基于单片机控制的智能化路灯节能装置的设计

0 引言

随着大中城市规模的不断扩大，城市市容的改善，照明路灯的数量越来越多，其用电量占城市的总用电量的比例不断增加。以往的路灯照明大多采用直接供电方式，人工送电人工关闭。这种方式有许多不足：供电系统在不同的时间电压是波动的，在用电高峰期，电压都低于额定值，在用电低谷期供电电压又高于额定值，当电压高时不但影响照明设备的使用寿命，而且耗电量也大幅增加（电源电压若增加20%，则耗电量增加44%），当低谷时，照明设备又不能正常工作；利用人工送电，增加人员开资，有时又不能及时开闭，即影响正常照明又浪费电能。因而有必要针对上述问题开发出一种使用方便又节能的装置，这种装置应有如下功能。

（1）稳压控制：无论在用电高峰还是用电低谷，始终能使供电电压稳定在额定值范围内；

（2）显示功能：可显示输入电压、输出电压、三相电流、功率因数、有功、无功等参数；

（3）定时启停：不同地区不同季节，昼夜交替时间是不同的，系统能根据地区和季节自动调节开闭路灯时间；

（4）根据天气情况调节启停时间：在定时启停功能上能有根据天气情况开闭路灯；

（5）自动功率因数补偿：随着照明设备的不断升级，系统应有功率因数补偿功能；

（6）效率高，无波形畸变，电压调节平稳，适应负载广泛，能承受瞬时超载，可长期连续工作，手控自控随意切换，设有过压，欠压自动保护功能。
 
1 系统工作原理

交流调压方式有多种，常见的有自耦变压器调压方式、调相方式、磁饱和稳压方式等。这几种方式均无法满足路灯节能装置的功能要求，自耦变压器方式在大电流供电时，由于其碳刷的限制，不能满足要求；而调相方式存在着波形畸变，即对电网有干扰，又对一些新型照明设备有干扰，无法满足要求；磁饱和方式在大功率时因其体积庞大无法满足要求。

补偿变压器方式可应用于交流调压中，这种方式的电气原理图如图1所示。现以一相为列，说明其稳压工作原理。若不计补偿变压器阻抗压降，则

式中：Uo—稳压器输出电压；
Uo=Ui+Ub
Ui—稳压器输入电压；
Ub—补偿变压器的输出电压。

 
调压变压器是一个双触头输出，每个触头均可在全程范围内移动。当触头A在上，触头B在下时，补偿变压器的输出电压Ub相位与Ui相同；当触头A在下，B在上时，补偿变压器输出的电压Ub相位与Ui相反。当输入电压Ui增加ΔUi时，控制电路调节触头A与B移动，使触头B移到上端，A移到下端，补偿电压Ub也相应改变ΔUb，且ΔUb=-ΔUi，Uo= Ui-ΔUb，使输出电压Uo保持不变；当输入电压Ui减小ΔUi时，控制电路则将触头A移到上端，B移到下端，此时ΔUb=ΔUi，Uo=Ui+ΔUb，使输出电压Uo保持不变。

当系统是三相电源时，电路由三相补偿变压器TB、三相调压器TUV、电压检测单元、伺服电机控制机构，保护电路等组成，电气原理图如图2所示。

调压变压器TUV的一次绕组接成Y形，连接在稳压器的输出端，二次绕组连补偿变压器TB的一次绕组，而补偿变压器的二次绕组串联在主电路中。

其稳压过程是：根据输出电压的变化，由电压检测单元采样，检测并输出信号，控制伺服电机转动，带动变压器TUV上的电刷来调节变压器的二次电压，以改变补偿电压的极性与大小，实现输出电压自动稳定在稳压整定精度允许的范围内，从而达到自动稳压的目的。

补偿变压器方式具有体积小、控制灵活、调压变压器的功率和输出电流可减至最小、可连续工作和过载能力强等特点。

2 控制电路的硬件设计

控制系统的硬件电路由控制单片机、A/D转换器、LCD显示、时钟电路、伺服驱动器等组成。硬件框图如图3所示。

2.1 单片机

单片机采用P89C51RD2，P89C51RD2单片机具有64K并行可编程的非易失性FLASH 程序存储器，并可实现对器件串行在系统编程ISP 和在应用中编程IAP。在系统编程ISP（In-system Programming），内部有1KB的RAM，通过并行编程器选择6 时钟/12 时钟模式（芯片擦除后默认的时钟模式为12 时钟），4 个中断优先级，双DPTR 寄存器，可编程计数器阵列PCA，PWM输出等功能。P89C51RD2单片机应用到本系统中不用外扩程序存储器及数据存储器，单片机的所有I/O口均工作在普通I/O工作方式，为节约口线，外围器件均选用带串行数据通讯的芯片，为防止干扰所有与强信号打交道的信号线均采用光电隔离，串口经电平转换后一方面可做ISP功能，另一方面将来可与上位机进行通信。

2.2 模数转换电路

模数转换电路由信号调理电路及A/D转换电路组成。信号调理电路主要功能是将外部的电压、电流和环境光线等信号转换成A/D能够接受的信号范围，A/D转换芯片采用TLC2543转换器。TLC2543是14通道输入的12位A/D转换器，芯片内部利用3个通道，外部有11个通道，输入电压是0~5V（VER-=0，VER+=5V），TLC2543与CPU的接口采用SPI方式，其管脚有转换结束EOC、片选CS、数据输入DI、数据输出DO，TLC2543可工作在8位和12位方式，可在初始化中选择，转换启动利用命令方式，只要在命令中送入相应的通道号TLC2543即开始转换，转换结束后EOC有低脉冲送到单片机，单片机响应中断后可对TLC2543读转换数据，同时可送下一通道启动命令。

2.3 步进电机驱动电路

步进电机驱动采用市售的步进电机驱动模块，与单片机接口只需5条线，模块的管脚有方向控制、步进脉冲、制动信号、GND和VCC。单片机采集三相电压后，与设定值比较运算后，决定步进电机的运行方向及步进脉冲数，一旦输出电压在误差范围内，步进电机即停止运行。

2.4 显示及键盘电路

显示器采用128×64LCD显示器，各数据可分屏显示，显示器与单片机的接口是4线式串行数据传输方式。键盘采用4×4矩阵式键盘，共16个按键，通过键盘可设定系统时间、稳定电压、经纬度、开关路灯时间等参数。

2.5 环境光线检测电路

环境光线检测电路的功能是检测室外的光线，只要在设定时启动此功能，当室外光线暗到一定程度时，装置可自动开启路灯。电路如图4所示。

当环境光线很亮时，光敏电阻RS阻值很小，此时三极管集电极电压很低，当环境光线暗到一定的程度时，输出OUT电压升高，当高于设定值时，单片机控制路灯开启。

2.6 功率因数检测电路

电压及电流经整形后，送到单片机的INT0、INT1，当INT0（电压信号）产生中断后启动定时器T0计数，当INT1（电流信号）产生中断后读T0计数，当再一次INT0中断时读出T0值，同时清T0。由T0两次读出的值可算出电源的频率及功率因数。

3 控制电路的软件设计

软件程序使用C51语言，采用模块化方式编程。软件由主程序、A/D采样程序、数字滤波程序、显示程序、键处理程序、步进电机驱动程序、电压调节程序、功率因数补偿程序等组成。

3.1 主程序

系统开始工作后主程序首先对单片机内部及外部的资源初始化，然后依次调用各功能模块程序。

3.2 A/D采样程序

A/D采样程序由主程序循环调用，每次对外部10个模拟量采集12次，经数字滤波后送到数据缓冲区，供其它程序使用。

3.3 电压调节程序

电压调节程序采用PID算法，其输入量是设定的稳压值与输出电压经PID运算后再经标度变换，转换成步进电机输出的脉冲数，供步进电机驱动程序使用。步进电机驱动程序比较简单，根据PID算出的脉冲数及方向经I/O口向步进电机驱动器送出相应的脉冲，由于系统的稳压精度可通过键盘设定在一定的范围，因而系统在调压过程中不存在超调现象。

3.4 显示程序

显示程序是将电压、电流、功率因数、系统时间、工作状态等参数分屏显示到LCD上，由于LCD模块内部有汉字库，因而在显示汉字时可直接送汉字的内码，动态数字也利用LCD内部的字模显示，在程序中无需建立字模。

3.5 功率因数补偿程序

根据中断INT0、INT1读回的数据算出功率因数，与设定的功率因数比较，经运算后控制外部的继电器对电容组进行投切，可使路灯供电支路的功率因数保持在设定范围内。

4 结论

智能化路灯节能装置采用变压器补偿稳压方式，利用单片机运算控制能力强的特点，具有体积小、工作可靠、节能等优点，如能推广使用，会使城市路灯管理工作提高到一个新的水平，它不但节约能源，同时也可减少照明灯具的损耗，因而具有广泛的推广前景。

参考文献：
[1] 陶永华、尹怡欣．新型PID控制及其应用[M]．北京：机械工业出版社，2000．
[2] 浦昭邦、王宝光．测控仪器设计[M]．北京：机械工业出版社，2001．
[3] P89C51RD2 Data Sheet．http://www.zlgmcu.com．
[4] TLC2543 Data Sheet．http://www.zlgmcu.com．