1、。11.1 课题概述。1.1.1 课题的题目。1.1.2 课题研究的背景。1.1.3 课题研究的目的及意义。1.2 课题的国内外研究现状。1.2.1 国外研究现状。1.2.2 国内研究现状。21.3 论文的主要研究内容。2 系统方案设计。32.1 节能方法。2.1.1 传统节能方法。2.1.2 具有智能控制的节能方法。 32.2 智能路灯节能控制系统方案设计。42.3 智能路灯节能控制系统结构设计。52.3.1 设计思路。 52.3.2 总体设计框图。63 硬件设计。73.1 硬件结构设计。3.2 光学信号的采集与检测设计。83.2.1 光源检测原理。3.2.2 检测装置所需器件及选型。 83
2、.3 红外检测信号的采集与单片机的处理。103.3.1 红外检测原理。3.3.2 热红外传感器的结构和原理。4 软件设计。124.1 软件结构设计。4.2 程序设计。134.2.1 设定时间程序。5 总结与体会。17参考文献。181 绪论1.1 课题概述1.1.1 课题的题目课题的题目:路灯节能控制器的设计及应用1.1.2 课题研究的背景随着社会的发展，能源问题己经成为全球最为关注的问题之一，能源危机已经成为全人类所面临的主要危机，特别是我国的电力能源近年来显得十分吃紧，电力紧张阻碍着我们的日常生产、生活，甚至严重影响到我国经济的发展与社会文明的进步。在城市亮化、美化大潮的趋势下，城市景观照明
3、耗电也吞噬着我们的电力资源。而发电企业投资和建设需要一个较长的周期，快速的经济发展需要更多更充足 的电力供应和消耗，电力的供求之间矛盾重重。电力供应缺口很难在短期内得 以缓解，发展与节约并重，已经成为经济建设的必然选择。此时，灯光照明行 业节电也成为了我们的必然选择!1.1.3 课题研究的目的及意义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。本文研究的智能路灯节能控制器是通过运用MCS51单片机设计的，通过配套的功率变换组件，可在路灯的启停和运
4、行中，有效的调节路灯的端电压，控制路灯的照明亮度，从而改变了路灯在不同时段的耗电量，改善了功率因素，到了节约电能的目的。1.2 课题的国内外研究现状1.2.1 国外研究现状近20年来，美国和日本照明节能集中在使用紧凑型荧光灯（CFL）和荧光灯采用镇流器两个方面，两个国家中用新技术替换老产品的过程有点不同:2001年美国销售的镇流器中电子的占53%，而日本只有36%。而两个国家在销售CFL灯占白炽灯的比例中，美国只占3%，日本占了15%。两个国家的国家、省和地方都在立法， 鼓励和普及活动这三方面做文章，旨在推动节能产品的广泛使用。国外照明节能技术的发展具有以下特点.（1） 大力推动绿色照明，在光
5、源的材料，使用规范上加以有效管理，出台了一系列的标准和管理要求，将照明节能推广到全民范围;（2） 不断提高功率器件性能要求，主要体现在镇流装置上技术提高。通过对镇流器技术改进来提高照明设备的功率因素。1.2.2 国内研究现状目前我国市场上有多种路灯节能控制产品，能达到一定节能效果，但就功能和效果上还不能尽如人意，主要有以下几类情况:采用自耦变压器及磁饱和电抗器的降压技术。其不足是由于反应速度较慢，用电高峰时电压降到非稳定区，容易造成灯光闪灭，不能自动调节，同时如果电压突然升高，则不能避免灯具受到市电的瞬时高压冲击，对灯具的保护能力较差;相对来说稳压功能较差。.针对于磁饱和电抗器来说，除了上述不
6、足外，其效率也普遍偏低。采用电子器件构成的可控硅式设备。该设备主要采取简单的相控技术，不足之处是元件易发热烧坏，由于采用相控技术产生谐波污染电网，使荧光灯及气体灯小停闪动，减损灯具寿命及相关附件的使用寿命，降低照明质晕，不绿色不环保，国家相关规定已明令禁止使用这种无功补偿技术设备。以系统节电滤波形式，主要是净化电网，补充无功功率，补偿电网，而对于有功电度表计量系统，缺少实际节电效果。1.3 论文的主要研究内容本文结合国内外最新研究成果，比较几种常用的路灯节能控制方法。讨论了基于可变电抗技术的功率单元的结构和系统构建。详细描述了路灯智能控制系统的硬件结构、电路设计，并应用模糊控制算法进行了控制算
7、法设计，最后对系统进行了仿真和调试，并对试验结构进行了分析。论文研究的主要内容:（1） 基于可变电抗技术的调压节能系统结构设计；（2） 基于MCS51单片机设计的路灯节能控制器；（3） 路灯节能控制系统硬件设计；（4） 路灯节能控制系统的仿真和试验研究。2 系统方案设计2.1 节能方法2.1.1 传统节能方法长期以来，国内大多数城市路灯照明控制广泛采用传统控制方式，其节能方法主要有以下几种:人工控制节能方式:根据开关灯时间表由值班人员负责手动进行开/关灯操作。时控节能方式:以时间为唯一的开关灯依据，不论气象条件如何变化，均只能在规定时刻开关灯，随季节变化人工干预调整开关时间。光控节能方式:按光
8、照度的差异来控制路灯开关。这些节能方式存在着较为明显的缺憾，国内大多数城市路灯的开/关灯控制由各变压器（配电箱）分散控制，尽管城市路灯运行有专门控制线，只有控制功能而无法实现监测。由于不能严格按照室外自然光照度进行控制，不仅实时性差， 故障率高，而且浪费严重。另外，传统控制方式要求人不离岗，及时控制灯光的开启和关闭，由于人工控制误差而造成电能浪费很是惊人。比如采用定时器控制方式时，由于一年四季的时差，要经常对定时器进行人工调整，从夏至到冬至，日出时间推迟、日落时间提前;从冬至到夏至，日出时间提前、日落时间推迟，据此天气现象，要求路灯开关时间根据日出日落时间进行调整。这样不仅消耗大量人力资源，还
9、可能由于调整不及时而造成浪费。2.1.2 具有智能控制的节能方法该节能方法是通过智能控制器对功率单元进行控制，进而操控可变电抗变换器来改变路灯的输出电压，通过改变路灯的光照来实现节能。其系统结构图如图2-1所示。图2-1路灯节能系统结构图此方法利用了人眼在夜晚行进时对光照要求不敏感的特点改变了路灯的端电压， 在不同的时段根据实际要求获得相应的照度，实现路灯亮度的智能化调节。其基本思想是:将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
10、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.其工作过程为:首先，通过对光照信号的采集，由智能控制器判断路灯照明系统是否需要开启，如需要运行则由功率单元来完成路灯的软启动（一般情况下是由数十、甚至上百盏路灯组成一条街道的照明系统）。路灯开启后，当到达指定的时间后，智能控制器会做出判断，之后会关闭路灯，进入到另一种状态，此时如果有人经过并且天黑，那么智能控制系统会让灯自动开启并且延时，延时时间根据控制者的要求而定。智能控制器作为整套系统的核心部分其控制方式选取的为模糊控制算法，采集的外部信号通过放大、转换后输入到控制器的微处理器中，这里我们采集的信号为光信号与声音信号两种，
11、其中光信号用来控制整套系统的启停，而声音信号则用来实时反映外部环境的要求，通过模糊控制的方式将采集的数据进行处理比对，选取最优化的控制信号加以输出。2.2 智能路灯节能控制系统方案设计本文设计的路灯节能控制系统所遵循的基本原则有:（1） 稳压控制:任何功率电器在使用过程中都应处于其稳定的电压范围内，作为与我们日常生活密切相关的路灯照明设备就更应该稳压工作，保持路灯电压平稳从节能和功效两方面来说都具有十分重要的意义。所以无论在用电的高峰还是低谷始终将供电电压稳定在规定范围内是路灯控制首要解决的问题.（2） 软起动功能:由于路灯并联后属于大功率电器，而现在所使用的启动方式均为直接启动，这种启动方式
12、会造成启动电流过大，对灯具的耐用性有一定的损害，而且该起动电流还会引起电网电压急剧下降，电压频率也会发生变化，这会破坏同电网其它设备的正常运行，因此使用软启动功能来点亮路灯可以防止起动时大电流对照明设备的不良影响.（3） 自动启停:路灯作为我们日常生活必被的公共设施，它的启停跟道路上行人与车辆的需求有着直接的关系，只要是环境需要无论是在雷雨将至的暑天午后还是日常状况下的夜幕之时，它都会根据外部环境的明暗程度来自动判断系统是否需要开闭。表2-1 几种路灯节能方式比较路灯节能方法常用控制节能方法光源节能方法智能路灯节能控制方法启动方法一般启动软启动光源选择常用光源节能光源控制方式简单控制智能控制能
13、量损耗较小最小可靠性较低低较高使用寿命短较短长启动电流大环境要求无污染有一定污染光源更换较长周期成本适中由上表可知，智能路灯节能控制系统与目前市场上常用的控制节能方法、光源节能方法相比较，具有明显的技术优势，从产品的成本和其消耗使用效率上来看也具有较强的价格优势。所以，综合来讲，智能路灯节能控制系统在路灯照明节能领域应该很有前途的产品。2.3 智能路灯节能控制系统结构设计2.3.1 设计思路路灯控制器电路主要由可变电抗变换器，功率单元，红外检测控制电路，光控电路，开关控制电路及延时电路构成。其中可变电抗变换器与功率单元共同组成本文所提出可变电抗器， 将可变电抗变换器的一次线圈与路灯负载串接，构
14、成一次阻抗串联电路，其二次线圈与功率变换单元构成二次阻抗变换电路，通过改变二次阻抗来改变一次阻抗与负载阻抗的比例关系，实现负载调功，从而改变路灯端电压。工作时，光控电路和声控电路同时控制开并控制电路，而光控电路具有优先控制的功能，即先让光控电路来控制开关电路，使灯打开，只有到设定的时间后且在有红外信号时路灯会照明并且延时照明一段时间，这部分电路由延时电路来实现，电源电路的作用是为负载电路提供照明电源同时向电路中的控制电路提供工作电源，交流电源经过桥式整流以后，再经过电容降压，为负载提供电源，同时经过稳压以后，为控制电路提供工作电流。该电路是利用光敏电阻对光敏感的特性和开关管的开关特性来实现，即
15、白天或光线较亮的时候，控制灯不亮，而在晚上或光线较暗时控制灯亮，同时还要有一个延时电路，以达到延时照明的目的，当有光亮的时候，此控制电路阻止， 信号不再往下传输，即灯不会亮，而只有当光线足够暗且有声音的时候此控制电路才起作用，才往下一电路传输信号，灯才会亮。此电路既可以用三极管实现，也可以用 4000 糸列的数字集成实现，出于简单稳定的目的，这里选用数字集成电路来实现。本电路的主要任务是实现在白天光线比较亮的情况下，灯开关电路不亮，而在光线比较暗或天黑的时候，灯就会亮，当到达指定时间的时候路灯灭此时如果有人经过那么灯会变亮同时加上延时电路的延时作用，灯会延时亮一段时间，不致灯连续工作，造成能源
16、浪费或元器械件的损坏。其控制电路可由 TC4011BP 数字集成电路来实现，延时电路由电阻，电容实现，光控电路由光敏电阻实现，开关电路由开关管实现。2.3.2 总体设计框图稳压电路光控电路延时电路路灯控制器电路的总体框图由光控电路，红外检测控制电路，开关电路，延时 电路，负载电路和电源电路等构成，工作时，先由光控电路控制电路输入信号， 当设定的时间到的时候由光控电路和红外检测控制电路控制输入信号，使开关 打开，同时也促使延时电路开始工作，而电路的电源由电源经过桥式整流以后， 再经过降压电路降过压以后来提供，电路中其他需供电的电路由降压以后再进 行稳压以后来供电，负载的供电直接由电源来提供。总体
17、框图如下所示，工作 流程如箭头所示：红外检测电路基于MCS51的智能控制器电源电路整流电路照明电路图 2.3.2总体方框图3 硬件设计3.1 硬件结构设计智能路灯节能控制系统的硬件部分由智能控制器和功率变换单元组成。其中功 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。智 能控制系统硬件主要由红外检测传感器、光学传感器、信号变送器、微处理器、A/D和D/A转换器等组成。红外信号硬件系统的工作原理为:光信号通过光电传感器转变成模拟信号，经变送器输入至A/D转换器，实现系统的开启和关闭。红外信号通过红外检测传感器转变成电信号，实现路灯的开启。其系统框图如图3-1所示。A/D 转
18、换信号处理（DSP）光学传感器光信号受控路灯MCS51 单片机处理器图 3-1硬件结构图3.2 光学信号的采集与检测设计3.2.1 光源检测原理光源检测其实就是利用了一个光电式传感器。所谓光电式传感器是能将光能转 换为电能的一种器件，简称光电器件。光电传感器一般由光源、光学通路和光 电元件3部分组成。其基本原理是以光电效应为基础，把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号.光电效应是指用光照射某一物体，可以看作是一连串带有一定能量为的光子轰击在这个物体上， 此时光子能量就传递给电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子 所吸收，电子得到光子传递的能量后其
19、状态就会发生变化，从而使受光界射的 物体产生相应的电效应。通常把光电效应分为3类:（1） 在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，如光电管、光电倍增管等;（2） 在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应，如光敏电阻、光敏晶体管等;（3） 在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，如光电池等。3.2.2 检测装置所需器件及选型在本系统的设计过程中，光源检测用于整套系统的开启和关闭，因此只需要有内光电效应的光敏器件即可。光敏器件包括光敏电阻、光敏二极管及光敏三极管等。光敏电阻的工作原理是用光电导体制成的光电器件又称光导管，它是基于半导体光电效应工作的。光
20、敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时可加直流偏压，也可以加交流电压。当无光时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮阻值） 急剧减少，因此电路中电流迅速增加.光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，其符号如图3-3所示，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小，称为光敏二极管的暗电流;当有光照时，载流子被激发，产生电子空穴，称为光电载流子。在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大
21、得多的反向电流，该电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。+_图3-3 光敏二极管光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能，其符号如图3-4所示。光敏三极管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极 发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光卞要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。比一般三极管的穿透电流还小:当有光照时，激发大量的电子空穴对，使得基极产生的电流Ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，可见光电三极管
22、要比光电二极管具有更高的灵敏度。图3-4 光敏三极管由于本系统涉及的光源采集为系统启停提供控制信息，所以采用光敏电阻即可满足系统需求。光敏电阻和其它半导体光电器件相比有以下特点:（1） 光谱响应范围相当宽.根据光电导材料的不同，光谱响应可从紫外光、可见光、近红外扩展到远红外，尤其对红光和红外辐射有较高的响应度.（2） 工作电流大，可达数毫安。（3） 所测光强范围宽。既可测强光也可测弱光。（4） 灵敏度高。图3-5所示是利用光敏电阻控制的路灯自动启停电路。该电路由两部分组成。电阻R、电容C和二极管D组成半波整流电路。CdS光敏电阻和J组成光控继电器。路灯接在继电器常闭触点上，光控继电器控制灯的1
23、点亮和熄灭。工作原理是:晚上光线很暗，CdS光敏电阻阻值很大，流过J的电流很小，使继电器J不动作，路灯接通电源点亮。早上，天渐渐变亮，即照度逐渐增大，CdS光敏电阻受光照后， 阻值变小，流过J的电流逐渐增大，当照度达到一定值时，流过继电器的电流足 以使k动作，使其闭合，其常闭触点断开，路灯熄灭。RDCJK图3-5 光敏电阻控制的路灯自动点电路3.3 红外检测信号的采集与单片机的处理3.3.1 红外检测原理红外测量结构如图3-6所示。其中，外部热红外信号传播到热释电人体红外传感器，并通过运算放大器将输入的微弱红外线信号转换为一信号电平（电压信号）， 此电压信号则由A/D转换器转换成数字信号发送至
24、单片机，单片机根据输入的数字信号进行处理，并做出相应的动作来决定是否让路灯开启。A/D 转换器MCS51单片机运算放大器红外线传感器图 3-6 红外检测结构框图3.3.2 热红外传感器的结构和原理热释电人体红外线传感器是上世纪80年代末期出现的一种新型传感器件。热释电红外传感器不受白天黑夜的影响，可昼夜不停地用于监测，广泛地用于防盗报警。热释电红外（PIR）传感器，亦称为热红外传感器，是一种能检测人体发射的红外线的新型高灵敏度红外探测元件。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出。将输出的电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路，如作电源开关控制、防盗防火报警等
25、。目前市场上常见的热释电人体红外线传感器主要有上海赛拉公司的SD02、PH5324，德国Perkinelmer 公司的LHi954、LHi958，美国Hamastsu公司的P2288，日本NipponCeramic公司的SCA02-1、RS02D等。虽然它们的型号不一样，但其结构、外型和特性参数大致相同，大部分可以彼此互换使用。热释电红外线传感器由探测元、滤光窗和场效应管阻抗变换器等三大部分组成， 如图3-7所示对不同的传感器来说，探测元的制造材料有所不同。如 SD02 的敏感单元由锆钛酸铅制成；P2288 由 LiTaO3 制成。将这些材料做成很薄的薄片，每一片薄片相对的两面各引出一根电极，在电极两端则形成一个等效的小电容。因为这两个小电容是做在同一硅晶片上的，因此形成的等效小电容能自身产生极化，在电容的两端产生极性相反的正、负电荷。传感器中两个电容是极性相反串联的。当传感器没有检测到人体辐射出的红外线信号时，在电容两端产生极性相反、电量相等的正、负电荷，所以，正负电荷相互抵消，回路中无电流，传感器无输出。当人体静止在传感器的检测区域内时，照射到两个电容上的红外线光能能量相等，且达到平衡，极性相反、能量相等的光电流在回路中相互抵消，传感器仍然没有信号输出。当人体在传感器的检测区域内移动时，照射到两个
