智能路灯节电器的研制与应用论文

智能路灯节电器的研制与应用摘要：介绍了一种基于ATmega64单片机为核心设计的路灯节电器。本文分析了节电器自耦降压的工作原理、主回路控制电路工作方式。然后详细的介绍了实现节电器控制的硬件设计和软件编程设计，对节电工作的优先级进行了论述。通过实验测试，节电效果明显。同时，该节电器具有原理简单、控制方便、具有较高的性价比等优点。 关键词：路灯节电器；单片机；节能1 引言随着各地经济和交通的的快速发展，道路照明质量不断提高，照明路灯设施规模越来越大，数量也越来越多，这对改善各地区的投资环境,促进经济快速发展，方便群众生活、美化城市起了很大作用，但是伴随而来的是能耗的大幅度提高，特别是近年来能源价格大幅度提升，使城市照明的电力耗费成为各地政府部门的一大经济负担；此外，经多方测试发现绝大多数城市路灯在夜间22：00以后，供电电压因用电负荷减少而升高15%左右，此时用电设备在高于设备额定电压状态下运行，将会导致设备过度发热，既缩短了灯源寿命，又增加了维护费用 。另据有关统计，目前城市照明用电量接近发电量的15%，且照明耗能一直呈上升趋势，随着我国能源短缺，供电紧张。同时，许多地方存在用电效率低下、浪费严重之问题。所以，很有必要采用一种方便又经济的节电器来解决以上问题。经过理论分析和反复实践并多次电路改进，研制出了一种用单片机作为控制核心的智能型路灯节电装置（以下简称路灯节电器），经过实际应用其运行稳定、节电效果显著的特点得到了使用者的肯定。2节电器主要功能：1） 自动稳压功能：根据设定输出电压值自动跟踪调压，使节电效率达到最佳。 2） 显示功能：采用触摸屏显示，操作简易外形美观。3） 定时起停功能：可实现：按经纬度控制开关灯；按固定时间表控制开关灯；按特定日期段的时间表控制开关灯；经纬度设定是根据当地的经纬度来判断日出日落时间，以便节电器准确的节电。4） 控制功能： 6路输出，每路均可实现独立开关灯控制，可自动实现半夜灯等功能。5） 远程监控：可通过有线、无线（GPRS）方式进行远程监控。6） 保护功能：可设置电压、电流极限值，自动实现过压和过载及超温保护。7） 旁路功能:：可根据设定的电流变化率自动实现旁路全压启动。8） 补偿功能：七级自动补偿，可根据设定值自动投切电容器组，保持最佳功率因数。9） 扩展功能：系统设计多路开关量输入，开关量输出和模拟量输入。3 节电器的原理及主回路结构31 节电原理图1变压器原理图 节电器调压有多种方式，如调相方式、磁饱和稳压方式、可控硅斩波方式等，调相方式存在波形畸变，对其他设备有干扰，不能满足要求；磁饱和方式在大功率时因其体积庞大也不能满足要求；可控硅斩波方式谐波大，实现正弦输出困难；自耦降压方式实现简单，可靠性也高，故本设计采用自耦降压方式。根据自耦降压的原理，通过自耦变压器的机芯，根据不同的电压输出要求，引出不同的接线抽头，将电网降为几档，从而实现降压节能。该方式的变压器原理图如图1，根据理论计算和实验测试，降压节能不但是一种切实可行的方法，而且可以延长灯的寿命，具有双重意义上的节能。合适的照明亮度是节电过程要十分重视的，节电的基本原则是保证不降低工作场所的视觉要求，保证照度标准和照明质量的前提下，尽量减少照明系统中的能量损失，达到最有效的节能。根据有关研究和实验，亮度与电压的关系，电压降低在一定范围内，照度质量和效果没有显著的变化，肉眼无法觉察到变化。图2 电压与照度、灯具寿命的关系曲线图2是电压与照度、寿命的关系，由图可见，灯具电压超过额定电压10%时，灯具寿命降低一倍，灯具电压为额定90%时，灯具寿命提高一倍，亮度降低7%，此时与过压10%相比寿命适长4倍，而且亮度值与额定状态相比仅衰减7%，人眼对光线的感觉成对数关系，即光线亮度增加10倍时，人能够感觉到亮度增加1倍，而当光线亮度减少7%时，人眼很难觉察到，因此，灯具电压为额定值90%时为最优照明电压。路灯节电器是一种智能化设备，它应用其独特的控制方式，采用最先进微型计算机，对照明系统电压自动进行处理，使照明系统始终工作于最佳状态，32 节电器结构与控制图3 结构示意图电源操作模块液晶显示调压、稳压节电模块控制模块数据采集微处理模块输出模块功率因数补偿模块数据传输图4 主回路控制系统图节电器结构示意框图如图3，其主回路电路如图3，接触器有：KM0为旁路接触器、KM1和KM2为节电主回路接触器，KMR为过渡电阻控制接触器，KM7为封零接触器，KM3、KM4、KM5、KM6为降压接触器。启动时，继电器KM0先闭合，KM1和KM2吸合，先全压启动，（因为感性负载充电，启动电压大，否则灯不亮）；一定时间后进入节电状态，根据设置值逐步进行调压稳压，其换档时有严格的动作顺序，如从KM7切换至KM6动作顺序如下：KMR闭合KM7断开KM1闭合KMR断开，为了解决档位切换时出现灯闪现象，每次调压切换时先接通过度电阻，因此在一次档位转换过程中有三个继电器动作。根据一定的节电要求，这些接触器的动作都由单片机来控制，实现简单、便于操作。4控制电路的硬件设计控制电路是以单片机为核心，其硬件系统图如图4所示，其外围电路包括：显示、键盘、数字量输入、采样电路等。4.1单片机 采用ATMEL公司生产的价格便宜、资源丰富、功能强大的AVR单片机Atmega64来控制电路。该单片机具有64K的FLASH、2K的EEPROM，擦写次数可达10万次，可以用来存储状态信息、4个定时器/计数器，可用来设置溢出中断、53个I/O引脚， 具有较大的电流驱动能力，可以直接驱动液晶显示器而省去驱动电路、面向字节的TWI串行接口，可以外挂其它设备节省I/O口、2个可编程串行USART接口支持全双工通用同步/异步串行通信、8通道10位A/D通道等。 4.2继电器驱动电路 继电器驱动电路如图5，由单片机引脚PE0来控制继电器J1通断，当PE0发出高电平时，二极管Q1导通，继电器J1线圈也随之通电，使长开触点K1闭合，从而控制中间继电器来控制主回路继电器的开合，此时发光二极管DS1发光以显示继电器J1动作，二极管起续流作用。图5 单片机控制系统4.3电压电流采样电路为了判断控制节电档位及节电与否，必须对电压电流进行采样，其采样电路如图6，通过电流互感器采出电压，共模电感提高对共模干扰的影响，电容C1、C2进行滤波，再通过电压转换器转换为直流型信号，最后通过放大器隔离为单片机提供采样信号。图6采样电路4.4其它电路 时钟电路采用时钟芯片，通过单片机的I2C总线来通讯，同时为了断电造成芯片停止计时，需另加一个电池；数字量输入电路通过光耦隔离把信号送给单片机；显示电路采用串行方式，接上数据线、时钟线、复位线、片选线等信号线，来控制液晶显示；键盘可由单片机直接却驱动。5控制电路的软件设计软件编程采用模块化设计，以主程序为核心，子程序分为几个模块：键盘检测模块、液晶显示模块、时钟模块 、通讯模块等，实现相应的功能。程序系统程序流程图为图7，先初始化单片机的I/O口、定时器/计数器T1和T2、通讯串口UART、模数转化A/D等外设，接下来把时钟芯片中的时间通过I2C总线读到芯片中，以便显示出当地时间；同时把电压、电流通过互感器采到AD口经AD转换程序显示，液晶显示程序是程序的主要模块，是控制器的人机接口界面，具有两级菜单，可以设置各种不同的功能，如经纬度设定、固定节电时间设定、时钟设定、通讯参数设定等。各种功能的编写都有一定的算法，根据需要改变继电器的动作顺序及状态。经纬度设定输入经纬度系统会根据当地的经纬度计算出日出日落时间，从而确定开灯延迟时间及关灯提前时间。其流程图如图7，已知：日出日落位置h=，经度Long，纬度Glat，时区Zone，第一次计算时的日出日落时间UT0=，其中days是格林威治时间2000年1月1日到计算日的天数，t为格林威治时间2000年1月1日到计算日的世纪数，L为太阳的平黄径，G为太阳的平近点角，Q为太阳的黄道经度，k为地球的倾角，d为太阳的偏差，GHA为 太阳的时间角，e为修正值，流程图中公式中的“”，“+”表示计算日出时间，“-”表示计算日落时间。上面计算的单位为度，即=12小时，故最后转化为小时表示的时间为T=UT/15+Zone。时空方式有按经纬度设定工作、按固定时间设定工作、按特定节假日工作三种方式，功能设置中应处理好优先级的顺序，档位的选择和回路的选择应以手工操作为第一级，次级以稳压功能的设定来确定最优档位，最后根据三种工作方式的优先级来确定。而节电时间则以特定日期段设定为优先级最高，次之是特定时间段最后为经纬度设定。图7 系统程序流程6成功案例根据设计图纸由中能惠天节能科技(北京)有限公司进行加工生产并投入使用，与2007年8月份安装于西北某市，图8为外观和内部结构图： 图8 节电器结构图柜体用2mm冷轧钢板静电喷塑，牢固而耐腐蚀；规格：600*700*1800，采用防雨设计，前后开门便于操作和维修，门内有密封条，严密性较好，门四周设流水槽，如有雨水侵入便从流水槽内排出，不会危害电器元器件；上盖内安装两台小型排气扇，四周留有散热孔，边缘有滴水沿，在内部温度超过75时排气扇自动启动，从上盖四周排出，柜体下侧两边有进气孔，其进气孔内部贴有过滤网，防止小虫及杂物进入。主回路接触器及继电器使用“正泰”系列产品，联结导线端头全部做涮锡处理，使用线槽配线，整齐美观。图9 安装于某市节电器分布图此次在西北某市安装18台，其市区中心各路段安装位置见图9：经过一段时间的运行与观察，其性能稳定，节电效果显著，具体工作实测参数如下表位置编号节电器容量运行时间（小时）稳压设置值（%）旁路时工作电流（A）节电时工作电流（A）节电率（%）1单相100A3501280.955322单相100A32015441626.5403单相100A26015986434.74单相150A33015100.7864.5365单相150A27015133.380406单相150A26015130.78634.27单相150A26012121.485308单相150A3601594.8460.7369单相300A25015121753810三相100A501547.895.765.2326745平均3111三相100A1601564.52141.94613.927平均3312三相100A1101564.129.229.841.71920平均3413三相100A190153.922.919.32.715.113.1平均3214三相100A2001522.8686415.545.348.8平均3415三相100A901518.621.720.213.114.613.4平均3216三相150A801550.551.28633.733.759.1平均3317三相150A1401526.4111.1116.617.773.377平均3418三相150A18015669253.242.960.735.6平均34根据系统电压情况设定稳压值，经测试从晚上20：00次日早上05：00之间，电压在225V255V之间变化，节电率均在30%以上。7.结论可以看出，该节电器采用自耦降压的方式结构简单，容易实现，通过单片机的控制具有各种功能、控制方便、有较高的性价比，节电效率高，具有很大的市场推广价值。中能惠天节能科技(北京)有限公司- 冯春海2007-9.30