定时亮灭的光控节能路灯控制设计

- 18 -工学院毕业设计（论文）毕业设计（论文）题目专 业：机电一体化技术班 级：机电0822学 号：0801212254学生姓名：校外指导教师：XXXXX校内指导教师：二零一零年十二月四日目录摘要3第1章 前言41.1 课题研究的意义4第2章 定时亮灭的光控节能路灯控制设计42.1 设计方案42.2 方案比较52.3 设计思路的优缺点62.4 题目分析62.5 电路分析72.5.1 光控电路72.5.2 整流电路82.5.3 延时降压电路9第3章 元器件的简介及其原理103.1 光敏电阻103.2 555控制器123.3 二极管143.4 三极管143.5 数字时间继电器15结束语15参考文献16附录一：元件清单表17摘要城市路灯照明系统是城市必不可少的公用设施，是现代城市文明的一大标志。随着城市的发展，人们对城市照明的要求也越来越高。保证路灯的高亮灯率，及时发现和排除路灯故障，对人民生活、交通安全等都起着非常重要的作用。另外，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，能源危机己经成为全人类所面临的主要危机，因此，尽可能的节约电能显得尤为重要。 目前，城市路灯监控系统在我国已经得到了广泛的应用，然而现有的路灯监控系统都存在一个共同的缺点，就是不能控制和检测单个路灯的运行状态。这就带来两个方面的问题：一方面，存在大量的电能浪费。为了保证路灯的“亮灯率”，则需要将所有路灯点亮，因为城市后半夜行人较少，这样就白白消耗了大量电能；若采取“半夜灯”、“隔一亮一”或“亮一隔二”等节能方式，则会带来的社会治安、交通安全和路灯寿命减损等问题。本文研究的智能路灯节能控制系统是针对我国在城市照明上所存在巨大的电力能源消耗的问题而提出的，通过光敏电阻、555集成电路、整流电路、数字定时器、继电器及变压器组成一个供电电路，有效的改善节能照明源和使用符合实际交通状况的控制系统，可明显提高路灯用电效率，真正达到了节能降耗关键词：光敏电阻、555集成电路、整流电路第1章 前言1.1 课题研究的意义 城市道路照明的目的是使行人和驾驶员能很好地识别抢房路面上的情况，从而保证夜间交通的安全与快适。道路照明并不需要那么亮，更不是越亮越好。实际上，路面过亮会带来一些问题。首先是浪费电路，为了提高路面的亮度，需要增加路灯的功率，若平均每盏灯增加50KW，统计全国660个城市的路灯400万盏，共增容20万KW，年多耗电7亿KWh。其次，每年多发电7亿KWh，将增加二氧化碳、二氧化硫有害气体的排放，破坏空气质量。第三，加重了光污染和光干扰，使干扰驾驶员正常行驶的眩光趋于严重。目前我国大部分城市路灯都采用“全夜灯恒照度”方式，此方式的能源利用率不高，主要存在以下几个方面的不足：第一。在后半夜车流量较小，依然保持前半夜的“恒照度”会造成资源的大量浪费；第二，后半夜是用电低谷期，电力系统电压升高，路灯反而会更亮，而我国现行70的道路照明使用的高压钠灯，此类电网电压的波动致使灯泡的实际使用寿命不超过1年，因此会带来高额的维修费和材料费。随着“节约型社会”观念深入人心，以及节能减排纳入国家十一五规划内容，提高路灯控制系统的管理水平，解决传统模式的能源高消耗、维护高成本，实现智能化的节能照明已成为解决城市美化和能源紧张的最佳选择。第2章 定时亮灭的光控节能路灯控制设计2.1 设计方案方案一： 采用“定时亮灭的光控节电路灯控制电路”进行优化设计，傍晚路灯自动点亮，半夜以后降压半波供电以利节能，清晨天亮后路灯自动熄灭。 控制方法：该电路采用光敏电阻作感光元件,白天,光亮度大,光敏电阻RG 呈低电阻,则N的脚处于高电位,脚输出为低电平,晶体管VT截止,继电器K不吸合,接触器KM线圈无电,主触头断开,路灯不亮。傍晚，随着自然光亮度降低，RG 电阻值逐渐变大。当RG、R2 分压作用使N 的脚电位低于控制电压时，N 翻转，其脚输出高电平，VT 导通继电器K吸合，其两个常开触点闭合。一个使接触器KM1 得电并自保，其主触头闭合，路灯亮，另一个启动通电延时时间继电器KT，计时机构开始计时，半夜后，到达整定时间，其延时接点KT（34）闭合，启动接触器KM2，其主触头接通，接入二极管半波整流供电以节能，同时断开KM1。到第二天早晨，随着自然光亮度增加，RG 逐渐减小，分压作用使脚电位上升，当高于控制电压时，N 翻转，脚输出低电平，VT 截止，K 失电使路灯熄灭。由于按自然光亮度控制，因此控制器会按照天气晴、雨及季节变化自行调整点亮路灯时间。R3 及C1 防止晚上闪电等光的干扰引起控制器误动作。另外便于路灯进行检修而接入按钮SB1、SB2。方案二：采用V V0 变压器-高压钠灯照明系统,由时间控制,在半夜适当降低加在灯上的电压,达到节电的目的。控制原理：V /V o 一V /V 变压器路灯照明节电系统不需要增加自耦变压器、补偿变压器或电抗器等元件，只需要将路灯专用变压器作V /V o 接线(采用V /V o路灯专用变压器，或将目前使用的Y Y 0 变压器的一相绕组悬空)。然后通过控制器在深夜自动断开变压器二次侧的中性线，变成V /V 接线，从而使灯具电压从相电压自动变换为线电压的一半。方案三：根据周围环境如光线亮度和交通状况综合考虑，解决问题。控制原理：将从开灯到关灯根据交通可分为三个阶段(高峰、正常、低谷)来对路灯进行控制，利用时钟芯片可将实时时钟传人主控制器，从而把各阶段划分定时，再由主MCU通过电力载波通信将信号传递给从MCU，而LED的照明亮度决定于经高压交流传输整流后，再进行DCDC输出电压的大小，此时从控制器通过PWM可进行控制其输出电压(各档位时段对应各自电压)。在低谷时段，从控制器还可利用设置在路面的噪声传感器检测路面交通的实时交通状况，通过噪声情况决定是否改变目前的路灯电压，以此实现动态节能。通过光电传感器在非正常开灯阶段还可实时检测路面光照度当光照摩诀不到预设要求可以启动路灯照明讲行席急。2.2 方案比较方案一和方案三都采用的光敏电阻控制，方案二利用变压器降压处理，达到节能效果。方案三还采用了噪音传感器，方案一从节能方面考虑。由于元器件和经济方面有限以及操作难易方面考虑，我认为方案一可行性较好。2.3 设计思路的优缺点本次毕业设计中我所设计的题目是“定时亮灭光控节能路灯的设计”。这是一种光照控制亮灭的照明灯。本设计是一种基于模拟与数字混合型的集成电路，电路主要由两个高精度电压比较器A1、A2，一个RS 触发器，一个放电三极管和三个5K 电阻的分压器而构成。白天光照超过一定的强度时，都不会是路灯发亮；夜晚光暗，光敏电阻电阻阻值变大，就会导致路灯自动亮为车辆和行人照明；半夜后，到达整定时间，接入二极管半波整流供电以节能。另外，还有防止晚上闪电等光的干扰引起控制器误动作的控制器。定时亮灭光控节能路灯具有可靠性要高，成本要低，电源连接方便，元件易找等优点。该设计的缺陷是该设计在接入节能灯后，因为节能灯不能频繁启动，容易造成节能灯寿命减少。2.4 题目分析本电路系统用交流220V电压通过变压器T降压对光控电路、延时电路、整流电路及防止干扰电路提供电压。由这三部分控制路灯定时亮灭。如图2-4（a）、2-4(b)所示图2-4(a)图2-4(b)2.5 电路分析2.5.1 光控电路光控电路的核心元件为光敏电阻，光敏电阻器又叫光感电阻，是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。在光线较暗时，光敏电阻呈高阻态；在光线较亮时，光敏电阻呈低阻态，光敏电阻通常都工作于直流或低频状态下。光控电路主要由光敏电阻和555控制器组成，部分电路图如图2-5(a)所示图2-5(a)2.5.2 整流电路整流电路把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。本次所用为单向桥式整流加上滤波电路，是由电源变压器T，4只整流二极管VD1VD4、电容C2等组成。工作原理：交流220V电压经过变压器T，降压得到交流10V电压，再经过四个二极管组成的整流电路，将交流转换成直流电压。整流电路只能把交流电变成脉动直流电，但在实际应用中，许多电器设备都需要平滑的直流电源。要达到这个要求，需在整流电路后面加上滤波电路。滤波电路的目的是尽量降低输出电压中的交流成分即脉动成分而保留其中的直流成分，使输出电压接近于理想直流电压。本电路中主要是利用电容两端的电压不能突变特点，将电容与负载并联，以达到输出波形基本平滑的目的。此部分电路图如图2-5(b)所示：图2-5(b)2.5.3 延时降压电路延时降压电路它是用555集成块、数字时间继电器、接触器、三极管、二极管等组成的电路来控制电压。工作原理：当光敏电阻导通，此时555集成块起作用使三极管导通，接触器K吸合，接触器K常开触点吸合，数字继电器导通并开始定时。当时间达到预定值时，其延时接点KT闭合，接入二极管半波整流供电以节能。此部分电路图如图2-5(c)所示：图2-5(c)第3章 元器件的简介及其原理3.1 光敏电阻光敏电阻是一种典型的光电导器件，该电阻具有光电导效应，即其组成材料（或器件）在受到光辐射以后，它的电导率（或阻值）会发生变化。在光线较暗时，光敏电阻呈高阻态；在光线较亮时，光敏电阻呈低阻态，光敏电阻通常都工作于直流或低频状态下。光敏电阻与其它半导体光电器件相比，有以下优点：1.其光谱响应范围相当宽；2.工作电流大，可达到数毫安；3.所测光强度范围宽，既可测强光，也可测弱光；4.灵敏度高，光导电增益大于1；5.偏置电压低，无极性之分，使用方便。其缺点是：1.在强光照射下光电转换线性较差；2.光电弛豫过程较长，何为光电导的弛豫现象？即光照后，半导体的光电导随光照时间逐渐上升，经一段时间到达定态值。光照停止后，光电导逐渐下降；3.频率响应（器件检测变化很快的光信号的能力）很低。目前，光敏电阻已广泛用于控制路灯自然点熄电路、照相机自动曝光电路、照度计、机床自动断电和其它自动控制装置。图3-1所示为光敏电阻的工作原理。图中，在光敏电阻的两极间加上一定电压V，当光照射在光敏电阻上时，其内部被束缚的电子吸收光子能量成为自由电子，并留在空穴。光激发的电子空穴对在外电场的作用下同时参与导电，从而改变了光敏电阻的导电性能。随着光强的增加其导电性能变好，即光敏电阻的电导率增加，流过其内的电流（光电流）增加，其本身的电阻值减小。随着光强的减小，其导电性能破坏，即光敏电阻的电导率减小，流过其内的电流减小，其本身的电阻值增加。根据热平衡状态下半导体电导率公式，可推算出在光辐射作用下产生的光电流：式中，qN是光电子形成的内部电流，V是光敏电阻两端电压，L是光电导体的长度，是光辐射下每单位时间产生N个电子空穴对的各自寿命，分别是电子和空穴的迁移率。由此可见，光敏电阻的光电流与入射电子数、量子效率和光电导体L以及加在其两端的电压大小等因素有关。其电流大小与L的平方成反比，因此在设计光敏电阻时，常设法将L减小，使光电流增大。图3-13.2 555控制器 555定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路。它有双极型的，型号为555。555定时器使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。因而广泛用于信号的产生、变换、自动检测和控制等方面。其结构：是一个模拟与数字混合型的集成电路。它主要由两个高精度电压比较器A1、A2，一个RS 触发器，一个放电三极管和三个5K 电阻的分压器而构成,其电路原理图如下图3-2所示： 由原理图可知，比较器的同相输入端（即控制电压端VC）参考电位为，比较器的反相输入端参考电位为。（1）当复位控制端TH即的反相输入端电位高于时，输出为0，使触发器复位，输出Q=0，且=1使放电管T导通。（2）当置位控制端即的同相输入端电位低于时，输出为0，使触发器置位，输出Q=1，且=0使放电管T截止。（3）当TH和的电位在之间时，和均输出为1，这是Q状态取决于触发器原来的状态或直接复位端的信号。555 控制器的主要功能见下表:为了便于记忆，我们把复位控制端TH端电压作为逻辑1，为逻辑1，为逻辑0，该端逻辑0置位。清零端高触发端TH低触发端放电管T功能00导通直接清零10导通置011截止置11不变不变保持3.3 二极管半导体二极管也称为晶体二极管（简称二极管），如下图3-3所示，它由一个PN结加上引线和管壳构成。从p区引出一个电极叫正极，从N区引出一个电极叫负极。它具有单向导电性。图3-3除了普通二极管外，另外还有一些特殊用途的二极管，如稳压二极管、发光二极管、光敏二极管等。稳压管是用特殊工艺制成的特殊二极管，它工作在反向击穿区，具有稳压功能。发光二极管与普通二极管一样，也是由PN结构成的，同样具有单向导电性，但在正向导电时能发光，所以它是一种把电能转换成光能的半导体器件。发光二极管常用于状态指示或高电平指示，也用于数码管和点阵显示，如数字显示、电子秤、证券屏、交通指示等。光敏二极管是将光信号转变为电信号的器件。光敏二极管工作在反偏状态，它的光壳上有一个玻璃窗口，以便接受光照。当不受光照时，其反向电阻很大，通过它的电流很小。当受到光的照射时，反向电流显著增加，该电流称光电流，它的大小与光照的强度有光。光敏二极管广泛用于光电耦合器、遥控接收器中，作为光电转换器件。3.4 三极管半导体三极管是一种具有放大作用的半导体器件，半导体三极管又称为晶体管，因其内部参与导电的载流子有电子和空穴，所以又称双极型晶体管。它是组成各种电子电路的核心器件，其具有放大作用。三极管由两个PN结，三层半导体组成。根据排列的方式不同，半导体三极管分为NPN型和PNP型两种类型。两个PN结把三极管划分为发射区、基区和集电区，其中，发射区掺杂浓度高，基区很薄且掺杂浓度低，集电极面积大。它们引出线分别称为发射极e、基极b、集电极c。发射区和基区间的PN结称为发射结，集电区和基区间的PN结称为集电结。如图3-4所示，带箭头的电极表示发射极，箭头方向表示发射极正向偏置时电流方向。3-43.5 数字时间继电器在自动控制系统中，有时需要继电器得到信号后不立即动作，而是要顺延一段时间后再动作并输出控制信号，以达到按时间顺序进行控制的目的。数字时间继电器就可以满足这种要求。按延时方式可分为：通电延时和断电延时。对于通电延时时间继电器，当线圈得电时，其延时动合触点要延时一段时间才闭合，延时动断触点要延时一段时间才断开；当线圈失电时，其延时常开触点迅速断开，延时常闭触点迅速闭合。电气符号如3-5图。对于断电延时时间继电器，当线圈得电时，其延时动合触点迅速闭合，延时动断触点迅速断开；当线圈失电时，其延时常开触点要延时一段时间再断开，延时常闭触点要延时一段时间再闭合。电气符号如3-5图。图3-5结束语在节约能源、电力资源合理利用的今天，我们应积极响应国家节能降耗政策，努力构建节约型社会，发展循环经济。而路灯节能是一项三赢的工程，政府省钱，百姓受益，企业发展。当今时代，信息化已成为最先进生产力的集中表现我们要努力实现电力企业信息化，全面推进电力企业信息化进程。随着电力企业系统的高速发展和计算机技术、通信技术的进步，电力企业面临着进一步发展的趋势，电力企业信息化的发展将永无止境，这对电力企业信息化工作者提出毕业设计是教学和工程实践之间重要的结合点，选择好适合的课题，使我们在设计中明确什么是正确的设计思路和设计方法，顺利完成设计任务。在整个设计过程中，本着节约的精神，我用的都是简单廉价的元器件，降低了系统成本。本次的定时亮灭的光控节电设计，我学到了很多之前没学过的专业知识，而且还复习了之前所学的专业知识。例如一些像光敏电阻、555控制器、三极管等一些元器件的工作原理及相关的理论知识，我在课本上未曾学到如此深的知识，但为了做这个毕业设计，我找了很多相关资料来扩充自己的对相关元件方面的了解。也掌握了相关方面的设计方案，通过比较加上填充，使自己的设计更加完美。参考文献【1】电子技术EAD实践教程/杨晓慧等编著.北京：国防工业出版社，2005.1【2】陈有卿.实用灯光控制电路M.中国电力出版社【3】郑光应.模拟电子线路M.东南大学出版社【4】杨志忠.数字电子技术M.高等教育出版社【5】郑凤翼.电工识图M.人民邮电出版社，2000.8【6】用宇基于工作流技术的电力生产管理系统的设计与实现【D】北京交通大学，2008年【7】辜体仁调整中的电力信息化J.电力信息化，2004年(1)期【8】张旭日立足需求注重实效稳步推进国华电力信息化建设之路J中国科技产业，2004年06期 【9】田效伍.电气控制与PLC应用技术.机械工业出版社 【10】黄杭美.电工电子学基础.浙江大学出版社附录一：元件清单表元件名称表示符号规格数量电阻R256K1R3330K1R456K1R522K1R61K1可变电阻RP210K1电容C110uf/16v1C2470uf/16v1二极管VDIN40011光敏电阻RG50K1三极管VT80501整流桥UR93021直流继电器KJRC-19F/09VDC-2ZC1接触器KM1、KM2CJTI-102数字时间继电器KTCJ48S-221整流二极管VDZP5A1电灯泡交流2203555控制器N8脚1按钮SBLA10-2H1