智能路灯节能控制器的设计与实现

0 引 言
    随着我国经济高速发展，人民生活水平日益提高，能源和资源变得日益紧张，电力短缺已成为制约国民经济发展的突出矛盾。目前我国照明消耗的电能约占电力生产总量的10％～20％，而城市公共照明则在照明耗电中占30％，并且近几年随着让城市亮起来的口号的提出，全国路灯的数量仍在迅猛地增长。公共路灯节能的口号便由此而提出。通常的节能途径有两个：一个是采用节能光源；二是采用合理的控制线路。本文在使用节能光源的情况下采用合理的控制线路来实现路灯节能。在供电系统中，为避免送电过程中的线路损耗和用电高峰时造成末端电压过低，供电部门均采用较高电压进行传输。因此路灯承受电压多高于灯具的额定电压。然而据调查我国小型城市晚上21：00后，大中城市00：00以后道路上几乎空无一人。从而造成了“人少车稀灯更亮”的不合理情况。为了避免这种情况，大多数城市和地区均采用了发达国家早已淘汰了的隔盏关灯的原始路灯控制方法。这种方法不仅导致路面照度分布不均，而且会减少路灯使用寿命。本文采用“全年分三季，一季分时段”的分时控制思想实现节能的目的。在不同的时段投入不同的供电电压运行，在保证路灯正常照明的前提下，兼顾到了用电低谷期节能的效果。同时利用电力载波技术实现对路灯运行状况的实时监控。

1 系统硬件电路的设计
1．1 智能路灯控制系统
    该智能路灯节能系统主要由电量检测电路、实时时钟、自耦变压器电路、显示电路及载波通信等电路组成。将一年大致分为三个季节段来对路灯进行控制，使其在不同的季节有不同的开关灯时间。而从开灯到关灯根据当地交通又可大致分为三个阶段(高峰、正常、低谷)来对路灯进行控制。从实时时钟芯片中将当前的路灯工作状况进行相应的归类，由单片机输出控制接触器的线圈的断合，而其触点的输出分别控制自耦变压器的三个触头，对应着四个档位，每个档位对应着相应的路灯电压。由于电力传输中有谐波干扰造成电力不稳，要时刻检测路灯的电量，以电量芯片ATT7028检测出电流或者电压过高或者过低，将得到的信息传给AT89C51单片机，单片机同时与铁电存储器的信息相比较，如果发现电流或者电压过高或者过低，单片机马上做出调整，适当地降低或者升高电压，以实现对路灯过载、过压等各种功能进行控制，用电力载波通信技术将现场情况传送至监控室。原理框图如图1所示。

1．2 电量检测电路的设计
    电量采集模块主要完成路灯电流和电压的数据采集。将采集到的信号转换为ADC电路可采集处理的模拟信号，通过电量芯片转换为数字信号送到单片机中，检测电压和电流是否超载，依据此来控制电路负载的电压。设计中采用三相电能专用计量芯片ATT7028A，适用于三相三线和三相四线应用，能够测量各相以及合相的有功功率、有功能量，同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数，充分满足三相复功率多功能电能表的需求。同时将电量信号存入到铁电存储器AT24C24里，该存储器数据不易丢失，以便有功电能历史记录的查询。ATT7028A提供一个SPI接口，方便与外部单片机之间进行计量参数以及校表参数的传递。设计中应用ATT7028A测量电流和电压有效值，采用软件校表，通过SPI接口与外部单片机之间进行计量参数的传递，以此来检测路灯电压电流的有效值。另外对检测到的过载、过压等故障进行报警。
1．3 路灯控制电路
    路灯控制电路由译码电路、开关电路与变压器控制电路组成。为了使路灯分时控制取得优良的节能效果，除了要根据时间段来开启不同档位电压外，还需要实际考虑到电网电压在不同时段的电压波动情况。故将单片机检测到的电量信号与处理的实时时钟芯片DS1302信号作为74LS155二-四译码器译码地址输入端，译码器的四个端输出经三极管放大后分别驱动四个接触器的线圈，而其四个触点分别对应自藕变压器的三个触头，亦即路灯四种档：全压(220 V)、高峰期档(额定电压的93%)、正常期档(额定电压的88%)、低峰期档(额定电压的83％)。从而达到既兼顾路灯亮度又达到节能的效果。KM4接在母线上还能关闭路灯，原理如图2所示。

1．4 电力载波通信
    为了实现控制室能够方便及时了解现场路灯运行情况，采用电力线载波通信技术将现场路灯检测运行的状况传送至控制室。以LM1893集成芯片实现电力载波通信，LM1893是美国国家半导体公司生产的FSK制式的调制解调芯片。能够实现可靠的串行数据的半双工电力线通信，具有发送和接收数据两种工作模式，能够与51单片机相兼容。LM1893调制解调数据输入端DATAIN与AT89C51单片机的串行输出口TXD相连，输出端DATAOUT与AT89C51的串行输入口RXD相连。LM1893的TX／RX发送接收控制端由单片机的P1．O端控制，高电平为发送状态，低电平为接收状态。路灯控制器接收到外部数据信息后，先要对所收数据的报文头和地址进行判断。当报文头正确，地址为本机地址时，它才执行相应的灯控命令，执行完后进入发送状态。

2 软件设计
    软件主要完成：根据比较所得的结果控制硬件切换档位以达到路灯定时工作的要求；检测实时电网电压以控制是否要改变档位以达到电网实时监控的目的；最后则是配合主控室完成多机通信。整个智能路灯节能控制系统被分为了分时分段模块(主要通过时钟芯片DS1302和铁电存储芯片AT24C02配合完成)、电压监控调档模块(由电工参数测量芯片ATT7028加以软件判断来实现)、远程通信模块(由LM1893完成)以及实时显示模块组成。
    将一年大致分为三个季节段来对路灯进行控制，每个季节段有着不同的开关灯时间。从开灯到关灯根据当地交通又可大致分为三个阶段来对路灯进行控制，分别为交通高峰期、交通正常期和交通低谷期。这三个阶段加上避免电网电压过低的全压运行档，就构成了全压、高峰、正常、低谷四个工作时间段，根据本地区的实际情况进行划分。系统通过对日历时钟芯片DS1302
读出来的当前与铁电存储器芯片AT24C02中存储的开、关灯时间进行比较，在各档开启的时刻就切换至相应档位，在关闭的时段关闭，其余时段进行监控。在交通高峰时段，保证路灯有足够的照明度。于是正常情况下，路灯应投入第1档运行。此时，当电网电压过低(低于208 V)，则路灯应全压运行；如果电网电压过高(高于236 V)，路灯可以跳过第1档，直接投入第2档运行。在交通正常阶段，要兼顾照度和节电效果，正常情况下，路灯应该投入第2档运行。在电网电压低手205 V时，返回第1档运行；在电网电压高于242 V时，则投入第3档运行。在交通低谷阶段，重点考虑节电效果。正常情况下投入第3档运行，只有当电网电压过低(低于195 V)时，路灯才会返回第2档运行。但是由于电网的波动或干扰，可能会出现电压偶尔的不正常，若一旦检测到电压超限就切换档位，很容易造成误操作，从而导致频繁的切换。设计中采用了以下方法来避免档位的频繁切换：当路灯运行于1～2档时刻之间，需使电压维持在208～236 V之间，这里采用COUNT，COUNT_H，COUNT_L三个计数器来监测电压。COUNT从0开始，每分钟加1，加到5，即5 min后清零。COUNT_H从0开始，每min比较当前电压与电压上限值的大小，若超过上限则将COUNT_H加1，在每次COUNT清零之前，若COUNT H值等于5，则认为连续5 min电压超出上限运行，相应地将路灯运行档位切换至低一档运行；若COUNT_H值小于5，则认为是电网的波动，不进行切换。电压下限监测同理。每5 min将三个计数器同时清零。
    从SPI总线上获取ATT7028检测的电工参数的计量结果，再对检测值进行校表，即可对校表寄存器赋值来进行软件校表。
    显示模块主要是在控制室内显示当前时间及检测到的路灯的运行情况。
    主程序与各个子模块之间采用定时中断联系，每隔1 min中断一次，在每次中断时均要完成四大任务，即读出实时时间发送至主控室，决定是否换档，根据电网波动实际情况控制决定是否改变档位，以及将原边电网电压根据实际情况发送至监控室。软件流程图如图3所示。

3 节能效果分析
    以1 kw路灯为例，设当路灯电压为205 V时，单位时间耗电量为0．87 kWh；当路灯电压为193 V时，耗电为O.77 kWh；在满足行人车辆运行需要的情况下，适当降低路灯的端电压，可节能20％左右。在深夜行人稀少时，可将路灯的端电压降至170～180 V，路灯1 h内耗电O.55 kWh左右，除去其他损耗，可节约电能近40 %。

4 结 语
    该智能路灯节能装置采用分时换挡方法，在保证照明的情况下兼顾到了用电低谷期节能效果。实验表明该智能路灯节能控制系统可明显地提高路灯的用电效率，延长路灯使用寿命。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。