王偉　應(yīng)芳義

【摘 要】道路照明是城市建設(shè)的一個(gè)重要部分，針對(duì)目前用力的緊張現(xiàn)狀以及道路照明節(jié)能的發(fā)展前景，分析了道路照明節(jié)能技術(shù)，并提出一種結(jié)合單片機(jī)與電力電子技術(shù)的道路照明節(jié)能控制器的設(shè)計(jì)。本文簡(jiǎn)述節(jié)能控制主要方式，兼顧考慮電量低谷、環(huán)境光線參數(shù)及時(shí)間參數(shù)，詳細(xì)介紹一種采用C8051F040單片機(jī)作為控制單元的LED照明節(jié)能控制器。本設(shè)計(jì)具有硬件成本低、實(shí)用價(jià)值高、適應(yīng)范圍廣等特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】道路照明；節(jié)能；C8051F040

0.引言

伴隨我們工業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)電能的需求越來(lái)越高。節(jié)能更加提上日程。道路照明在滿(mǎn)足辨認(rèn)可靠、視覺(jué)舒適的基本要求的同時(shí)，另一方面對(duì)節(jié)能、控制方便捷等方面提出了新的要求。我國(guó)大部分城市路燈都是“全夜燈”式的照明方式，造成了不必要的電能浪費(fèi)。路燈控制器的設(shè)計(jì)方案道路照明節(jié)能方面一般有幾種實(shí)現(xiàn)途徑：采用降電壓控制、分時(shí)降功率技術(shù)、高效節(jié)能的鈉燈、高性能電子鎮(zhèn)流器以及優(yōu)質(zhì)系列燈具等。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展，通過(guò)可編程器件的控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源的控制得到迅速的發(fā)展。本文根據(jù)“按需供電，按量補(bǔ)給”的思想，提出一種基于單片機(jī)C8051F040的節(jié)能控制器，設(shè)計(jì)具有硬件成本低、實(shí)用價(jià)值高、適應(yīng)范圍廣等特點(diǎn)。

1.照明節(jié)能的主要方式

1.1控制系統(tǒng)的改進(jìn)

過(guò)去的道路照明控制通常采用人工操作方式，即同一線路同時(shí)開(kāi)關(guān)，控制較為簡(jiǎn)單，但不能有效根據(jù)環(huán)境控制照明亮度，從而達(dá)到節(jié)約能源的效果。現(xiàn)行的照明監(jiān)控系統(tǒng)能完成這樣的任務(wù)，其主要由中央控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和道路照明開(kāi)關(guān)箱智能終端構(gòu)成。該監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)時(shí)的光照條件和季節(jié)變化，采用光控和時(shí)控結(jié)合的控制方法。

1.2電路設(shè)計(jì)的改進(jìn)

電路設(shè)計(jì)時(shí)，可以利用可控元件來(lái)控制輸出電壓、電流、功率，或調(diào)節(jié)照明設(shè)施的燈的工作個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。可控器件如可控硅元件?？煽毓枋莻鹘y(tǒng)的電力電子器件，如晶閘管等。其交流調(diào)壓技術(shù)的原理是利用可控硅讓交流電在一個(gè)周期內(nèi)間斷通斷來(lái)達(dá)到調(diào)低電壓的目的。但可控硅的使用，在調(diào)壓的過(guò)程中因不斷開(kāi)關(guān)而產(chǎn)生高次諧波，從而可能導(dǎo)致線路震蕩，不同程度造成燈泡壽命降低和電網(wǎng)的電壓波動(dòng)。

1.3燈源的改進(jìn)

燈源可采用節(jié)能的大功率LED燈。LED具有發(fā)光效率高，燈具反射損耗低的特點(diǎn)，一般的白光LED的發(fā)光效率約為80lm/W，而傳統(tǒng)高壓鈉燈的發(fā)光效率為45～55lm/W，可節(jié)約用電50%～60%。近年來(lái)，許多廠商開(kāi)始競(jìng)爭(zhēng)對(duì)LED燈的開(kāi)發(fā)，但總體來(lái)說(shuō)是現(xiàn)行研究的LED燈不同程度的存在照明角度偏小、不均勻，顏色顯色指數(shù)偏低，在光學(xué)、散熱上設(shè)計(jì)也相對(duì)復(fù)雜。

1.4新能源技術(shù)的應(yīng)用

節(jié)能的一個(gè)方面，可以使用自帶發(fā)電裝置。如在照明設(shè)施上安裝太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電。這種對(duì)自然能的利用可以在一定程度上減少高峰時(shí)對(duì)電網(wǎng)供電壓力，也是未來(lái)一個(gè)大力發(fā)展新能源的方向。這種照明設(shè)施在白天太陽(yáng)能或風(fēng)能充足時(shí)，可以利用太陽(yáng)光和風(fēng)力資源發(fā)電，晚上也可以利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電，彌補(bǔ)了風(fēng)能供電或太陽(yáng)能供電的單一性。在自然能源不是很充足時(shí)可利用后備電源進(jìn)行供電。

2.總體硬件邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的工作原理是：采集光線、電量數(shù)據(jù)，利用這些參數(shù)分析控制的照明設(shè)施工作電壓、照明燈的數(shù)量，來(lái)合理安排達(dá)到節(jié)能效果。其系統(tǒng)主要由光照檢測(cè)電路、電量檢測(cè)電路、輸出控制電路及驅(qū)動(dòng)電路組成。時(shí)鐘電路采用日歷時(shí)鐘芯片DS1302讀出來(lái)的當(dāng)前時(shí)間參數(shù)與單片機(jī)C8051F040內(nèi)flash中存儲(chǔ)的開(kāi)、關(guān)燈時(shí)間進(jìn)行比較，并結(jié)合當(dāng)前時(shí)間段的光線、電網(wǎng)電量用度參數(shù)，對(duì)LED燈進(jìn)行控制。

2.1光照檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

采用光敏電阻在不同光線條件下，電阻值不同可檢測(cè)光照條件。當(dāng)無(wú)光照時(shí)，光敏電阻阻值很大，隨光強(qiáng)增加，電阻值急劇減小。可以通過(guò)電壓的不同測(cè)量光線參數(shù)。電壓模擬量需轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，而單片機(jī)C8051F040內(nèi)嵌8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。C8051F040器件有一個(gè)片內(nèi)8位SARADC，帶有一個(gè)8通道輸入多路選擇器和可編程增益放大器。該ADC工作在500ksps的最大采樣速率時(shí)可提供真正的8位精度，INL為±1LSB。有8個(gè)用于測(cè)量的輸入端，可以被配置為單端或差分輸入。

2.2電量檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

電量檢測(cè)電路主要完成電網(wǎng)線路的電流電壓數(shù)據(jù)，將此數(shù)據(jù)通過(guò)電量芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送至單片機(jī)進(jìn)行處理。檢測(cè)電網(wǎng)中電力緊張情況。根據(jù)電網(wǎng)是否處于低谷或電壓過(guò)高，以此來(lái)控制當(dāng)前LED燈的供電電壓調(diào)節(jié)燈的亮度措施。設(shè)計(jì)中采用三相電能專(zhuān)用計(jì)量芯片ATT7028A。ATT7028A是一顆高精度三相電能專(zhuān)用計(jì)量芯片，適用于三相三線和三相四線應(yīng)用。它集成了六路二階sigma-delta ADC、參考電壓電路以及所有功率等的數(shù)字信號(hào)處理等電路，能夠測(cè)量各相的有功功率、各相電流、電壓有效值等參數(shù)，還提供一個(gè)SPI接口，方便與外部MCU之間進(jìn)行計(jì)量參數(shù)傳遞。

2.3輸出控制及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

照明輸出控制電路由譯碼電路、繼電器開(kāi)關(guān)電路和自耦變壓器組成?？梢圆扇〔煌瑫r(shí)間段開(kāi)啟不同檔位電壓驅(qū)動(dòng)LED燈的亮度，來(lái)達(dá)到根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行低谷情況和分時(shí)控制。從而可以取得優(yōu)良的節(jié)能效果。而時(shí)間信號(hào)可以采用實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片 DS1302。單片機(jī)將檢測(cè)到的電量信號(hào)與時(shí)間信號(hào)，按照一定規(guī)定控制三極管放大后，驅(qū)動(dòng)自耦變壓器四個(gè)接觸器的線圈，而其四個(gè)觸點(diǎn)分別四檔：全壓（220V）、高峰期檔（額定電壓的 93%）、正常期（額定電壓的 88%）、低峰期檔（額定電壓的 83%）。單片機(jī)可以通過(guò)控制74LS155 二-四譯碼器譯碼地址輸入端，控制LED的前級(jí)的繼電器，達(dá)到LED燈電源切換作用。

2.4軟件設(shè)計(jì)

軟件完成對(duì)時(shí)間信號(hào)、電量信號(hào)及光照檢測(cè)的輸出信號(hào)進(jìn)行處理，與單片機(jī)內(nèi)flash預(yù)存的信息進(jìn)行比較判斷，來(lái)完成對(duì)LED的控制。對(duì)時(shí)間處理：一年可以大致分為三季，每個(gè)季節(jié)有著不同的開(kāi)燈時(shí)間段。每個(gè)開(kāi)燈時(shí)間段分時(shí)按照不同的檔位電壓控制LED的亮度。同時(shí)電量檢測(cè)電路的信息可以調(diào)節(jié)檔位，如在交通高峰時(shí)，路燈應(yīng)投入第1檔運(yùn)行，保證路燈有足夠的照明度。此時(shí)，如果電網(wǎng)電壓過(guò)高（高于236V），路燈可以跳過(guò)第1檔，直接投入第2檔運(yùn)行；人流量不大的黎明時(shí)，則兼顧照度和節(jié)電效果，此時(shí)投入第2檔運(yùn)行。在電網(wǎng)電壓過(guò)低（低于205V）時(shí)，則可返回第1檔運(yùn)行，在電網(wǎng)電壓過(guò)高（高于242 V）時(shí)或光線條件較好（光照值0.1～0.3lux）時(shí)，則投入第3檔運(yùn)行。在后半夜時(shí)，重點(diǎn)考慮節(jié)電效果。白天檢測(cè)光照度低于50 lux時(shí)，認(rèn)為光線較暗可以點(diǎn)亮LED進(jìn)行道路照明。此時(shí)可將LED投切到第2檔運(yùn)行。一般投入第3檔運(yùn)行，只有當(dāng)電網(wǎng)電壓過(guò)低（低于195V）時(shí)，路燈才會(huì)切到第2檔運(yùn)行。為了避免繼電器的頻繁關(guān)合而造成高次諧波，軟件設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)每1分鐘讀取一次電壓和光線值，當(dāng)電壓或光線值連續(xù)5次都處于與第一次不同的電壓或光照度時(shí)，認(rèn)為可以進(jìn)行檔位切換，根據(jù)上述切換原則進(jìn)行切換檔位。

3.結(jié)束語(yǔ)

本照明節(jié)能控制器的設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單，有很好的節(jié)電控制效果，具有可靠性高、電能利用效率高等特點(diǎn)。該控制器的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)完全不須人工干預(yù)，自動(dòng)按照設(shè)定程序完成一系列現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、比較和開(kāi)關(guān)燈控制等工作，節(jié)省人力，提高了工作效率。 [科]