节能控制系统的方案是对系统的总体结构和每一部分的构成及功能做出简要介绍。
系统核心为智能控制器和可变电抗器两部分：
智能控制器主要进行数据处理，对可变电抗器给予控制信号；可变电抗器通过改变一次侧电抗实现路灯调压。
2.1智能路灯节能方案概述
智能照明调控装置采用单片机控制系统，实时采集输出、输入电压信号与最佳照明电压比较，通过计算进行自动调节，从而保证输出最佳的照明系统工作电压，具有以下优点：
优化电力质量，节约照明用电针对电网电压偏高和波动等现象，调控装置可根据用户现场实际需求，实时在线调控输出最佳照明工作电压，并能将其稳定在士2％以内，有效提高电力质量，从而达到节电的效果。
2.2智能路灯节能控制系统结构设计
智能控制器信号流程图如图2．1所示
系统工作时在固定的时间内，通过设置在路面的光传感器检测路面光照状况，并送入智能控制器，智能控制器判断路灯照明系统是否需要起动。
如果需要，则控制功率变换单元完成路灯系统的软起动。
路灯节能控制系统主要由可变电抗器、智能控制器等几部分组成。
路灯节
能系统结构框图如图2．2所示。
图2．2中，环境光信号和时间信号送入智能控制器进行相应处理，智能控制器负责对检测信号做出处理给出控制信号控制可变电抗器，由可变电抗器触发晶闸管导通角调节路灯两侧电压，达到实时控制和节能的目的。
2.3可变电抗器
可变电抗器由可变电抗变换器和功率变换器构成，是对传统电抗器的一次结构性创新。
它在传统电抗器中引入了二次线圈，二次线圈与电力电子功率变换器连接。
通过智能控制器控制电力电子功率变换器，改变可变电抗变换器二次侧的电流，从而改变可变电抗变换器的一次侧的电流，当输入电压不变时，即实现可变电抗器阻抗的改变。
基于功率变换的可变电抗器的结构框图如图2．3所示。
图2．3中，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。
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2．4所示。
图2-4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。
2.4智能控制器
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是光学传感器，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；
2.5每只LED灯控制逻辑关系图
每只LED灯控制逻辑关系她如图2-5所示，在规定的时间条件成立的条件下，当明暗条件成立的情况下开灯。
2.6系统硬件总体划分
整个系统可以分为传感器、智能控制器、可变电抗器和路灯四个部分。
系统硬件总体框图如图2-6所示
图2-6系统硬件总体框图
2.7智能控制器总体设计
智能控制器硬件主要由光学传感器、单片机与转换电路和各个辅助电路组成，其工作原理为：
光电式传感器实时检测路面光照度，并将其转变成模拟电信号，经A／D转换送入CPU，实现系统的开启和关闭，系统硬件结构图如图2-7所示。
图2-7智能控制器结构图
3智能路灯节能控制系统各电路部分设计
系统硬件设计分为智能控制器的设计和可变电抗器的设计。
智能控制器采用了上下位机的形式，主要功能有人机交互设备和电压过零检测等；可变电抗器设计包括晶闸管同步触发控制以及电流检测过流保护等；最后还介绍了系统的供电电路，这些构成了智能控制系统的硬件部分。
硬件系统的工作原理为：
光电传感器将光信号转变成模拟电信号，通过A／D转换后送入智能控制器，实现系统的开启和关闭；时间信号通过A/D转换器变成电信号，通过模糊控制算法实时处理交通流量信息，调节路灯照度，实现节能控制。
3.1环境光控制电路的设计
利用光敏电阻的阻值与光照度呈反比例关系，采样其两端的电压信号，利用采样的电压信号通过施密特触发器输出的TTL电平来控制LED灯的开关。
电路可靠，有效地避免由于短时间光照剧烈变化引起的误动作，操作者可以通过电位器方便的进行调试。
电路图如3-1所示：
1.555定时器介绍：
1555定时器内部结构图：
②555定时器的简图：
555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。
它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3
555定时器的功能主要由两个比较器决定。
两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。
在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的同相输入端的电压为2VCC/3，C2的反相输入端的电压为VCC/3。
若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器C2的输出为0，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。
如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则C1的输出为0，C2的输出为1，可将RS触发器置0，使输出为0电平。
它的各个引脚功能如下表：
引脚
功能
GND
外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地
TRIG
低触发端
Q
输出端Vo
R
是直接清零端。
当端接低电平，则时基电路不工作，此时不论、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。
CVolt
VC为控制电压端。
若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。
THR
TH高触发端
DLS
放电端。
该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。
Vcc
外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3~18V。
一般用5V。
在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器A1、A2基准电压分别为的情况下，555时基电路的功能表如表3-1示。
清零端
高触发端TH
低触发端
Q
放电管T
功能
0
—
—
0
导通
直接清零
1
<2Vcc/3
0
导通
置0
1
>2Vcc/3
>Vcc/3
1
截止
置1
1
<2Vcc/3
>Vcc/3
0
不变
保持
555的应用：
构成施密特触发器，用于TTL系统的接口，整形电路或脉冲鉴幅等；
构成多谐振荡器，组成信号产生电路；如下图
振荡周期：
T=0.7（R1+2R2）C
构成单稳态触发器，用于定时延时整形及一些定时开关中。
555应用电路采用这3种方式中的1种或多种组合起来可以组成各种实用的电子电路，如定时器、分频器、脉冲信号发生器、元件参数和电路检测电路、玩具游戏机电路、音响告警电路、电源交换电路、频率变换电路、自动控制电路等。
3.2时钟电路
使用时钟专用芯片DS1302进行时钟控制，通过外加很少的电路就可以实现高精度的时钟信号。
外围电路简单可靠，时间精度高，采用串口通信可以节省I/O口的资源，通过外接锂电池后可以实现时间信息储存。
电路图如3-5所示：
图3-2时钟控制电路图
1.日历时钟芯片DSl302
DSl302是一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片，对年、月、日、周日、时、分、秒计时，且有闰年补偿功能，工作电压宽达2．5~5．5V。
采用三线接口与CPU同步通信，并采用突发方式一次转送多个字节的时钟信号或RAM数据。
内部有一个31"8的用于临时性存放数据的RAM寄存器，有主电源／后备电源双电源引脚，提供了对后备电源涓细电流充电能力。
DSl302控制字说明DSl302控制字如表3．1所示。
其中X1、X2为32.768kHz晶振端；GND为地；/RST为复位端，高电平时允许I/O端进行数据传输，低电平时则禁止数据传送并且使I/O端呈高阻状态；I/O为串行数据输入、输出端、所有输入、输出数据的传送顺序以最低位LSB打头，最高位MSB结束；SCLK为同步时钟脉冲端，其上升沿将I/O端数据按位写入DS1302,下降沿使DS1302按位输出数据至I/O端；VCC2、VCC1为主电源和备份电源端，当主电源VCC2大于备份电源VCC1+0.2V时，由VCC2对芯片供电，否则，由VCC1对芯片供电。
DSl302数据输入输出：
控制指令自输入后的下一个SCLK时钟上升沿时数据被写入DSl302，数据输入从低位即位0开始。
紧跟8位的控制指令字后下一个SCL脉冲下降沿读出DSl302数据，读出数据是从低位0至高位70DSl302。
寄存器：
DSl302共有12个寄存器，其中有7个寄存器与日历、时钟相关，存放数据位为BCD码形式。
DSl302与RAM相关的寄存器分为两类，一类是单个RAM单元，共31个，每个单元组态为一个8位字节，命令控制字为COH．FDH，奇数为读操作，偶数为写操作；再一类为突发方式下的RAM寄存器，此方式下一次读写所有RAM31个字节，命令控制字为FEH（写）、FFH（读）。
DSl302在系统中的硬件电路：
DSl302与LPC938连接仅需三条线，即SCLK（7）、I／O（6）、／RST（5）。
表3-2管脚描述
引脚
说明
X1X2
32.768kHz晶振端
GND
接地
RST
复位端口
I/O
输入输出接口
SCLK
同步时钟脉冲端
Vcc1Vcc2
主电源和备份电源
2.DS1302的控制部分
DS1302与微处理器进行数字交换时，首先由微处理器向电路发送命令字节，命令字节最高位MSB（07）必须为逻辑1，如果D7=0,则禁止写DS1302，即写保护；D6=0，指定时钟数据，D6=1，指定RAM数据；D5～D1指定输入或输出的特定寄存器；最低位LSB（D0）为逻辑0，指定写操作（输入），D0=1，制定读操作（输出）。
在DS1302的时钟日历或RAM进行数据传送时，DS1302必须首先发送命令字节。
若进行单字节传送，8位命令字节传送结束之后，在下2个SLK周期的上升沿输入数据字节，或在下8个SCLK周期的下降沿输出数据字节。
DS1302与RAM相关的寄存器分为两类：
一类是单个RAM单元，共31个，每个单元组态为一个8位的字节，其命令控制字为C0H～FDH,其中其数为读操作，偶数为写操作；再一类为突发方式下的RAM寄存器，在此方式下可一次性读、写所有的RAM的31个字节。
数据输入时，时钟的上升沿数据必须有效，数据的输出在诗中的下降沿。
如果为低电平，那么所有的数据传送将被终止且I/O引脚变为高阻态。
上电时，在VCC>2.5V之前，必须为逻辑0。
当把驱动至逻辑1状态时，SCLK必须为逻辑0。
单字节数据输入跟随在写命令字节的8个SCLK周期之后，早控制指令字输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时，数据被写入DS1302，数据输入从低位即位0开始。
同样，在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据，读出数据时从低位0位到高位7。
3.3横流驱动电路
利用三端可调稳压集成块LM317，实现恒流输出。
其电路图如图3-3所示：
图3-3横流驱动电路
LM317的引脚功能说明：
表3-3LM317的引脚说明
引脚
说明
Vin
输入端
ADJ
调整端
+Vout
输出端
LM317的内部结构：
LM317的内部电路有比较放大器，偏置电路，电流源电路和带隙基准电压Vref等，它的公共端改接到输出端，器件本身无接地端。
所以消耗的电流都从输出端流出，内部的基准电压接至比较器的同相端和调整端之间，若接上外部的调整电阻R1,R2后，输出电压为：
V0=Vref（1+R2/R1）
3.4故障检测电路
利用PWM脉宽调制法来控制灯，可以精确的控制灯的亮度和功率，而且LED灯在从暗到亮的变化中过度平滑。
可以选用单片机内部集成有两路PWM脉宽，能方便的产生所需要的PWM脉宽调制信号。
图3-4故障检测电路
3.5电源电路的设计
本设计电源电路主要为主控电路提供稳定的电压，由于单片机的工作电压时+5V，所以电源电路设计采用LM7805来生成所需电压。
下面先介绍一下这种芯片。
1.LM78系列集成三端稳压器
78xx系列集成电路的外形如图A所示，芯片上自带一孔、散热片，使用时应用螺钉将其固定在铝质散热片上，以利散热。
图1使LM78系列的典型应用电路，这个电路非常简单，在电路的输入和输出关系比较明确的情况下，一般在在电路图中不再标明集成块的引脚序号。
C1为输入电容，一般情况下可省去不接，但当集成块远离整流滤波电路时，应接入一只0.33uF左右的电容器，其作用是改善纹波和抑制输入的过电压。
C2为输出电容器，只要接抑制0.1uF左右的电容器就可以改善负载的瞬态响应，在实际应用电路中，C2往往使用大容量的电解电容，目的是使输出直流电压更加平滑，但此时如果集成块的输入端出现短路故障，输入端上的大电容储存的电荷将通过集成块内部的输出调整管得发射机—基极PN结放电，瘾大电容释放的能量较大有可能会造成集成块的损坏。
为解决这一矛盾，可在集成块的输入端与输出端之间反接一只二极管，见图2中的VD。
这个二极管可在电路出现输入端短路故障时为电容C4提供放电通路，以保护集成稳压器。
2.电源电路的设计
本设计采用交流220V供电，由于在本设计中需要+5V直流电，电源电路设计如图3-4所示：
图3-4电源电路
220V/50HZ的交流电进入本电路中，首先经过变压器进行变压，由于交流220V变为15V，交流15V进入电桥电路进行整流，由于交流电整流为直流电，再进行电容的滤波后进入5V集成三端稳压器7805，生成+5V直流电，供给单片机和各部分电路使用。
3.6报警电路的设计
1.报警电路概述
当路灯发生故障时，采用报警电路引起工作人员注意，报警电路接口由两部分组成：
1乐曲发生器，即集成电子音乐芯片；
2放大电路，也可采用集成放大器。
报警电路接口电路如图所示，图中采用华尔兹音乐的电子音乐芯片7920A。
当89C51从P1.7输出高电平时，电子音乐芯片7920A的输入控制端MT变为1.5V高电平，输出端Vout便发出乐曲信号，经M51182L放大而驱动扬声器发出乐曲报警声，音量大小由10K
电位器调节。
相反，若P1.7输出低电平，则7920A因控制端MT输入电位变低而关闭，故扬声器停止奏曲。
图3-5报警电路
7920A芯片所实现的功能：
表3-47920A引脚的说明
引脚
说明
VCC
电源
MT
输入控制端
G
接地
OUT
输出端
4控制部分设计
4.1单片机系统介绍
AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
并且与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
1AT89C51主要特性：
与MCS-51微机控制系列产品兼容，4K字节可编程闪烁存储器，寿命：
1万次写/擦循环数据保留时间：
10年，全静态工作：
0Hz-16MHz，三级程序存储器锁定，宽工作电压范围：
Vcc可为+2.7V～+6V。
空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。
2引脚说明：
AT89C51的引脚结构图，有双列直插封装（DIP）方式和方形封装方式。
外形及引脚排列如图所示
电源及时钟引脚：
VCC、GND、XTAL1、XTAL2。
控制引脚：
/PSEN、ALE/PROG、/EA/VPP、RESET（即RST）。
I/O引脚：
P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O的外部引脚。
351单片机的引脚图：
4.2整个系统的控制流程
智能节能控制系统主要采用单片机进行控制，根据环境的明暗程度以及时间条件来决定路灯的开与关，同时运用调光电路对路灯的明暗程度做出相应的改变，其控制流程如下图所示：
4.3显示装置流程图
总结与展望
随着近年来随着城市化进程不断加快，市政照明耗能不断加大，改进现有路灯系统已成为目前国内外的热点课题之一。
智能路灯节能控制系统是专为大中规模的照明系统设计的智能装置，它的研制将是照明设备节
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