基于單片機(jī)控制的智能化路燈節(jié)能裝置的設(shè)計

0 引言

隨著大中城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，城市市容的改善，照明路燈的數(shù)量越來越多，其用電量占城市的總用電量的比例不斷增加。以往的路燈照明大多采用直接供電方式，人工送電人工關(guān)閉。這種方式有許多不足：供電系統(tǒng)在不同的時間電壓是波動的，在用電高峰期，電壓都低于額定值，在用電低谷期供電電壓又高于額定值，當(dāng)電壓高時不但影響照明設(shè)備的使用壽命，而且耗電量也大幅增加（電源電壓若增加20%，則耗電量增加44%），當(dāng)?shù)凸葧r，照明設(shè)備又不能正常工作；利用人工送電，增加人員開資，有時又不能及時開閉，即影響正常照明又浪費(fèi)電能。因而有必要針對上述問題開發(fā)出一種使用方便又節(jié)能的裝置，這種裝置應(yīng)有如下功能。

（1）穩(wěn)壓控制：無論在用電高峰還是用電低谷，始終能使供電電壓穩(wěn)定在額定值范圍內(nèi)；

（2）顯示功能：可顯示輸入電壓、輸出電壓、三相電流、功率因數(shù)、有功、無功等參數(shù)；

（3）定時啟停：不同地區(qū)不同季節(jié)，晝夜交替時間是不同的，系統(tǒng)能根據(jù)地區(qū)和季節(jié)自動調(diào)節(jié)開閉路燈時間；

（4）根據(jù)天氣情況調(diào)節(jié)啟停時間：在定時啟停功能上能有根據(jù)天氣情況開閉路燈；

（5）自動功率因數(shù)補(bǔ)償：隨著照明設(shè)備的不斷升級，系統(tǒng)應(yīng)有功率因數(shù)補(bǔ)償功能；

（6）效率高，無波形畸變，電壓調(diào)節(jié)平穩(wěn)，適應(yīng)負(fù)載廣泛，能承受瞬時超載，可長期連續(xù)工作，手控自控隨意切換，設(shè)有過壓，欠壓自動保護(hù)功能。
 
1 系統(tǒng)工作原理

交流調(diào)壓方式有多種，常見的有自耦變壓器調(diào)壓方式、調(diào)相方式、磁飽和穩(wěn)壓方式等。這幾種方式均無法滿足路燈節(jié)能裝置的功能要求，自耦變壓器方式在大電流供電時，由于其碳刷的限制，不能滿足要求；而調(diào)相方式存在著波形畸變，即對電網(wǎng)有干擾，又對一些新型照明設(shè)備有干擾，無法滿足要求；磁飽和方式在大功率時因其體積龐大無法滿足要求。

補(bǔ)償變壓器方式可應(yīng)用于交流調(diào)壓中，這種方式的電氣原理圖如圖1所示?，F(xiàn)以一相為列，說明其穩(wěn)壓工作原理。若不計補(bǔ)償變壓器阻抗壓降，則

式中：Uo—穩(wěn)壓器輸出電壓；
Uo=Ui+Ub
Ui—穩(wěn)壓器輸入電壓；
Ub—補(bǔ)償變壓器的輸出電壓。

 
調(diào)壓變壓器是一個雙觸頭輸出，每個觸頭均可在全程范圍內(nèi)移動。當(dāng)觸頭A在上，觸頭B在下時，補(bǔ)償變壓器的輸出電壓Ub相位與Ui相同；當(dāng)觸頭A在下，B在上時，補(bǔ)償變壓器輸出的電壓Ub相位與Ui相反。當(dāng)輸入電壓Ui增加ΔUi時，控制電路調(diào)節(jié)觸頭A與B移動，使觸頭B移到上端，A移到下端，補(bǔ)償電壓Ub也相應(yīng)改變ΔUb，且ΔUb=-ΔUi，Uo= Ui-ΔUb，使輸出電壓Uo保持不變；當(dāng)輸入電壓Ui減小ΔUi時，控制電路則將觸頭A移到上端，B移到下端，此時ΔUb=ΔUi，Uo=Ui+ΔUb，使輸出電壓Uo保持不變。

當(dāng)系統(tǒng)是三相電源時，電路由三相補(bǔ)償變壓器TB、三相調(diào)壓器TUV、電壓檢測單元、伺服電機(jī)控制機(jī)構(gòu)，保護(hù)電路等組成，電氣原理圖如圖2所示。

調(diào)壓變壓器TUV的一次繞組接成Y形，連接在穩(wěn)壓器的輸出端，二次繞組連補(bǔ)償變壓器TB的一次繞組，而補(bǔ)償變壓器的二次繞組串聯(lián)在主電路中。

其穩(wěn)壓過程是：根據(jù)輸出電壓的變化，由電壓檢測單元采樣，檢測并輸出信號，控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動變壓器TUV上的電刷來調(diào)節(jié)變壓器的二次電壓，以改變補(bǔ)償電壓的極性與大小，實現(xiàn)輸出電壓自動穩(wěn)定在穩(wěn)壓整定精度允許的范圍內(nèi)，從而達(dá)到自動穩(wěn)壓的目的。

補(bǔ)償變壓器方式具有體積小、控制靈活、調(diào)壓變壓器的功率和輸出電流可減至最小、可連續(xù)工作和過載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

2 控制電路的硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)的硬件電路由控制單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器、LCD顯示、時鐘電路、伺服驅(qū)動器等組成。硬件框圖如圖3所示。

2.1 單片機(jī)

單片機(jī)采用P89C51RD2，P89C51RD2單片機(jī)具有64K并行可編程的非易失性FLASH 程序存儲器，并可實現(xiàn)對器件串行在系統(tǒng)編程ISP 和在應(yīng)用中編程IAP。在系統(tǒng)編程ISP（In-system Programming），內(nèi)部有1KB的RAM，通過并行編程器選擇6 時鐘/12 時鐘模式（芯片擦除后默認(rèn)的時鐘模式為12 時鐘），4 個中斷優(yōu)先級，雙DPTR 寄存器，可編程計數(shù)器陣列PCA，PWM輸出等功能。P89C51RD2單片機(jī)應(yīng)用到本系統(tǒng)中不用外擴(kuò)程序存儲器及數(shù)據(jù)存儲器，單片機(jī)的所有I/O口均工作在普通I/O工作方式，為節(jié)約口線，外圍器件均選用帶串行數(shù)據(jù)通訊的芯片，為防止干擾所有與強(qiáng)信號打交道的信號線均采用光電隔離，串口經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后一方面可做ISP功能，另一方面將來可與上位機(jī)進(jìn)行通信。

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路由信號調(diào)理電路及A/D轉(zhuǎn)換電路組成。信號調(diào)理電路主要功能是將外部的電壓、電流和環(huán)境光線等信號轉(zhuǎn)換成A/D能夠接受的信號范圍，A/D轉(zhuǎn)換芯片采用TLC2543轉(zhuǎn)換器。TLC2543是14通道輸入的12位A/D轉(zhuǎn)換器，芯片內(nèi)部利用3個通道，外部有11個通道，輸入電壓是0~5V（VER-=0，VER+=5V），TLC2543與CPU的接口采用SPI方式，其管腳有轉(zhuǎn)換結(jié)束EOC、片選CS、數(shù)據(jù)輸入DI、數(shù)據(jù)輸出DO，TLC2543可工作在8位和12位方式，可在初始化中選擇，轉(zhuǎn)換啟動利用命令方式，只要在命令中送入相應(yīng)的通道號TLC2543即開始轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后EOC有低脈沖送到單片機(jī)，單片機(jī)響應(yīng)中斷后可對TLC2543讀轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，同時可送下一通道啟動命令。

2.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動采用市售的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊，與單片機(jī)接口只需5條線，模塊的管腳有方向控制、步進(jìn)脈沖、制動信號、GND和VCC。單片機(jī)采集三相電壓后，與設(shè)定值比較運(yùn)算后，決定步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方向及步進(jìn)脈沖數(shù)，一旦輸出電壓在誤差范圍內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)即停止運(yùn)行。

2.4 顯示及鍵盤電路

顯示器采用128×64LCD顯示器，各數(shù)據(jù)可分屏顯示，顯示器與單片機(jī)的接口是4線式串行數(shù)據(jù)傳輸方式。鍵盤采用4×4矩陣式鍵盤，共16個按鍵，通過鍵盤可設(shè)定系統(tǒng)時間、穩(wěn)定電壓、經(jīng)緯度、開關(guān)路燈時間等參數(shù)。

2.5 環(huán)境光線檢測電路

環(huán)境光線檢測電路的功能是檢測室外的光線，只要在設(shè)定時啟動此功能，當(dāng)室外光線暗到一定程度時，裝置可自動開啟路燈。電路如圖4所示。

當(dāng)環(huán)境光線很亮?xí)r，光敏電阻RS阻值很小，此時三極管集電極電壓很低，當(dāng)環(huán)境光線暗到一定的程度時，輸出OUT電壓升高，當(dāng)高于設(shè)定值時，單片機(jī)控制路燈開啟。

2.6 功率因數(shù)檢測電路

電壓及電流經(jīng)整形后，送到單片機(jī)的INT0、INT1，當(dāng)INT0（電壓信號）產(chǎn)生中斷后啟動定時器T0計數(shù)，當(dāng)INT1（電流信號）產(chǎn)生中斷后讀T0計數(shù)，當(dāng)再一次INT0中斷時讀出T0值，同時清T0。由T0兩次讀出的值可算出電源的頻率及功率因數(shù)。

3 控制電路的軟件設(shè)計

軟件程序使用C51語言，采用模塊化方式編程。軟件由主程序、A/D采樣程序、數(shù)字濾波程序、顯示程序、鍵處理程序、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動程序、電壓調(diào)節(jié)程序、功率因數(shù)補(bǔ)償程序等組成。

3.1 主程序

系統(tǒng)開始工作后主程序首先對單片機(jī)內(nèi)部及外部的資源初始化，然后依次調(diào)用各功能模塊程序。

3.2 A/D采樣程序

A/D采樣程序由主程序循環(huán)調(diào)用，每次對外部10個模擬量采集12次，經(jīng)數(shù)字濾波后送到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，供其它程序使用。

3.3 電壓調(diào)節(jié)程序

電壓調(diào)節(jié)程序采用PID算法，其輸入量是設(shè)定的穩(wěn)壓值與輸出電壓經(jīng)PID運(yùn)算后再經(jīng)標(biāo)度變換，轉(zhuǎn)換成步進(jìn)電機(jī)輸出的脈沖數(shù)，供步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動程序使用。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動程序比較簡單，根據(jù)PID算出的脈沖數(shù)及方向經(jīng)I/O口向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器送出相應(yīng)的脈沖，由于系統(tǒng)的穩(wěn)壓精度可通過鍵盤設(shè)定在一定的范圍，因而系統(tǒng)在調(diào)壓過程中不存在超調(diào)現(xiàn)象。

3.4 顯示程序

顯示程序是將電壓、電流、功率因數(shù)、系統(tǒng)時間、工作狀態(tài)等參數(shù)分屏顯示到LCD上，由于LCD模塊內(nèi)部有漢字庫，因而在顯示漢字時可直接送漢字的內(nèi)碼，動態(tài)數(shù)字也利用LCD內(nèi)部的字模顯示，在程序中無需建立字模。

3.5 功率因數(shù)補(bǔ)償程序

根據(jù)中斷INT0、INT1讀回的數(shù)據(jù)算出功率因數(shù)，與設(shè)定的功率因數(shù)比較，經(jīng)運(yùn)算后控制外部的繼電器對電容組進(jìn)行投切，可使路燈供電支路的功率因數(shù)保持在設(shè)定范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

智能化路燈節(jié)能裝置采用變壓器補(bǔ)償穩(wěn)壓方式，利用單片機(jī)運(yùn)算控制能力強(qiáng)的特點(diǎn)，具有體積小、工作可靠、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，如能推廣使用，會使城市路燈管理工作提高到一個新的水平，它不但節(jié)約能源，同時也可減少照明燈具的損耗，因而具有廣泛的推廣前景。

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