毕业设计论文基于单片机的路灯的节能控制设计

The Control System of Streetlamp for Energy Saving摘 要城市当中规模庞大的路灯系统对电能的消耗也相当可观，特别是路灯一般需要通宵长明，路灯的节能效应不可低估。除了在器件上选择节能产品和保持合理照度外，通过控制来实现节能也是很有效的。它通过使用电力电子器件，单片机，低压电器等进行调压等自动控制，降低过高的夜间电压,合理调压，按时开关，使路灯系统到达节能的目的。其核心就是设计节能控制系统的电路，特别是使用电力电子调压技术。PWM技术就是其中之一，他基于单片机和3525驱动电路来实现控制。较传统方法更加有效，污染较小。通过3525的特性的应用，设计控制电路，由输入基准电压控制输出。 关键词 路灯节能 调压控制 PWM 单片机 3525 AbstractIn modern large cities, the huge streetlamp system costs so much power, and it must be on work all the night to meet the need of safety, so it is valuable to save energy resources. There are three ways-keep certain lightness, adopting low-power-cost products, and a better control system. The last one will save energy effectively. It works by the drives of the single chip computer, electric electron technology controlling voltage and low voltage electric equipments to save power. The control system will turn down the high night voltage to a usual level. The useful control can adjust voltage, turn on and turn off lights. By now, it is widely used in modern cities and the technology has been advanced, and PWM is one of the technologies. It is more effectively, and crates less harmonic wave pollution than usual method. According to the application characteristic of KA3525，we have designed a kind of PWM control circuit based on KA3525 with the auxiliary of onechip computer，realized steady voltage and adjustable out putting voltage Keywords power saving of streetlamp steady voltage power PWM single chip computer KA3525目 录前 言1第1章 我国路灯系统现状101.1 路灯的节能需求101.2 路灯主要的节能方式101.2.1 可控硅斩波型照明节能装置101.2.2 自耦降压式调控装置101.2.3 智能照明节电器11第2章 节能的实现方案122.1 路灯的节能原理122.2 主要设计方案122.2.1 人工遥控12传感器智能控制122.2.3 预先编程和传感器结合控制13第3章 各局部根本原理153.1 电力电子器件调压原理153.1.1 PWM技术153.2 开断动作的实现20第4章 电路设计23第5章 电路工作原理25第6章 参数计算26结束语27谢 辞28参考文献29前 言国外对路灯节能的探索。在电力紧张的背景下，政府出台了一些文件，要求在后半夜，采取“亮一隔一或“亮一隔二的措施，关闭局部光源。这只能作为缓解电力紧张局面的权宜之计。因为，“亮一隔一或“亮一隔二不仅减小照度，同时区别于不同的灯杆布置方式，照度均匀度将不同程度、甚至是严重的下降，对交通、行人平安、对维护社会治安产生不利影响。七十年代的世界性能源危机中，日本大藏省曾要求在工厂、办公室和道路上进行间隔点灯的试验，结果导致生产率和办公效率降低以及治安、道路交通事故的大幅上升，不到一年时间就在一片反对声中全部放弃了。显然，这种消极的节电是不可取的。另外，这种方式由于需要在同一路径上敷设两根路灯供电电缆，也增加了建设投资。“在保证照明效果下点着灯节电，这样的概念才是科学的，合理的，这是兴旺国家道路照明系统的设计思想之一。我国路灯照明现状。据调查，我国小型城市在夜晚9点后，大中城市在午夜12点后，道路上几乎空无一人，即便是北京、上海、广州这样的繁华都市，凌晨2点以后，道路上也已罕见行人、车辆。从这一时段直至清晨6点路灯熄灭，在低交通流量的道路上仍然保持较高照度显然没有必要。城市公共照明在我国照明耗电中占30的比例，约439亿kWh，以平均电价0.65元kWh计算，一年开支285亿元。在市政开支极度紧张的今天，国内绝大局部的城市和地区几乎不约而同地采用了日本等国家在七十年代就抛弃了的路灯隔盏关灯的省钱方法，其中的弊病不言而喻不仅导致了路面照度分布不均，给治安及交通平安埋下了隐患，而且不能防止后半夜电网电压的升高对路灯寿命的减损，因此不能称做是真正意义上的节能。当兴旺国家在讨论什么是“恰到好处的照度水平的今天，我们这种控制方法就太落后了。九十年代以来，夜景照明建设成为都市市政设施建设的一个重要环节，各地也取得了相应的成绩，但是市政开支普遍紧张与增设夜景照明形成了很大的矛盾以沿海某开放城市为例，大批路灯在安装后迫于财政紧张的压力，支付不起沉重的照明电费开支，又不得不关掉近一半的灯，结果近年新装的局部路灯形同摆设，造成变相浪费。要实现路灯的节能，一方面是使用节能器件，特别是灯具和镇流器的节能化；另一方面是实现控制节能，采用节能控制技术，比方智能光源降压稳压调光技术，电磁按时段换档控制方案，电磁固定降压控制方案。智能光源降压稳压调光技术。智能光源降压稳压调光技术是国际上流行的全数字智能路灯节能控制技术。它充分考虑了城市道路照明的实际状况，依据人体工程学中的视觉理论，采用现代控制论中的最优控制方法，实现了对路灯电压及照度的动态智能化管理。此项技术的根本思路就是：在繁忙的时段，控制路灯保持较强的照度，接近午夜时分，开始自动调光，在后半夜车稀人少时，那么控制路灯保持较低照度的照明(类似房灯的调光器，可以随需要而任意调光)。它的主要优点就是在调光的同时也大幅降低了电耗，节约有功电耗达30以上。房灯调光已流行多年，主要是因为室内灯功率小，容易实现。而道路照明那么完全不同：首先，灯泡功率大，不易控制；其次，使用环境恶劣，九十年代，电力电子元件技术有了突飞猛进的开展，调光技术有了可靠的质量保障，通过一些地区的规模应用，其完美的调光效果和节电功能得到了一致认同，在德国，美国这些耗电大国，此类技术也得到了政府的大力扶持和推广。智能光源降压稳压调光技术的控制过程是：通过测取城市道路车辆及行人的“时间车辆(人)统计规律，获取相应的照度调整率，依此来设计计算机的控制程序，根据照度调整率，从某一时刻开始，平滑地对路灯输入电压进行动态调整，使路灯输入电功率与实际照度要求到达最正确匹配，不仅节约了电能，而且稳定了电压，延长了路灯的使用寿命，到达了双重意义上的节能。开灯比关灯更省钱前面提到的关灯节能方法是以牺牲城市照明和诱发犯罪率以及交通事故上升为代价的，而智能光源降压稳压一调光技术所到达的节电率高于30，由此而言，采用智能光源降压稳压调光技术，开灯比关灯更省钱。算一笔看不见的帐。我国现有的路灯70以上使用的都是高压钠灯，其设计寿命为24000小时(5年)。但是由于我国城市电网技术落后，造成线路的电压波动大大超过国际标准，许多地区的波动甚至超过额定电压的左右15，特别是在后半夜，由于电负荷减少使得电网电压有时接近245V，致使路灯灯泡的实际使用寿命平均不到一年。现在，可以算这样一笔帐：以沿海开放城市为例，路灯每年需要更换一次灯泡，更换一只灯泡所需费用(含镇流器损耗、人工、车辆等)为120元，该市共有两万多只常开的路灯，那么每年仅更换路灯灯泡的费用就高达两百多万元人民币，如果采用了智能光源降压稳压调光技术，路灯灯泡的使用寿命可延长一倍，仅此一项，一年就可节约开支两百多万元，加上节电30，一年可节约七百多万元电费，两项相加就有近千万元之巨。如果450万元作为先期投入，半年内所节约的费用即可回收，逐年节约的资金可以重新投入市政建设。据1999年全国道路照明专业委员会第九届年会上得到的不完全统计数字，目前国内所有城市道路照明的总灯数约300万只(套)，工矿企业、车站、机场、码头、高速公路照明等非市政照明灯具约100万只(套)，总数400多万只，并且每年递增10以上。如果及时采用此项技术，仅从节约电费、降低灯泡损耗和人工开支三项来计算，五年时间可为国家节约近100亿元人民币，可以少建三座装机120万kW的火电站，同时节约了大批的原煤。对于全国的总耗电量而言，道路照明只占一个小小的百分数，也正因如此，它才有可能成为推动节能运动的一个突破口。从道路照明着手，花两三年时间摸索出一套符合中国国情的商业化运作模式，然后在全国各行各业全面推广。当然，这需要政府下大决心、花大力气去进行推动。电磁按时段换档控制方案。目前，市场上大局部照明节能产品，都采用传统电磁换档技术，现在的产品均是接触器换档方式。但是灯具电压随电网电压波动而波动，没有稳压功能；由于耗用大量铜材和矽钢，被盗和破坏严重。电磁固定降压控制方案。具有价格廉价，寿命长的优点，只要能接受开机就降压。但是由于固定降压，不需要高亮度照明的后半夜，由于电网电压升高，灯具反而更亮。器件的节能:在高压钠灯的工作电路中除了灯泡外，还必须按内触发高压钠灯或外触发高压钠灯分别选用相应的工作电路，如灯泡+镇流器或者灯炮+镇流器+触发器的工作电路，方可到达高压钠灯正常工作的要求外触发高压钠灯的燃点电路.电容补偿。路灯采用的光源，根本是气体放电灯，其功率因数相当低，一般在以下，从而使回路电流大，在线路上产生的损耗相当可观。?城市道路照明设计标准?中，要求气体放电灯应加电容补偿，补偿后功率因数应不小于0.8。采用单灯分散补偿，减少了路灯电源至路灯灯具这一段线路上产生的损耗，将起到较好的节电效果，补偿后单灯功率因数将不小于。镇流器。电阻性镇流器体积小，价格廉价，与高压钠灯配套使用会发生启动困难，工作时电阻产生很高的热量，需有较大的散热空间、消耗功率很大，将会使电路总照明效率下降。它一般在直流电路中使用，百交流电路中使用灯光有明显所闪烁现象。 电容性镇流器虽然不象电阻性镇流器自身消耗功率很大，温升低，在电源频率较低时，电容器充电时，会产生脉冲峰值电流，对电极造成极大损害，灯光闪烁，影响灯泡使用寿命；在高频电路中工作，电压波动能到达理想状态，成为理想的镇流器。电感性镇流器损耗小，阻抗稳定，阻抗因素性偏差小，使用寿命长，灯泡的稳定度比电阻性镇流器好，目前与高压钠灯配套使用的镇流器均为电感性镇流器。其缺点较笨重及价格偏高。另外，电子镇流器已经开始出现，目前其价格昂贵，可靠性还不能与高压钠灯相匹配，除特殊场合使用外，一般情况下很少被采用。所以，高压钠灯必须串联与灯泡规格相应的镇流器前方可使用。高压钠灯的点灯电路是一个非线性电路，功率因数较低，因此在网路上考虑接补偿电容，以提高网路的功率因数。比方环行采用气体放电灯的路灯照明系统中，除光源自身的功耗外，与气体放电灯配套的电感镇流器也要消耗一局部电能。电感镇流器的工作效率上下、节能与否，对路灯照明系统的电力消耗有一定的影响。相对于传统的电感镇流器而言，环形电感镇流器，由于其采用圆环形铁芯和线圈，使环形铁芯卷片的几何形状与磁力线回路和曲线更加适应，磁路分布更趋合理，进一步改善了磁通，降低了铁损，减少了总的电力消耗。可广泛适用于高压钠灯、汞灯和金属卤化物灯。需要注意的是，这种方式仅仅是减少了镇流器的损耗，对路灯系统电耗中占主要比例的光源的电耗并没有减少。还有可变功率镇流器。可变功率镇流器，利用气体放电灯在工作电流适当减少时，仍能正常运行的原理，通过后半夜增加镇流器电抗，从而降低光源电流，减少路灯系统电耗中占主要比例的光源的电耗，到达路灯系统整体节能的目的。采用新型节能光源。高压钠灯使用时发出金白色光，它具有发光效率高、耗电少、寿命长、透雾能力强和不诱虫等优点。广泛应用于道路、高速公路、机场、码头、船坞、车站、广场、街道交汇处、工矿企业、公园、庭院照明及植物栽培。高显色高压钠灯主要应用于体育馆、展览厅、娱乐场、百货商店和宾馆等场所照明。工作原理:当灯泡启动后，电弧管两端电极之间产生电弧，由于电弧的高温作用使管内的钠汞齐受热蒸发成为汞蒸汽和钠蒸汽，阴极发射的电在向阳极运动过程中，撞击放电物质有原子，使其获得能量产生电离激发，然后由激发态回复到稳定态；或由电离态变为激发态，再回到基戊无限循环，多余的能量以光辐射的形式释放，便产生了光。高压钠灯中放电物质蒸汽压很高，也即钠原子密度高，电子与钠原子之间碰撞次数频繁，使共振辐射谱线加宽，出现其它可见光谱的辐射，因此高压钠灯的光色优于低压钠灯。 高压钠灯是一种高强度气体放电灯泡。由于气体放电灯泡的负阻特性，如果把灯泡单独接到电网中去，其工作状态是不稳定的，随着放电过程继续，它必将导致电路中电流无限上升，最后直至灯光或电路中的零、部件被过流烧毁。目前大局部路灯使用的光源为高压钠灯，光效是白炽灯的7倍、高压汞灯的2至倍。用高压钠灯取代荧光高压汞灯，照度相同，但节电；而用金属卤化灯取代荧光高压汞灯，照度降低，但节电。设计目的：主要侧重于通过控制来实现节能。研究的对象设定为一路路灯，电压220V，总电流60A，城市情况，包括电压浮动，日照时间参照XX市的情况。灯具选择高压钠灯，电压220V,电流3A,功率250W，20盏；高压钠灯电感镇流器，电压220V,电流3A,250W,短路电流，功率因数，阻抗60。具体实现目标：灯在城市中起照明作用，在维护交通平安和社会治安方面作用很大。因此，要求路灯要在天黑以后彻夜长明。由于夜晚不同时间对照明的要求不同，如在10点前由于行人较多要求正常照明，而在午夜以后人流较小照度要求也要降低，同时电力系统的电压又是变化的，前半夜较低后半夜较高，电能浪费比拟严重，同时还会缩短路灯的使用寿命，因此要求实现路灯的电压调控。由于全年的每日日照时间也是在变化的，同时还要考虑到天气变化等其他因素的影响，开、关灯时间也要实现控制。因此实现对路灯电压和开关时间的控制，天黑亮灯，天亮熄灯，晚十点以前正常电压供电，十点以后根据电力系统电压等级降压供电，在保障正常照明要求的前提下实现路灯的节能。首先是按时开关路灯。以往的路灯开关是使用工人值班手动开关，尽管灵活但是需要职守而且可靠性不高，但是在自动控制系统中作为应急手段仍然是不可缺少的，因此选择自动开关系统，但是要预留人工接口以应对突发事件，如恶劣天气，像阴雨，大雾，沙尘等，还有日食的发生，以及故障排除，检修等。使用自动开断装置，如继电器，交流接触器等等。其次是电压的调节，主要是降压调节。可以有很多项选择择，如变压器一般使用自耦变压器，电力电子器件调压。还有就是控制局部，包括对以上两局部的控制，可以用到单片机，PC，DSP等等。最后就是整体的整合，参数协调。由于目前在元器件的设计上技术已经比拟成熟，通过使用控制来节能相对富有活力。特别是目前电力电子技术，自动控制理论，计算机技术的成熟，使得智能光源降压稳压调光技术有了很好的开展，已经有了很多成功的例子。将三者结合来实现路灯系统控制的灵活性，可靠性和节能性，以及提高效率，减少路灯的损耗和人工本钱。关于调压局部，有电力电子技术和变压器技术。电力电子产品的晶闸见图1，IGBT等都可以实现调压。特别是PWM调压技术，分为电压型和电流型，其中主要应用的是电压型PWM整流电路见图2。考虑到负载是高压钠灯及其镇流器，是阻感负载。VTVTU图1 晶闸管调压电路 利用晶闸管的移相触发，对电网电压进行斩波调压，从而对感性照明负载电感镇流器灯具。而PWM就是脉冲宽度调制，就是脉冲多数为方波的幅度与频率不变，只是脉冲的宽度发生变化，一般用于开关电源。图2 使用IGBT的PWM半桥整流调压电路负载变压器的调压可以使用自耦变压器如图3来实现。对于变比的控制，可以用步进电机来实现。自耦变压器是只有一个绕组的变压器，当作为降压变压器使用时，从绕组中抽出一局部线匝作为二次绕组；当作为升压变压器使用时，外施电压只加在绕组的局部线匝上。通常把同时属于一次和二次的那局部绕组称为公共绕组，其余局部称为串联绕组，同容量的自耦变压器与普通变压器相比，不但尺寸小，而且效率高，并且变压器容量越大，电压越高这个优点就越加突出。因此随着电力系统的开展、电压等级的提高和输送容量的增大，自耦变压器由于其容量大、损耗小、造价低而得到广泛应用。 和普通双绕组变压器相比，自耦变压器有以下主要特点： (1)由于自耦变压器的计算容量小于额定容量所以在同样的额定容量下，自耦变压器的主要尺寸较小，有效材料(硅钢片和导线)和结构材料(钢材)都相应减少，从而降低了本钱。有效材料的减少使得铜耗和铁耗也相应减少，故自耦变压器的效率较高。同时由于主要尺寸的缩小和质量的减小，可以在容许的运输条件下制造单台容量更大的变压器。但通常在自耦变压器中只有k2时，上述优点才明显。 (2)由于自耦变压器的短路阻抗标幺值比双绕组变压器小，故电压变化率较小，但短路电流较大。 (3)由于自耦变压器一、二次之间有电的直接联系，当高压侧过电压时会引起低压侧严重过电压。为了防止这种危险，一、二次都必须装设避雷器，一、二次绕组不是串联的，一次已装、二次就可省略。 (4)在一般变压器中。有载调压装置往往连接在接地的中性点上，这样调压装置的电压等级可以比在线端调压时低。而自耦变压器中性点调压侧会带来所谓的相关调压问题。因此，要求自耦变压器有载调压时，只能采用线端调压方式。图3 自耦变压器UINUOUT设计工作将通过对各种方案的比照来选择适宜的调压方案。单片机，DSP，PC都可以用来进行控制。单片机即单片微型计算机的简称，它是将CPU、ROM、RAM、TIMER/COUNTER以及输入/输出接口I/O等集成在一块超大规模集成电路芯片上而制成的，有些单片机还集成了模数转换器ADC、脉宽调制模块，技术已经比拟成熟，特别是MC51系列，体积小，功耗低，价格廉。单片机的应用在后PC时代得到了前所未有的开展，但对处理器的综合性能要求也越来越高。综观单片机的开展，以应用需求为目标，市场越来越细化，充分突出以“单片解决问题，而不像多年前以MCS51/96等处理器为中心，外扩各种接口构成各种应用系统。单片机系统作为嵌入式系统的一局部，主要集中在中、低端应用领域嵌入式高端应用主要由DSP、ARM、MIPS等高性能处理器构成，在这些应用中，目前也出现了一些新的需求，主要表达在以下几个方面：1以电池供电的应用越来越多，而且由于产品体积的限制，很多是用钮扣电池供电，要求系统功耗尽可能低，如手持式仪表、水表、玩具等。2随着应用的复杂，对处理器的功能和性能要求不断提高。既要外设丰富、功能灵活，又要有一定的运算能力，能做一些实时算法，而不仅仅做一些简单的控制。3产品更新速度快，开发时间短，希望开发工具简单、廉价、功能完善。特别是仿真工具要有延续性，能适应多种MCU，以免重复投资，增加开发费用。4产品性能稳定，可靠性高，既能加密保护，又能方便升级。单片机技术的开展特点。自单片机出现至今，单片机技术已走过了近20年的开展路程。纵观20年来单片机发 展历程可以看出，单片机技术的开展以微处理器(MPU)技术及超大规模集成电路技术的发 展为先导，以广泛的应用领域拉动，表现出较微处理器更具个性的开展趋势。单片机长寿命 这里所说的长寿命，一方面指用单片机开发的产品可以稳定可靠地工作十年、二十年，另一方面是指与微处理器相比的长寿命。随着半导体技术的飞速开展，CPU更新换代的速度越来越快，以386、486、586为代表的MPU，很短的时间内就被淘汰出局，而传统的单片机如68HC05、8051等年龄已有15岁，产量仍是上升的。这一方面是由于其对相应应用领域的适应性，另一方面是由于以该类CPU为核心，集成以更多I/O功能模块的新单片机系列层出不穷。可以预见，一些成功上市的相对年轻的CPU核心，也会随着I/O功能模块的不断丰富，有着相当长的生存周期。新的MPU类型的加盟,使单片机队伍不断壮大,给用户带来了更多的选择余地。8位、16位、32位单片机共同开展 这是当前单片机技术开展的另一动向。长期以来，单片机技术的开展是以8位机为主的。随着移动通讯、网络技术、多媒体技术等高科技产品 进入家庭，32位单片机应用得到了长足开展。以Motorola 68K为CPU的32位单片机97年的销售量达8千万枚。过去认为由于8位单片机功能越来越强，32位机越来越廉价，使16位单片机生存空间有限，而16位单片机的开展无论从品种和产量方面，近年来都有较大幅 度的增长。单片机速度越来越快 MPU开展中表现出来的速度越来越快是以时钟频率越来越高为标志的。而单片机那么有所不同，为提高单片机抗干扰能力，降低噪声，降低时钟频率而不牺牲运算速度是单片机技术开展之追求。一些8051单片机兼容厂商改善了单片的内部时序，在不提高时钟频率的条件下，使运算速度提高了很多，Motorola单片机那么使用了锁相环技术或内部倍频技术使内部总线速度大大高于时钟产生器的频率。68HC08单片机使用外部振荡器而内部时钟达32M，而M68K系列32位单片机使用32K的外部振荡器频率内部时钟可达16MHz以上。低电压与低功耗 自80年代中期以来，NMOS工艺单片机逐渐被CMOS工艺代替，功耗得以大幅度下降，随着超大规模集成电路技术由3m工艺开展到1.5、1.2、0.8、0.5、0.35m。50M/48MIPS全速工作，功率约为20mW。几乎所有的单片机都有Wait、Stop等省电运行方式。允许使用的电源电压范围也越来越宽。一般单片机都能在3到6V范围内工作，对电池供电的单片机不再需要对电源采取稳压措施。低电压供电的单片机电源下限已由2.7V降至2.2V、1.8V。0.9V供电的单片机已经问世。低噪声与高可靠性技术 为提高单片机系统的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片机商家在单片机内部电路中采取了一些新的技术措施。如美国国家半导体NS的COP8单片机内部增加了抗EMI电路，增强了“看门狗的性能。Motorola也推出了低噪声的LN系列单片机。OTP与掩膜 OTP是一次性写入的单片机。过去认为一个单片机产品的成熟是以投产掩膜型单片机为标志的。由于掩膜需要一定的生产周期，而OTP型单片机价格不断下降，使得近年来直接使用OTP完成最终产品制造更为流行。它较之掩膜具有生产周期短、风险小的特点。近年来，OTP型单片机需量大幅度上扬，为适应这种需求许多单片机都采用了在片编程技术(In System Programming)。未编程的OTP芯片可采用裸片Bonding技术或外表贴技术，先焊在印刷板上，然后通过单片机上引出的编程线、串行数据、时钟线等对单片机编程。解决了批量写OTP 芯片时容易出现的芯片与写入器接触不好的问题。使OTP的裸片得以广泛使用，降低了产品的本钱。编程线与I/O线共用，不增加单片机的额外引脚。而一些生产厂商推出的单片机不再有掩膜型，全部为有ISP功能的OTP。MTP向OTP挑战 MTP是可屡次编程的意思。一些单片机厂商以MTP的性能、OTP的价位推出他们的单片机，如ATMEL AVR单片机，片内采用FLASH，可屡次编程。华邦公司生产的与8051兼容的单片机也采用了MTP性能，OTP的价位。这些单片机都使用了ISP技术，等安装到印刷线路板上以后再下载程序。8051类单片机 最早由Intel公司推出的8051/31类单片机也是世界上用量最大的几种单片机之一。由于Intel公司在嵌入式应用方面将重点放在186、386、奔腾等与PC类兼容的高档芯片的开发上，8051类单片机主要由Philips、三星、华邦等公司接产。这些公司都在保持与8051单片机兼容的根底上改善了8051许多特性(如时序特性)。提高了速度、降低了时钟频率，放宽了电源电压的动态范围，降低了产品价格。而使用微机进行控制，可操作性更强，但是本钱也会上升。DSPdigital signal processor是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，源源超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。 DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器具，其主机应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特点：1在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；2程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；3片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；4具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；5快速的中断处理和硬件I/O支持；6具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；7可以并行执行多个操作；8支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。在过去的几十年里，单片机的广泛应用实现了简单的智能控制功能。随着信息化的进程和计算机科学与技术、信号处理理论与方法等的迅速开展，需要处理的数据量越来越大，对实时性和精度的要求越来越高，低档单片机已不再能满足要求。近年来，各种集成化的单片DSP的性能得到很大改善，软件和开发工具也越来越多，越来越好；价格却大幅度下滑，从而使得DSP器件及技术更容易使用，价格也能够为广阔用户接受；越来越多的单片机用户开始选用DSP器件来提高产品性能，DSP器件取代高档单片机的时机已经成熟。DSP器件与单片机的比拟1.单片机的特点。所谓单片机就是在一块芯片上集成了CPU、RAM、ROM(EPROM或EEPROM)、时钟、定时/计数器、多种功能的串行和并行I/O口。如Intel公司的8031系列等。除了以上根本功能外，有的还集成有A/D、D/A，如Intel公司的8098系列。概括起来说，单片机具有如下特点：具有位处理能力，强调控制和事务处理功能。价格低廉。如低档单片机价格只有人民币几元钱。开发环境完备，开发工具齐全，应用资料众多。后备人才充足。国内大多数高校都开设了单片机课程和单片机实验。2.DSP器件的特点。与单片机相比，DSP器件具有较高的集成度。DSP具有更快的CPU，更大容量的存储器，内置有波特率发生器和FIFO缓冲器。提供高速、同步串口和标准异步串口。有的片内集成了A/D和采样/保持电路，可提供PWM输出。DSP器件采用改良的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存取程序和数据。内置高速的硬件乘法器，增强的多级流水线，使DSP器件具有高速的数据运算能力。DSP器件比16位单片机单指令执行时间快810倍，完成一次乘加运算快1630倍。DSP器件还提供了高度专业化的指令集，提高了FFT快速傅里叶变换和滤波器的运算速度。此外，DSP器件提供JTAG接口，具有更先进的开发手段，批量生产测试更方便，开发工具可实现全空间透明仿真，不占用用户任何资源。软件配有汇编/链接C编译器、C源码调试器。因此，可以得出结论，DSP器件是一种具有高速运算能力的单片机，从应用角度看：DSP器件是运算密集型的，而单片机是事务密集型的。从节能调压系统的实际要求来看，选择单片机更合理一些。设计的最终结果是优化整合各种方案，实现设计要求。通过对各个功能模块和具体器件的选择来实现。第1章 我国路灯系统现状1.1 路灯的节能需求随着我国城市化建设的不断深入，经济高速持续的开展，人们的生活水平也不断提高。在繁华的都市，城市道路、夜景照明已成为城市文明的标志和城市文化的代表。在推进城市亮化工程的进程中，照明光源及调控设备得到了空前的开展，当然，城市照明的电能消耗和灯具损耗也越来越大，由于电力紧缺和电费的上涨，照明节能降耗将越来越受到广泛重视。路灯的节能控制相当重要，来实现按时开关灯，午夜后降压供电等要求。1.2 路灯主要的节能方式目前国内照明节能主要的途径有三种：合理照度；采用高效的节能型光源，也就是使用发光效率高的灯泡或灯管；在现有照明系统上加装节能控制设备。从实际应用的角度来看，第二种方案适用于新设计的照明回路。对于已有的照明系统，因需更换所有灯具，初期投入资金和人力比拟大，在不能分批分次更新灯具的照明场所，这样做一次性投入太大。对现有照明系统的节能改造，一般采用加装节能设备，较为经济和实用，目前国内销售的照明节能设备很多，其中照明控制调控装置所占比例最大。从工作原理上大致分为三大类。 1. 可控硅斩波型照明节能装置 原理：采用可控硅斩波原理，通过控制晶闸管可控硅的导通角，将电网输入的正弦波电压斩掉一局部，从而降低了输出电压的平均值，到达控压节电的目的。这类节能调控设备对照明系统的电压调节速度快，精度高，可分时段实时调整，有稳压作用，因为主要是电子原件，相对来说体积小、设备轻、本钱低。 但该调压方式存在一致命缺陷，由于是相控调压，使电压无法实现正弦波输出，还会出现大量谐波，形成对电网系统谐波污染。 1.2.2 自耦降压式调控装置 现在市场上最多照明节电产品就是此类产品。它的原理是，通过一个自耦变压器机芯，根据输入电压上下情况，接连不同的变压器抽头，将电网电压降低5， 10，15，20V等几个档，从而到达降压节电的目的。 这类产品最大的优点是克服了晶闸管相控型产品产生谐波的缺陷，实现了电压的正弦波输出，结构和功能都很简单，当然可靠性也比拟高。但是不能用来控制照明调控装置进行频繁切换，一般做不到实时稳定电压、多时段调控等功能。 1.2.3 智能照明节电器.智能照明节电器，即智能光源降压稳压调光技术。智能照明调控装置工作原理，采用微电脑控制系统，实时采集输出、输入电压信号与最正确照明电压比拟，通过计算进行自动调节，从而保证输出最正确的照明系统工作电压。第2章 节能的实现方案2.1 路灯的节能原理节能的核心就是在保持合理照度的前提下在电压过高时降压供电，一般在后半夜由于路上行人车辆较少同时灯具如高压钠灯灯可以在低电压下运行，可以把过高的电网电压降到190V进行供电,极大地节约了电能。2.2 主要设计方案设计应该结合各种方案的优缺点，从目前的实际情况出发，进行设计。由于目前节能器件比拟成熟，设计主要侧重于控制局部的设计。工作局部又有很多方案，比方使用变阻器，步进电机拖动自耦变压器，电力电子器件等，在研究方向上选择使用电力电子器件，如晶闸管，IGBT等。控制局部可以使用手动或自动，如单片机的应用。但还要兼顾应急性，需要同时使用人工控制。方案了3个方案，分别是A人工遥控，B传感器智能控制和C预先编程和传感器结合控制。 人工遥控第一种技术较为落后，第二种方案过于复杂可靠性低，最终选择的第3种方案，同时还要结合第一种设置人工干预接口。框图如下：A方案如图4：图4 方案A框图控制装置照明系统遥控装置人工通过有线或无线方式遥控路灯系统的运行，灵活性高，但是增加了人力本钱。而且人工控制的准确性，可靠性不高。2.2.2 传感器智能控制图5 方案B框图光敏传感器电压传感器单片机直流电源驱动电路D/A转换人工控制路灯系统调压系统A/D转换B方案如图5：通过传感器来判别时间亮度和电压，综合控制。自动性能好，但过于复杂，遇到特殊情况需要人工参与完成。现在城市中常见的路灯控制系统一般对光照变化对应的开关灯控制环节仍然使用人工控制，很大程度上是为了实现灵活的开关灯时间控制。 预先编程和传感器结合控制C方案如图6图6 方案C框图电压传感器单片机直流电源驱动电路D/A转换人工控制路灯系统调压系统A/D转换这是主要选择的方案。由于全年的日照时间的变化规律是一定的，因此将全年的光照时间变化规律以XX市所在纬度记录到单片机中。单片机内有定时器，可以通过定时器中断来控制开关和调压开始时间。按此运行，就可以实现接近B方案的效果。同时考虑到天气等意外情况，通过人工接口来改变开关灯的时间。同时使用电压传感器，比方变压器等简单装置就可以实现对电压的跟踪，产生反应，使单片机输出电压控制信号，在一定时间内对电压进行调整。单片机的输出数字信号经过D/A转换和放大，驱动控制器。控制器也有很多项选择择，比方使用电力电子器件。诸如晶闸管或IGBT，通过改变相位角来实现电压的调整。或者使用步进电机，通过对自耦变压器的调整来调整电压。同时还要驱动电源开关，在这里使用交流接触器，实现开关。还有人工接口，可以使用方案A的方法，或者直接用闸刀开关来操作。最后是一些前面提到的节能措施，在于前面的控制环节没有冲突的情况下可以尽量选择。第3章 各局部根本原理这样主体框架就是利用单片机与电力电子器件来实现控制。3.1 电力电子器件调压原理3.1.1 PWM技术电力电子器件也有很多项选择择，主要有相控节能，利用晶闸管的移相触发，或者PWM整流技术调压。由二极管或晶闸管组成的整流电路，虽然控制简单，本钱较低，技术成熟，但输出电流谐波含量很大，总的功率因数很低，已成为电网的主要谐波源。将整流电路中的二极管或晶闸管换成IGBT，MOSFET等自关断器件，并将SPWM技术应用于整流电路，这就形成了PWM整流电路。通过对PWM电路的适当控制，不仅可以使输入电流非常接近正弦波，而且还可以使输入电流和电压同相位，功率因数近似为1。从80年代提出后，PWM整流电路得到了飞速开展，并迅速成为电力电子技术的一个研究热点，其根本原理就是等面积定那么。在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相同而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果根本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里说的效果根本相同，是指环节响应输出波形根本相同。如果把输出的各波形用傅立叶变换分析，那么其低频段非常相近，仅在高频段略有差距。于是可以用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。图7 用PWM波代替正弦波 u O t u O t 如图7所示，将正弦波上半波分成宽度相同，但是幅值不等，按照正弦变化分布，那么由等面积定那么，PWM波形和正弦上半波效果相同。要改变等效输出的正弦波的幅值时，只要按照一定比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。控制方法分为调制法和计算法，一般用到调制法。使用三角波，可以从正弦波中获得SPWM波。同逆变电路相同，PWM整流电路也可分为电流型和电压型两大类，两者的许多特点也分别和相应的逆变电路相似。目前，电压型应用较多，设计选择单相电压型PWM整流电路。图8给出了单相全桥PWM整流电路。 负载 is RS LS T1 D1 T3 D3 AB Ud T2 D2 T4 D4 图8 单相全桥PWM整流电路交流电感LS包含外接电抗器的电感和交流电源内部电感，是电路正常工作所必需的。电阻R，包含外接电抗器的电阻和交流电源内阻，同SPWM逆变电路控制输出电压类似，可在PWM整流电路的交流输入端AB间产生一个正弦调制PWM波UAB。UAB中除了含有与电源同频率的基波分量外，不含低次谐波成分，还含有与开关频率有关的高次谐波。由于电感LS的滤波作用，这些高次谐波电压只会使交流电流is产生很小的脉动。如果忽略这种脉动，is为频率与电源频率相同的正弦波。PWM整流电路的单相等效电路如图8所始示.图9 单相PWM整流电路等效电路图 Ls Rs Is US UAB其中US为交流电源电压。当US一定时，is的幅值和相位由UAB中基波分量及其与US的相位差决定。改变UAB中基波分量的幅值与相位，就可以使is与US同相位。图9a给出了单相PWM整流电路的向量图，其中UN表示电网电压，UAB表示PWM整流电路输出的交流电压，UL为连接电抗器LS的电压，UR为电网内阻RS的电压；在图？中，UAB滞后UN的相角为，IN与UN的相位完全相同，电路工作在整流状态，且功率因数为1。在9b中，UAB超前的相角为，IN与UN的反相，电路工作在逆变状态。这就是PWM整流电路的根本工作原理。(a)整流运行 (b)逆变运行图10 PWM整流电路两种运行方式的向量图于是设计PWM整流调压电路如图10所示，使用IGBT和二极管。UOUI220V图11 使用IGBT的PWM整流调压电路图10电路利用SPWM的等面积定那么，使正负半周交替导通，通过对导通角的大小调整来实现电压调整。由于要调节一路路灯，总电压为220V，总电流60A，最大电压按照最严重的浮动情况，上浮15%，即253V，69A。考虑到要有一定的平安裕量，应选择两倍左右的容量的器件，即500V，140A。那么最大导通角应为将253V下调15%对应的角度。由于先前是设计的分级调压，可以设定为四级，每隔5%电压为一个等级，即100%，95%，90%，85%供电。根据电压浮动的常年统计值以及不同季节的变化预先设定好随着时间变化的电压调整。实现IGBT的PWM调压，还需要相应的驱动电路，也就是PWM控制信号发生电路。最初的设计是通过使用信号放大器，放大单片机引脚上的方波信号，再由三角波转换电路转化为PWM控制信号，驱动IGBT。结构比拟简单，但是可靠性和实用性很差，现在一般使用专用的驱动电路模块，比方3525。KA3525作为电流型PWM控制器，功能比拟完善。但用电流来控制的思想最终还是以电压的形式表现出来。因此整个系统的控制方式根本上是以电压作为主线的。3525工作原理输出电压可调。KA3525具有软启动功能，实质上是由内部5V基准源经50uA的恒流源给KA3525接一电容充电实现的。在电容器充电的过程中仍以电容器上的电压缓升来到达PWM脉宽缓慢展宽的目的，基于这种考虑，当给定KA3525的8脚上给定一电压值，应得到一固定脉宽输出，根据KA3525的资料手册，给定KA3525的8脚上的电压典型值超过3.2V小于5V内脉宽不变，也就是当电压值到达3.2v时，KA3525的输出为最大脉宽，当从某一电压值上升至3.2V时，在这段电压范围内，对应的电压值对应了固定的脉宽输出，以高频变换也就得到了相应的电压输出，由此输出可调的目的也就到达了，这种功能具体由单片机来实现。管脚如图11。对电路的驱动连接如图12，11脚14脚输出基准电压。 反相输入端 基准电压 同相输入端 +15V 同步输出 B输出 震荡器输出 +VC 时基电容CT GND 时基电阻RT A输出 放电电阻RD 关断控制 软启动端 补偿 1 162 153 144 135 126 117 108 9图12 3525的管脚图稳压。输出电压可调，随即需要解决的是稳压，整机要求稳压精度稍为高一点，假设要采用单片机来稳压的话，由于单片机运行一条最简单的指令也需要1个周期，当采用12M晶振时，一个周期为1s，显然不符合闭环稳压的要求，在这时仍然采用KA3525内置的误差放大器来实现闭环稳压，实现的原理就是运用电压误差放大器实现的电压负反应电路。单片机来给定每一级需要稳压基准点，以此来实现输出一级电压，稳定一级电压。 Vc A3525 B GNDVs图13 驱动连接Uo硬、软件实现硬件实现本电路主要有控制电路、跟踪稳压电路组成。原理框图如图13所示。图14 电压型3525PWM控制电路PWM输出控制频调输出电压，跟踪稳压基准电平电压输出PWM控制3525中断信号电压采样单片机控制系统滤波输出电压可调控制电路电路的实现是由单片机通过锁存器(74LS377)U5和DA转换器(DAC0800)U9实现，那么+12V电源经LM7808提供应u9稳定的+8V的基准电压源，当单片机给74LS377送入数据并由74LS377将数据锁存，经DAC0800转换后输出的直流电压给KA3525的2脚，即给KA3525内部的误差放大器同相端给定一电压值，给定不同的基准稳压电平，即可实现不同的电压输出。考虑到电路的抗干扰能力，由单片机给定74LS377的1脚和11脚双重的选通功能稳压基准源电路应输出电压可调的要求，电路原理可知(如图14)，稳压基准电平Vref与u维持平衡电压值只相差十几个毫伏，当输出电压Uout升高时，U的电压值必定升高，那么误差放大器的输出电压会下降，使得KA3525内部的PWM波输出脉宽变窄。经一系列高频变换滤波得到的输出电压Uout会降低，从而到达稳压目的。假设需要输出的电压升高或降低，那么需要稳压基准电平Vref跟着升高或降低才能到达输出稳压的目的。UOUT - +UUREF图15 稳压基准源电路软件实现。本电路的软件结构包括初始化，预设定及故障检测程序等构成的，以单片机MC51为软件控制核心。程序结构框图如图15所示。初始化调压预设定开断预设定判断，运行图15 程序结构框图3.2 开断动作的实现假设使用调压电路实现关断或者全压供电，必然会造成不必要的电能损耗。选择交流接触器。交流接触器广泛用作电力的开断和控制电路。KA1KA2PWM调压KB1KB2220V交流接触器利用主接点来开闭电路，用辅助接点来执行控制指令。 主接点一般只有常开接点，而辅助接点常有两对具有常开和常闭功能的接点，小型的接触器也经常作为中间继电器配合主电路使用。 交流接触器的接点，由银钨合金制成，具有良好的导电性和耐高温烧蚀性。 交流接触器的动作动力来源于交流电磁铁，电磁铁由两个“山字形的幼硅钢片叠成，其中一个固定，在上面套上线圈，工作电压有多种供选择。为了使磁力稳定，铁芯的吸合面，加上短路环。交流接触器在失电后，依靠弹簧复位。另一半是活动铁芯，构造和固定铁芯一样，用以带动主接点和辅助接点的开短。20安培以上的接触器加有灭弧罩，利用断开电路时产生的电磁力，快速拉断电弧，以保护接点。交流接触器制作为一个整体，外形和性能也在不断提高，但是功能始终不变。无论技术的开展到什么程度，普通的交流接触器还是有其重要的地位。开断信号也可由单片机发出，控制交流接触器来实现线路的开断。接触器由磁系统，触头系统，灭弧系统，释放弹簧机构，辅助触头及基座等几局部组成。接触器的根本工作原理是利用电磁原理通过控制电路的控制和可动衔铁的运动来带动触头控制主电路通断的。考虑到要在全压供电时不需要调压，可以使用接触器短接调压电路，还可以在出现故障时应急使用全压供电。动作由单片机发出的信号来控制。设计开断系统如图16所示。同时还要加上人工接口，比方闸刀开关。220V图17 开断系统