路灯节能系统的设计The design of the street lamp energy saving system.docx
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路灯节能系统的设计Thedesignofthestreetlampenergysavingsystem
分类号:
无锡职业技术学院
毕业设计(论文)
题目路灯节能系统的设计
英文并列题Thedesignofthestreetlampenergysavingsystem
院系物联网应用技术系班级物联网3
学生姓名学号
所在团队
指导老师
(1)职称工程师、副教授
指导老师
(2)职称工程师
答辩委员会主任主答辩人
二零一四年四月
毕业设计(论文)开题报告
学生姓名
学号
班级
所属院系专业
物联网应用技术
指导教师
职称
工程师、副教授
所在部门
物联网技术系
毕业设计(论文)题目
路灯节能系统的设计
题目类型
工程设计(项目)□
论文类□
作品设计类□
其他□
一、选题简介、意义
我国大部分城市的照明控制和管理仍采用传统的模式,道路路灯和城市夜景亮化的开关由每台箱变或配电柜独立时钟控制,无法做到精确的统一性控制和管理,除了部分实现了路灯变压器的监测外,大部分路灯设施均靠人工巡检的传统管理模式,从而造成路灯电缆、灯具等城市路灯设施失窃和人为损坏严重,与“分时间、分路段、分情景”的科学亮灯模式的管理目标相去甚远;特别是集中亮灯时电流、电压的瞬间剧烈变化对专用变压器和灯具造成的巨大冲击,时常造成设备的损害,大大缩短了设备的使用寿命,增加了城市照明的维护成本。
二、课题综述(课题研究,主要研究的内容,要解决的问题,预期目标,研究步骤、方法及措施等)
本课题的研究目的在于设计出一种路灯节能控制系统,能够有效地解决现阶段路灯照明存在的几点不足,其意义在于:
第一,为城市路灯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;第二,有效利用电力资源,尽量避免电力资源的浪费;第三,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,节省人力物力财力。
本文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,设计了一种基于可变电抗器的新型路灯节能系统,并应用模糊控制算法进行了控制算法设计,并对系统进行了分析总结。
论文研究的主要内容:
1)基于可变电抗技术的功率单元系统机构设计;
2)路灯节能控制系统硬件设计;
3)路灯节能控制系统软件设计;
4)基于模糊控制的智能控制算法设计;
5)路灯节能控制系统的分析。
二、设计(论文)体系、结构(大纲)
系统硬件总体框图
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转换后送入控制器,实现系统的开启和关闭;噪声信号通过噪声传感器转变成电信号,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。
软件的主要设计思想是:
从实际出发根据时间来选择模式,系统有时钟信息,判断白天和黑夜,白天用光控模式,根据外界光线明暗来控制路灯,只有在白天光线很暗时开启路灯。
晚上用自动调节模式,能根据交通情况来自动开启路灯(灯始终随着人的移动来方向来开启,经过的地方路灯及时关闭)。
分别设定每个灯的开启和关闭时间。
主程序流程图
指导教师意见:
签字:
年月日
院(系)审批意见:
签章:
年月日
毕业设计(论文)任务书
2013年12月31日
毕业设计(论文)题目
路灯节能系统的设计
题目来源
自拟
指导教师
谈向萍
职称
工程师、副教授
所在部门
电子信息技术系
学生姓名
学号
1020113142
班级
物联网31191
所属院系专业
物联网应用技术
外语翻译要求
课题需要完成的任务
【工程设计类课题:
】
路灯节能系统的设计:
马路上的许多路灯,在装点城市的同时,浪费了大量的能源,设计一个自动调节灯光的节能系统
技术要求:
1、可行性方案分析及方案论述。
2、硬件的框图及电路设计。
3、各主要器件、单元电路等的选用方案,性能分析及功能介绍。
4、设计电路的原理图及印制板图绘制。
5、毕业设计小结
课题
计划安排
序号
内容
时间安排
1
2.25~3.4查资料,调研参观,初步方案设计
第1—2周
2
3.5~3.20设计电路,编制程序
第3—5周
3
3.21~3.30实际调试,写毕业论文
第6周
4
3.30~4.15修改、完善毕业论文,并做答辩准备
第7—8周
计划答辩
时间
4.15~4.17
答辩提交资料
教研室主任审核意见
签名:
路灯节能系统的设计
摘要:
随着我国城镇发展的需要,路灯越来越多,也就意味着电能消耗和灯具损耗也越来越大。
为了节省电能,建设可持续发展的节能型社会,多种多样的路灯节能方式,花样繁多的节能型的灯具,构成现在路灯节能方法的多样化、复杂化和不统一,从而造成我国路灯难以拥有最节能的系统。
本设计是基于单片机的以AT89C52为主控器的智能路灯节能控制系统,具有对路灯的定时设定功能,也可以分别独立控制路灯的开启和关闭。
能够同时具有调光功能,可以按设定要求使路灯驱动电源输出功率在20%~100%范围内任意调节,能根据环境明暗的变化控制路灯的开启和关闭路灯,根据交通路面情况自动开关灯。
当灯出现故障不亮时,能够检测并且通过声光系统报警,显示器上显示故障灯的编号。
实验表明,智能路灯节能控制系统可明显的提高路灯的用电效率,改善功率因数,在节约能源、电力资源合理利用的今天,该装置有着十分广阔的社会和商业前景。
关键词:
电能;单片机;节能控制;智能路灯
Thedesignofthestreetlampenergysavingsystem
Abstract:
withtheneedsofthedevelopmentofourcountrytown,streetlightmoreandmore,alsomeansthatthepowerconsumptionandlossoflampsandlanternsisbecomingmoreandmorebig.Inordertosaveelectricity,theconstructionofenergy-savingsocietyofsustainabledevelopment,avarietyoflampsandenergysaving,energy-savinglampsandlanternsinawiderangeofdesigns,constitutethediversificationandcomplicationofstreetlampenergysavingmethodandnowisnotunified,resultinginthestreetlightishardtobethemostenergy-efficientsystems.ThedesignisbasedontheanalogcontrollerAT89S52-basedintelligentstreetlightenergy-savingandcontrolsystems,whichhaveStreetlamptimesettingfunction,controlingtheopeningandclosingofthestreetSeparatelyandLight-adjustingfunction,Accordingtosetrequirementsstreetdrivingpoweroutputpowerinadjustablewithin20%~100%.Accordingtotheenvironmentalchangesoflightandshadelightonandoff,AutomaticSwitchlampbasedontrafficroadconditions.Whenthelightsfaultshavegone,candetectandsoundsystemofthepolicedisplayedonthemonitoroffaultlampnumber.Experimentsshowthattheintelligentsystemofenergy-savingandcontrollingstreetlampcansignificantlyimprovethestreetlamps’electricityefficiencyandimprovetheratefactorinenergynowadays,whileisconservationandrationalutilizationofpowerresources,thedevicehasaverybroadsocialandbusinessprospects.
Keywords:
electricity;SCM;Energy-savingandcontrolling;Intelligentstreetlight
第一章绪论
1.1路灯的作用
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。
城市路灯的功能日益突出。
众所周知,城市公用路灯对美化城市、改善投资环境、推动社会经济发展和保障人民生活安全及道路交通安全等方面起着不容忽视的重要作用。
我国的路灯建设取得了飞速的发展,道路照明质量不断提高,高强度气体放电灯被广泛使用,对改善我国的投资环境,促进经济快速发展,方便群众生活,美化城市和作为一个外向型现代化城市的建设起了很大作用。
1.2我国路灯的现状
中国路灯存量在2800万-3000万盏。
近几年每年新增路灯数量为15%-20%,约300万-600万盏。
2011年12月份,我国生产灯具及照明装置2.5亿套,同比增长12.45%。
2011年1-12月,全国灯具及照明装置的产量达25亿套,同比增长6.38%。
从各省市的产量来看,2011年1-12月,浙江省灯具及照明装置的产量达10.7亿套,同比增长9.13%,占全国总产量的42.40%;广东省灯具及照明装置的产量达8.7亿套,同比下降4.44%,占全国总产量的34.43%。
特别是改革开放以来,随着我国经济建设的逐步发展,城市道路建设的发展速度的逐步提高,社会和人民群众对亮灯率和城市形象要求越来越高。
因此,对作为城市建设中不可缺少的城市道路照明和管理也就提出了更高的要求。
为了适应这一发展的需要,提高城市道路照明的管理水平,就必须加快城市道路照明的科技进步和现代化建设进程,用现代化的路灯监控系统来替代原来较为落后、繁琐的路灯运行方式,将有限的人力和机构节约下来,得以发挥其应有的作用,创造更好的社会效益和更多的经济效益。
1.3路灯节能系统的意义
照明在全球约占了19%的用电量,如果全球采用的照明系统效率比现有提升一倍,就可说是相当于移除了欧洲一半的用电量及排热量。
为城市公共照明提供一种科学有效的节电方案;提高城市路灯管理水平,在改善城市道路照明质量的同时,又可以节省人力物力;从国家的城市公共事业建设策略上来说,网络化的公共照明系统也是数字化城市的一个重要组成部分,可以为城市的数字化建设做一个良好的基础和参考;提高了城市基础设施管理水平,有利于提高城市形象。
路灯是我国经济发展和国家建设中必需的用电设备,它在我国的整体用电量中所占比例巨大,如果通过节能装置对其进行有效控制,就能够降低电力损耗,达到节约能源,降低生产安装成本,有助于我国经济的快速发展。
第二章路灯照明节能分析
2.1路灯照明用电的特点
路灯照明用电与其他民用电有以下两方面的特点:
A.城市路灯通常是彻夜照明,道路照明全年每天的平均时间为11.5小时,因此灯具始终长期处于高电压下工作,因为路灯照明的灯具现在都是采用气体放电灯具,该灯具的启动电压虽然是220V,但维持照度的电压190V-200V就可以了,因此灯具即使是在220V的电压下工作,也使灯具的功耗增加,极易老化,灯具的消耗较快。
这不仅增加了电费的开支,又增加了设备的损耗和人力、物力以及维护费用。
B.路灯的工作状态和用电量与其使用效率不成比例。
傍晚时分行人车辆较多,路灯使用效率高,但由于此时电网电压偏低而照度却偏低,用电量少;随着时间的推移,夜晚时分行人车辆逐渐减少,路灯的使用效率降低,但由于电网电压升高而照度反而偏大过亮,用电量大,使大量的电能浪费、灯具设备加快老化和损耗。
2.2路灯照明节电的潜力
从上述路灯照明用电的特点可以看出,路灯照明用电的浪费存在于以下几方面;
A.从路灯的效用出发,在保证照明的前提下,可以减少在实现照明过程中的所有浪费,如采用智能光源的稳压、降压和调光技术,消除在夜晚高电压下产生的多余而无谓的功耗,既可以节省电能电费,又间接起到保护灯具、延长灯具使用寿命的效果。
B.由于路灯在不同时段利用率不同,因此针对不同的时段、不同的照明需要进行不同的用电调节,优化路灯照明分布,减少路灯在用电低谷时用电的浪费。
C.路灯的巡视和维护是路灯管理中费时、费力、费资金的重要环节,因此采用计算机智能控制技术、中央集中控制技术和远程通讯技术,可节省大量的人力、财力、物力。
第三章路灯节能的主要技术方式
3.1路灯无线监控系统
照明监控系统由中央调度室的微机网络系统、无线通信系统和现场的路灯开关箱智能终端组成。
系统根据本地的日出日落时间和光照值,采用时控和光控相结合的控制方法,通过无线数传信道自动遥控开/关灯,并能智能调节电压、遥测现场的工作电压、电流、功率等数据,可对采集到的数据进行分析,自动计算亮灯率,从而判断路灯运行情况。
系统可实现各种故障的语音和声光报警、防盗报警,提高城市照明系统的运行可靠性。
智能化程度高,系统安装复杂,投资规模较大,不适合现阶段大规模推广。
3.2可控硅调压节能
可控硅是传统的电力电子器件,在上世纪90年代初期开始应用到路灯节能上。
采用可控硅交流调压技术的原理是利用可控硅在路灯配电柜或箱式变处让交流电压在一个周期里间断通过或关断来达到调低电压的目的,但其缺点是可控硅交流调压会产生高次谐波和线路震荡,降低灯泡寿命,如果是公用变压器还会产生电力污染。
因此这种技术已被证明不是理想的节能方式,现已很少采用。
3.3单灯节能控制
单灯节电控制系统采用扼流技术达到节电效果,其控制原理如下:
在设备通电后,经单灯节电控制系统数控接收模块控制器,将路灯设备控制在满功率状态,随后按预先设置好的程序,使路灯照明功率及照度按时间自动对道路照明照度进行调节。
这种方式的投资较大,200~400元/灯,且需要建设集中监控系统来进行统一控制,可靠性差、故障发生率高,安装和维护都比较麻烦,目前在国内很少采用。
限流启动不会对灯具产生很大的冲击电流,可以有效地保护灯具,提高使用寿命。
无级调控:
对灯具功率进行无级调控,即慢斜坡式的平滑输出功率,实现对路灯电流及照度的智能化管理。
新建道路降低50%变电设备投入,改建道路扩容100%.有效解决路灯末端电压过低的问题,可有效解决因为路灯末端电压过低而造成灯具熄灭或反复启动的状况出现。
降低灯具维护费用、延长灯具使用寿命,改善电力品质,有效的降低灯具的启动电流,减少了启动时大电流对灯具的冲击.节电率高>40%投资少回收快,安装方便,节电率较为现想,是国内最受关注的路灯节能方式,最受合同能源管理节能服务公司欢迎。
3.4分档位电磁降压节能
以电磁感应方式将供电系统的输入电压予以优化,采用AC-AC直接变换技术调整电压,输给灯光负载的电压为最适宜值,达到既节电又保证照明标准要求的双重目的。
可以对路灯灯具进行软启动,分时段自动降压,故障自动旁路,对电网无污染,投资少回收快,安装方便,节电率较为现想,是国内采用最多的路灯节能方式,最受合同能源管理节能服务公司欢迎。
3.5无触点稳压节能
是国内技术水平较高的一种节能技术,每相采用多抽头的自耦变压器和升压变压器为主要器件,使用可控硅作为开关元件,每相独立控制,电压可升可降,无触点稳压,稳压精度高,安全性和可靠性高。
对电网的过压或欠压进行快速自动补偿,为负载提供稳定的正弦波电压。
额定电压、节电电压水平以及斜坡式升压和降压都是在约0.1s内瞬间完成,因此,照明设备既不会因突然的电压过低而灭弧,也不会因电压过高而烧毁。
对电网无任何干扰,同时还可以提高特定负载的功率因数,减少无功损耗;其软启动功能、稳压水平及慢斜坡方式的电压下调功能,增加了对照明系统的保护作用。
主要应用在照明条件极差或对照明要求高的场所,目前国内在隧道照明节能方面和新建道照明节能方面为设计院的首选产品。
投资相应较高,节电率较高,投资回报较高。
3.6大功率LED光源路灯灯具
LED作为路灯发光效率高,灯具反射损失低,目前白光LED的发光效率约为80lm/W,较传统高压钠灯可以节电50%~60%;不需高压,安全性高;安装维护简便;模块安装、无多余配线;不会造成光污染或浪费;长寿命,意味着不需要经常进行更换,维修费用低。
在铺设成本、耗电成本及寿命方面均大大优于高压钠灯。
不足的是照明角度偏小、不均匀,颜色显色指数偏低,光学、散热设计复杂。
当前技术下的光通量还不够,光效太低,品质难以保证。
另外,LED路灯的价格过高,目前根据不同功率和安装高度,其价位在3000元~5000元/只,大面积推广应用有困难。
3.7高频无极灯路灯灯具
无极灯由高频发生器、耦合器和灯泡三部分组成,其工作原理是:
将高频电磁场能量以感应方式耦合到灯泡内,使灯泡内的气体被击穿形成等离子体,等离子体受激原子返回基态时,辐射出254nm的紫外线,灯泡内荧光粉受到紫外线激发而发出可见光。
寿命长达6万小时以上,是白炽灯的60倍,节能灯的12倍,高压钠灯的4倍。
电压在185V-255V可正常工作。
发光效率高,可达60Lm/W以上。
比白炽灯节能70%以上,比高压汞灯、高压钠灯、金卤灯节能50%以上,具有极低的运行成本和维护成本。
目前在许多城市新建的道路照明上开始采用。
投资回报率高,使用年限长,经济效益明显。
3.8风光互补太阳能节能路灯
风光互补路灯系统主要组成是:
风力发电机、太阳能电池组、控制器、蓄电池、光源。
在白天可以利用太阳光和风力资源发电,晚上利用风力发电机发电,弥补了风能供电或太阳能供电的单一性,使供电系统更具稳定性和可靠性。
运行的时候通过蓄电池向负载放电,为负载提供电力。
路灯开关无须人工操作,由智能时控器自动感应天空亮度进行控制。
风光互补路灯不需要输电线路,不消耗电能,有明显的经济效益。
主是问题是技术还不够成熟,投资大,投资回收期较长,目前应用较少。
第四章方案论证与选择
4.1控制芯片方案选择
方案一:
采用模拟电路模块时间。
由于本系统设计要求时间判断,环境判断,独立控制等逻辑功能,使用模拟电路导致电路的庞大复杂。
方案二:
采用89C51芯片作为硬件核心,采用FlashROM,内部具有4KBROM存储空间,能于3V的超低压工作,而且与MCS-51系列单片机完全兼容,但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术,当在对电路进行调试时,由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时,对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏。
方案三:
采用AT89C52单片机控制LED开关灯时间,片内ROM全都采用FlashROM;能以3V的超底压工作;同时也与MCS-51系列单片机完全该芯片内部存储器为8KBROM存储空间,同样具有89C51的功能,且具有在线编程可擦除技术,当在对电路进行调试时,由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时,不需要对芯片多次拔插,所以不会对芯片造成损坏。
利用单片机的内部时钟与外部中断能够满足系统设计要求,且成本较低,适合路灯系统的大规模建设。
所以选择方案三采用AT89C52单片机控制。
4.2显示模块显示器的选择与论证
方案一:
数码管显示,由于本题要求实时显示系统时间、状态、和故障LED灯编号等,而数码管不能显示字符。
方案二:
LED点阵显示,LED点阵显示虽然能显示字符和数字,但显示效果不好,且不易编程。
方案三:
采用12864液晶显示。
这类液晶的优点是能够显示汉字,不仅仅限于字母数字的显示。
但对于较简单的系统显示,其成本较高,利用率相对较低。
方案四:
采用液晶1602显示能够简单明了的显示出系统的时间,其成本也不高,适合较简单的系统显示。
综上所诉,本设计不需要强大的汉字显示和复杂的系统显示,故采用方案四。
4.3时钟芯片的选择与论证
方案一:
利用555定时器组建定时模块555,555定时器具有成本低,性能可靠等优势,虽然能够做到精确定时但不具备储存时间信息的能力。
方案二:
采用单片机内置时钟振荡及定时器构件时钟平台。
本方案直接利用单片机的内置定时器,通过定时器的中断和简单运算实现时钟功能。
不过其没有外置电路,充分利用了单片机的定时器功能,实施简洁方便,主要缺点是死机或断电后,需要人工重新设定。
方案三:
采用专用时钟芯片。
现在流行的时钟芯片电路很多,如DS1302、DS1307等。
专用时钟芯片,直接将时钟信息存储在时钟芯片中,利用时钟芯片自带的定时器定时,中央控制模块读取该时钟芯片时钟信息,节省其系统资源提高时间精度。
其优势是可以单独使用,直接连接单片机外围,有自己独立的时钟晶振,精度较高。
当单片机读写时钟值时,死机或断电对其影响较小。
其缺点是占用单片机的IO口资源,而且在读写串行口的内容时,消耗了其运行时间。
4.4物体感应模块监测系统方案选择
方案一:
利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。
红外线又称红外光,它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。
任何物质,只要它本身具有一定的温度(高于绝对零度),都能辐射红外线。
红外线传感器测量时不与被测物体直接接触,因而不存在摩擦,并且有灵敏度高,响应快等优点。
方案二:
采用超声波感应,超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。
超声波是一种振动频率高于声波的机械波,由换能晶片电在压的激励下发生振动产生的,它具有频率高、波长短、绕射现象小,特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。
超声波对液体、固体的穿透本领很大,尤其是在阳光不透明的固体中,它可穿透几十米的深度。
方案三:
采用路两边对射方式监测。
优点:
动作的稳定度高,检测精度高,检测距离长。
缺点:
需要架设电线,架设设备费用高,实际操作性受限。
方案四:
采用反射型监测。
优点:
布线、光轴调整方便。
检测物体的颜色、倾斜等的影响很少。
缺点:
检测物体的表面为镜面体的情况下,根据表面反射光的受光不同,有时会与无检测物体的状态相同,无法检测。
综合以上各方案的优缺点,最终选择方案一和方案四。
4.5调光方式的选择与论证
方案一:
采用PWM(脉宽调制)调光方式。
优点:
利用简单的数字脉冲,通过单片机输出高低电平,反复开关白光LED驱动器的调光技术
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