小区智能照明设计毕业设计（论文）word格式.doc

40本科毕业设计论文题 目小区智能照明设计专业名称学生姓名指导教师毕业时间摘要智能路灯节能控制器是针对在社区照明上所存在的的能源消耗而设计出的新型节能控制器。将是集稳压控制、软起动功能、自动起停、智能调压控制于一体的路灯控制装置。晶闸管功率变换单元和智能控制系统相结合是该控制装置的主要特点，利用可变电抗器隔离高压和低压，将电抗器的一次绕组(高压)与路灯相串联，在电抗器中增加二次绕组(低压)，将二次绕组与晶闸管和具有模糊控制算法的控制系统相联，通过改变其低压绕组上的电压来控制高压绕组上电压的变化，从而达到改变路灯端电压的效果，以实现路灯的软起动和调压节能。本设计侧重于对控制器的设计，在照明系统中智能路灯节能控制器是核心，它对整个系统起着决定性的作用。讨论了智能路灯节能控制系统的构思、设计方案，介绍了该装置的系统设计、工作原理，详细分析了以at89s52单片机和专用镇流芯片ir21592为主控单元的硬件电路和can总线的通信模块设计，针对路灯端电压的控制进行了软件设计，采用了时间控制，环境参数控制以及手动控制相结合的控制策略。本设计的中心就是利用智能照明系统实现能源在照明上的优化利用。这也是本设计的主题思想。关键词：智能照明，节能控制，可变电抗器，照明控制策略abstractintelligent energy-saving lamp lighting controller is targeted at the communities that existed on the energy consumption of the design of the new energy-saving controller. will be the set of regulator control, soft-start function, automatic start-stop, intelligent voltage control in one street control device. thyristor power conversion unit and intelligent control system is a combination of the main features of the control device used to isolate high-voltage transformer and low-pressure reactor, the reactor in a winding (high pressure) and the street lamps in series, in the reactor to increase 2 sub-winding (low voltage), and the secondary winding with the scr control algorithm with fuzzy control systems are linked, by changing the voltage on its low-voltage winding to control the high voltage winding on the voltage changes, so as to achieve the effect of changing the lamp voltage in order to achieve street lamp energy saving soft start and voltage regulator.the design focused on controller design, intelligent lighting systems, energy-saving lamp controller is the core, it plays a decisive role in the entire system. discussion of energy-saving control system for intelligent street light concept, design, introduced the devices system design, working principle, a detailed analysis in order to at89s52 microcontroller and a dedicated chip, ir21592 ballast for the main control unit of the hardware circuits and can bus communication module design for street-side voltage control of the software design, using time control, environmental control and manual control parameters of a combination of control strategies.the center of this design is the use of intelligent lighting systems to achieve energy on the optimal use of lighting. this is also the theme of this design idea.keywords：intelligent lighting, energy-saving control, substation reactor, lighting control strategy目录摘要第一章 绪论1.1 课题概述1.1.1 课题研究背景1.1.2课题研究的目的及意义1.2 路灯节能方法1.2.1 传统路灯节能方法1.2.2智能路灯节能方法第二章 住宅小区路灯设计的方案和方法2.1总体方案的确定2.2灯位的布置2.3灯具及光源的选择2.4 供配电及照明控制第3章路灯节能控制系统的总体方案设计3.1系统的总体方案设计3.2系统的结构模型及功能分析3.3系统控制器的总体设计3.3.1智能控制器结构设计第4章系统硬件设计3.1系统硬件结构设计4.2 控制器设计以及其外部电路4.2.1 控制器最小控制系统4.2.2串行通信接口设计4.2.3 a/d和d/a转换电路4.2.4开关量输入/输出电路第五章 软件结构设计第六章 结论致谢参考文献第一章 绪论1.1 课题概述1.1.1 课题研究的背景随着我国城市的发展、经济的繁荣、社会的进步和人们提高生活水平及环境质量的要求，小区道路照明和夜景照明已经成为小区规划、建设和管理中的一项重要工作。花园小区道路照明和夜景照明是方便城市居民必备的生活条件，而花园小区的夜景照明是再塑和美化小区形象、鼓舞民心、振奋精神的一项非常有意义的工作。近几年来，全国许多大小城市的小区在设计和开发亮点方面，均把居住环境作为重点之一。在推进城市亮化工程的同时，充分的利用和节约能耗也越来越得到各级政府的广泛重视。采用先进技术和科技手段，分时间段对道路照明系统电压的调整、控制，用智能化的控制方式达到节约道路照明综合费用的目的（电费和维修费用），还可将节约的大笔资金再投入其他的美化工程项目中去。早在90年代初，发达国家就已经广泛的使用了智能照明调控系统，来降低城市照明的费用支出。国家发改委、建设部、国家质量技术监督局已在2000年下发了223号文件关于进一步推进中国绿色照明工程的意见的通知，提出推广节能、高效的照明灯具和智能照明调控系统，深入开展绿色照明节能工作。目前国内大部分城市的道路照明管理系统直至现在仍在沿用简单的光控、时控等传统控制方式。这些系统普遍存在着难以反馈路灯运行状态信息、难以进行远程控制等局限，基本没有节电效果。并且采用传统的人工巡检，不仅使路灯管理部门的任务繁重，也增加了运行维护的费用。据调查，各小区照明的平均时间为11小时，而晚22点后，小区内车少人稀，此时仍将道路上保持原照明的亮度，不能按需调控，显然是白白的耗资金。我国大部分小区路灯都采用“全夜灯”的方式进行照明，普遍存在的问题有两点:一方面，后半夜行人稀少，采用“全夜灯”的方式浪费太大，因此，有的地方采取前半夜全亮，后半夜全灭的“半夜灯”照明方式;有的地方在后半夜采取“亮一隔一”或“亮一隔二”的节电措施，此种方式虽然节约了电费支出，却带来了社会治安和交通安全问题，不利于城市形象。另一方面，在后半夜因行人稀少，而应该降低路灯的照度，以避免光源污染，影响居民的晚间休息。但是，由于后半夜是用电低谷期，电力系统电压升高，路灯反而比白天更亮了。这不仅造成能源浪费，还大大影响了设备和灯具的使用寿命。目前，路灯照明广泛使用高压钠灯，其设计寿命在12000小时以上，在正常情况下至少可用3年，但是由于超压使用，现在路灯灯泡的实际寿命只有1年左右，有的甚至只有几个月，造成维护和材料的浪费极大。较高的电压不仅不能让负载设备更有效地工作，而且会引起发热及过早损坏，还会产生不必要的电费开支。基于以上原因，很有必要适当降低用电设备的电压。1.1.2课题研究的目的及意义本课题的研究意义可以归结为以下几个方面:(l)为小区公共照明提供一种科学有效的节电方案。(2)提高小区路灯管理水平，在改善小区道路照明质量的同时，又可以节省人力物力。(3)从国家的城市公共事业建设策略上来说，网络化的公共照明系统也是数字化小区的一个重要组成部分，可以为小区的数字化建设做一个良好的基础和参考。(4)提高了小区基础设施管理水平，有利于提高城市形象。路灯是我国经济发展和国家建设中必需的用电设备，它在我国的整体用电量中所占比例巨大，如果通过节能装置对其进行有效控制，就能够降低电力损耗，达到节约能源，降低生产安装成本，有助于我国经济的快速发展。本文研究的智能照明系统是在路灯的启停和运行过程中，通过不同的照明控制策略来调节路灯的端电压，控制路灯的照明亮度，从而改变了路灯在不同时段的耗电量，改善了功率因素，达到了节约电能的目的。1.2 路灯节能方法1.2.1 传统路灯节能方法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。传统的路灯节能方法可以分为以下几种:(1).晶闸管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部分，从而降低了输出电压的平均值，达到控压节电的目的。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、成本低。但该调压方式存在致命缺陷，由于斩波，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，危害极大，不能用在有电容补偿电路中。(现代照明设计要求规定，照明系统中功率因数必须达到0.9以上，而气体放电灯的功率因数在一般在0.5以下，所以都设计用电容补偿功率因数)在国外发达国家，已有明文规定对电气设备谐波含量的限制，在国内，北京、上海、广州等大城市，已对谐波含量超标的设备限制并入电网使用.大功率可控硅斩波型节电设备，因其自身存在谐波污染的缺陷，如果加装滤波设备，成本太高，是不经济的，所以此类设备是不宜用于照明电路中。谐波的危害a.缩短电力电容器的使用寿命，严重情况下，会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。b.变压器的铜耗、铁耗增大，减少变压器的实际使用容量，浪费电能。c.增加电气设备附加损耗，减少出力，浪费电能，严重时使电气设备过热，烧损。d.造成开关、接触器等电气设备的误动作，自动化仪表不能正常工作。e.产生严重的、看不见的电磁波干扰，使有线和无线信号无法接收和传输，影响手机、电视、广播、电脑等设备的正常使用，损害人体正常生理机能。(2).自祸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，通过一个自祸变压器机芯，根据输入电压高低情况，接连不同的固定变压器抽头，将电网电压降低5、10、15、20v等几个档，从而达到降压节电的目的。这类产品最大的优点是克服了可控硅斩波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，当然可靠性也比较高。存在的技术缺陷:l)固定多档降压器由于其核心部件是一个多抽头的变压器，变压比是固定的，一般副边有三到五个降压抽头，分别降5v、10v、15v、20v，一旦接线端固定，降低电压就是固定值，当电网电压波动时，调控装置的输出电压也会上下波动，这样照明的工作电压处在不稳定波动状态，无法起到对电光源的保护作用。如图所示，当电网电压高时，节电率不是最佳状态;而电网电压低时，可能出现欠压现象，造成灯具无法正常点亮，反而降低灯具寿命，这是这类调控装置存在的最大安全缺陷。当用电高峰时，电压过低，电气设备也无法正常运行。2)接触器型降压器这类调控装置为了能做到额定电压正常启动，并在过电压和欠电压时跳到旁路(设备的安全保护)，一般都用的都是交流接触器来进行切换，这是最简单和常用的办法。但是，如果用接触器作为节电产品的电压调整装置的话，其安全性、可靠性和无故障工作寿命都不能保障，存在安全隐患，原因如下:a.交流接触器的工作原理是用电磁线圈吸合、断开，来控制触头常开或是常闭，属机械移动部件，只适用于不经常动作的开关场合，如灯具、电器的开起和关断，切换次数是有限的，不适用于频繁切换的场合。b.交流接触器在切换动作时，是机械的吸合和断开，所以会有短暂的1020ms的断电，我们称之为“闪断”，这样的断电会导致hid灯(高压气体放电灯，如高压钠灯、金卤灯、高压汞灯等)熄灭。这种灯的特性决定，在熄灭以后，必须等到灯管冷却，蒸气压下降后才能再点亮，一般需要510min左右，在使用中，这将是个严重故障。根据以上原因，交流接触器是不能用来控制照明调控装置进行频繁切换的。所以，生产和销售此类节电产品的厂家，一般做不到实时稳定电压、多时段调控等功能，这也就是这类节电产品的缺点所在。从这两类节电产品来看，它们各有优缺点，之所以不能得到大量使用，是因为其本身都存在技术缺陷，可控硅(相控)型优点是，可实时精确控制输出电压，满足照明用电的最佳值，缺陷是电压无法实现正弦波输出，有谐波污染。而自祸降压型的优点正好是能做到电压正弦波输出，却不能实现电压的自动精确控制，只能固定降电压，不能升压和稳压，如果能将两者优势结合互补，去除缺陷，就是相对比较理想的照明节能产品了。1.2.2智能路灯节能方法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、输入电压信号与最佳照明电压比较，通过计算进行自动调节，从而保证输出最佳的照明系统工作电压。智能照明调控装置在结合前两类节能产品的优点的基础上，克服了其中存在的缺陷，具体优点体现在以下四个方面:(1)优化电力质量，节约照明用电针对电网电压偏高和波动等现象，调控装置可根据用户现场实际需求，实时在线调控输出最佳照明工作电压，并能将其稳定在2%以内，有效提高电力质量，从而达到节电10%40%的效果。并且可以根据用户实际的照明需求，调控装置还可通过程序进行多时段节能电压设置，从而满足用户不同光源、不同时间的需求，实现最佳照明状态和最大节电率。(2)有效保护电光源，延长其使用寿命软启动、慢斜坡影响电光源寿命的一个重要因素是，启动和运行时电流和电压对光源的冲击。为了有效的降低电流冲击和提高灯的寿命，在国外高档灯具产品中，要求灯具有软启动功能。智能调控装置能够实现灯具的软启动和慢斜坡控制过程。灯具在启动时，采用低压软启动，充分预热。该过程可减少40%的启动电流冲击，有效提高光源寿命。在调压、稳压的过程中，智能调控装置采用慢斜坡方式，让电压在设定时间内缓慢过渡，保证光源不受电压、电流波动的冲击，从而降低电光源损坏，延长使用寿命。实时稳压、控压在电压波动很大的地方，如电气设备比较多的厂区，一分钟内的电压波动达到15%；路灯后半夜的供电电压也会达到250v。智能调控装置高稳定的最佳照明电压，能够延长电光源寿命24倍，减少照明运行、维护成本30%50%。(3)智能照明调控为了满足不同用户对照明灯具控制的需要，智能调控装置有三种运行模式可供选用:端子控制节能运行模式时间控制节能运行模式通讯控制节能运行模式可按现场实际情况，通过天文钟、智能探头或内部编程、远程计算机遥控，实现时控、光控、程控等多种智能化控制。并可根据不同时段、不同灯具、不同亮度要求，每相独立调节，允许100%不平衡。(4)适用性、可靠性调控装置每相可独立调节，可操作性强，可以承受三相100%的不平衡负载，且保证单相的故障绝不影响其它两相的正常运行。同一个装置可以带不同类型光源负载，还可以独立调节每相的输出电压。这种节能方式的提出，与传统的路灯节能方法相比较具有本质上的突破，其综合性能如表1一1所示。表1一1几种路灯节能方式比较路灯节能方法法常用控制节能方法光源节能方法智能路灯节能控制方法法启动方法一般启动一般启动软启动光源选择常用光源节能光源常用光源控制方式简单控制简单控制智能控制能量损耗较小较小最小可靠性低较低最低使用寿命短较短长启动电流大大较小环境要求无污染有一定污染无污染光源更换周期较短短较长成本低适中适中电网谐波大大小负载容量适中适中较大节能效果较好好好由上表可知，智能路灯节能控制系统与目前市场上常用的控制节能方法、光源节能方法相比较，具有明显的技术优势，从产品的成本和其消耗使用效率上来看也具有较强的价格优势。所以，综合来讲，智能路灯节能控制系统在路灯照明节能领域应该很有前途的产品。第二章 住宅小区路灯设计的方案和方法2.1总体方案的确定现代住宅小区的照明设计已不单是小区道路的照明设计，往往还包括一些泛光照明设计。照明设计分为两大类：道路照明和环境照明。其中为主体的的道路照明一般要求工作面上有充分的亮度、均匀、无眩光、照明器布置与周围协调、光源显色性好等等；环境照明则不同，主要涉及照明心理学，一般要根据景观专业的需要设计被照射物的明暗，明暗对比是营造气氛的一种有效手段。亮度要有差异，不可均一，可以利用小面积眩光来创造魅力感，也可以利用特殊色彩进行色彩照明。讲通俗一点，一般道路照明要求亮度均匀，而环境照明则要求亮暗区分明显，一般一个小区都有一、二处亮点，当亮点的亮度为普通区域亮度的三倍左右时可以创造最佳的效果。但是在处理住宅小区环境照明时应牢牢记住住宅小区道路照明的终极目标时让业主觉得本小区幽静、舒适。住宅小区的照明只宜在主入口或公共区域设置，防止光污染的产生。2.2灯位的布置大型小区道路的特点时分叉多、路型复杂，因此要求道路照明要有较好的视觉指导作用。在比较窄的道路上采用单侧布灯的方式，该种布灯的优点是诱导性好，造价较低，缺点是不设灯的一侧路面亮度低于设灯的一侧，明暗过于明显。在比较宽的道路上可以采用之字型交替排列的布灯方式，该种布灯的优点时亮度均匀，特别是恶劣天气时所提供的照明条件比单侧布灯好得多，缺点是诱导性差。为了避免小区道路照明给居民内环境引起不良的影响，要合理地选择灯位。2.3灯具及光源的选择灯具及光源的选择是室外照明的关键。庭院灯外观好而且形式多样，能很好地与小区建筑风格统一，所以道路照明灯具一般采用庭院灯，灯高控制在2.54m之间。庭院灯不但夜晚能很好地保证照明效果，白天也能为小区营造优雅的环境气氛。其材料可选用钢管、铸铝、不锈钢等。为了防止飞虫等小生物进入灯具，灯具的防护等级不低于ip55。由于小区（主干道、主入口、公共生活区除外）要求环境幽静而冷色光源更易给人静的感觉，所以住宅小区中室外照明中普遍采用高压钠灯及金属卤化物灯。此类光源的优点是显色性好、光效高、使用寿命长，且满足了节能要求。2.4 供配电及照明控制大型住宅小区内庭院灯数较多，从一个供配点供电往往馈出管线过多，并且供电半径过大，引起末端电压过大，如果仅靠增加线径来解决电压损失过大这个问题会大大的增加投资，给甲方带来不必要的经济负担。因此可以考虑分区供电的方式，既能解决电压损失过大的问题，又能减少馈出的管线根数，使配电系统更加简单，有利于今后管线的维护，各配电点经控制电缆直接联接到小区路灯控制室，有条件的可以配备照明控制系统。小区主干道照明、支路照明、绿化景观照明可采用单独回路供电，这样就可以根据不同的需要，对主干道上和部分路灯及绿化景观内的路灯实行单独控制，既节约电能，又满足不同节目亮灯的需求。综上所述，在现在住宅小区的照明系统中，对路灯的控制使我们智能照明系统的核心，掌握了路灯节能控制系统，就基本解决了智能照明系统，因此在下面本文着重介绍只能路灯控制器。第3章路灯节能控制系统的总体方案设计3.1系统的总体方案设计目前，常用调光方法有:(1)可变电阻调光法;(2)调压器调光法;(3)脉冲占空比调光法;(4)脉冲调频调光法;(5)调节高频逆变器供电电压调节法等。调光按照使用的控制方法可以分为模拟调光(模拟110v调光)与数字调光(数控调光)两大类。控制范围大小的实现方法又可以分为现场总线控制和计算机网络调光控制两大类。照明控制系统可以分为以下几类:l点灯控制型2.区域控制型3.网络控制型.4.节能控制型.目前，路灯系统一般采用钠灯、水银灯、金卤灯等灯具。模拟调光和数字调光的镇流器工作原理图如图31和32所示:31模拟调光电子镇流器工作原理图早期的灯光控制使用0-10v的模拟量来代表亮度0%100%，而每一回路以一条信号线(共用公共线)来处理。.而回路越多代表连线数越多，传送距离越远信号压降问题也就越严重。图22数控调光电子镇流器工作原理图数控调光电子镇流器由ir21592可调光控制集成电路和微处理集成电路等组成，可以接收人工指令，遥控指令以及由程序设定的定时，开关灯等控制指令。3.2系统的结构模型及功能分析图33是本文提出的道路照明管理系统的组成示意图。该系统由照明管理中心平台、照明区域控制器和智能节点组成。照明管理中心平台负责整个系统的集中管理，包括进行远程实时控制、系统运行信息采集和监测。照明区域控制器负责所辖路段的智能化照明控制、解析执行管理中心指令和采集上报运行数据。智能节点负责单个路灯的控制和状态检测。照明区域控制器和照明管理中心之间采用gs树gprs进行数据传输，智能节点和照明区域控制器之间采用电力线载波通信方式进行数据传输。其系统结构图如图34所示虚框内的智能控制系统是本论文研究的重点。图34路灯节能系统结构框图该节能方法是通过智能控制器对功率单元进行控制，进而操控可变电抗变换器来改变路灯的输出电压，通过改变路灯的光照来实现节能。此方法利用了人眼在夜晚行进时对光照要求不敏感的特点改变了路灯的端电压，在不同的时段根据实际要求获得相应的照度，实现路灯亮度的智能化调节。其功率单元原理图如下图35所示:图35功率单元原理图其基本思想是:将可变电抗变换器的一次绕组直接与路灯负载相接，在变换器中增加二次线圈，将二次线圈与功率变换器以及智能控制器连接。通过智能控制器与电力电子功率变换单元来控制可变电抗器的二次绕组，达到改变可变电抗变换器一次阻抗的目的，进而改变路灯的输入电压，使路灯既可实现软起动又可以对其进行调节。其智能控制器控制流程图如图36所示。图36智能控制器流程图其工作过程为:首先，通过对光照信号的采集，由智能控制器判断路灯照明系统是否需要开启，如需要运行则由功率单元来完成路灯的软启动(一般情况下是由数十、甚至上百盏路灯组成一条街道的照明系统)。路灯打开后，根据路面安装的声学传感器采集到的路面车流量与行人流量所发出的声信号由智能控制器来发出控制信息，通过功率变换单元来控制可变电抗变换器来决定路灯输出电压的大小，如果实时车辆与行人的流量较大，即需要路灯的照度较高，系统根据需求自动调高路灯的输出电压;如果实时车辆与行人的流量较小，即路灯的照度不需要很高，系统就会自动降低路灯的输出电压。智能控制器作为整套系统的核心部分其控制方式选取的为模糊控制算法，采集的外部信号通过放大、转换后输入到控制器的微处理器中，这里我们采集的信号为光信号与声音信号两种，其中光信号用来控制整套系统的启停，而声音信号则用来实时反映外部环境的要求，通过模糊控制的方式将采集的数据进行处理比对，选取最优化的控制信号加以输出。3.3系统控制器的总体设计3.3.1智能控制器结构设计智能路灯节能控制器的总体设计如下图2一7所示:图37智能路灯节能控制器的总体设计本课题的研究重点是智能控制器。智能控制器在路灯中的控制作用是根据外界路面变化的声音和光线的信号经过转换变成我们可以测量的电流电压信号，进行智能控制算法运算，通过功率变换单元控制可变电抗器的电抗，从而调节路灯的明亮程度以达到节能的目的。所以，智能控制器要包括如下几个基本功能：起动电量信号的检测、智能控制算法运算、功率变换单元控制、开关器件控制。并且微处理器在数控照明调光控制中，要使用专用的电子镇流器来对路灯进行控制，另外，作为一个完备的电气控制系统，还应具有友好的人机交互界面、现场总线通信等功能。微处理器系统负责控制各模块工作，进行智能控制算法运算，数据采集，触发板控制信号输出，开关量输入输出，接入现场总线与工控机等设备通信等。路灯软启动信号，包括电压、电流信号通过信号检测调理转换成标准信号，输入微处理器系统转换为数字量并进行运算。微处理器的运算结果转换成模拟信号后送至功率变换单元作为给定信号，功率变换单元按照给定信号改变晶闸管的导通情况，晶闸管导通情况不同直接决定了可变电抗器二次线圈的电压或电流变化，从而使电抗器一次侧电抗值发生变化(即可变电抗起电抗变化)，进而改变路灯两端的输入电压。第4章系统硬件设计3.1系统硬件结构设计硬件主要是由声音传感器、光敏传感器、运算放大器、v/f转换器、单片机、触发电路等组成。光信号通过光电传感器，转变成电信号，电信号经过放大后，送给开头电路，作为路灯的的开关。声音信号通过声音传感器变成电压信号，电压信号再经过放大器送给a/d模数转换器，a/d转换器就可以把前面送来的电压信号转换成，频率脉冲信号，根据声音大小的不同，就可以得到不同的频率脉冲数据，从而也就可以判别声音的大小。将转变成频率信号的声音数据送到单片机，单片机通过一系列的计算，就可以得到控制信号，然后将数据输出到led显示以及送到d/a数模转换器转变成摸拟信号，送给触发器，最后由触发器驱动功率单元，也就是被控对象。使被控对象的两端电压可以分时段得到相应的电压，其系统硬件电路的结构设计图如下图3一1所示：图41系统硬件结构设计图智能控制系统硬件主要由声学传感器、光学传感器、信号变送器、微处理器、a/d和d/a转换器等组成。硬件系统的工作原理为：光信号通过光电感应器转变成模拟信号，通过模糊控制运算实时处理人车流量信息，动态调节灯光的强弱，实现节能控制。现场控制设备功能的实现是软硬件的结合。为了实现上述功能，照明区域控制器在硬件上应该具备以下模块，主要包括电源模块、微处理器及其外围电路、外存储器、rs232接口、电力控制模块（接触器驱动控制和状态检测）、电能计量模块、人机交互接口和指示电路还有专用镇流芯片部分。照明区域控制的硬件结构如图42所示。图42 照明区域控制器硬件结构电力控制模块主要完成路灯线路的送/断电控制和线路状态检测功能，同时为了保证在远程控制失效的特殊情况下，可以切换到手动控制方式进行人工控制，还增设了手动控制/自动控制切换按钮。电力控制模块是传统照明控制器的核心部分，其控制信号由微处理器给定，反馈控制结果返回给主处理器。电能计算模块是远程抄表子系统的现场数据采集设备，其采集内容包括：线路的电压、电流、用电量、累计用电量、功率因数，以及欠电压和过电压检测结果。其中电流和功率信息还被用作电缆监测的辅助信息。4.2 控制器设计以及其外部电路4.2.1 控制器最小控制系统图43微处理器最小系统原理图微处理器最小系统包括电压监控和复位电路、晶振电路、单片机和其它外围器件。原理图如上图43所示。at89s52是一种低功耗、高性能的含有sk字节快闪可编彻擦除只读存储器 (fperom)的8位cmos微控制器，使用高密度、非易失存储技术制造，并且与at89s52指令系统和引脚完全兼容。芯片上的fperom允许在线或采用通用的非易失存储编程器对程序存储器重复编程。at89s52的主要性能包括：(l)与mcs-52微控制器产品系列兼容；(2)片内有8k字节的可在线重复编程快闪擦写存储器；(3)编程所需的所有时序和电压，均不需外部电路供给；(4)存储器可循环写入/擦除1000次；(5)存储数据保存时间为1年；(6)宽工作电压范围，vcc可由2.7v到6v；(7)全静态工作，可由0hz到16mhz；(8)程序存储器具有3级锁存保护；(9)1288位内部ram；(10)32条可编程拍线；(11)三个16位定时器/计数器；(12)中断结构具有5个中断源和2个优先级；(13)可编程全双工串行通道；(14)空闲状态维持低功耗和掉电状态保护存储内容。at89s52内部有256个字节的ram，地址范围是00hffh，但实际提供给用户使用的只有128个字节(00h-7fh)，另128个字节(80h-ffh)是特殊寄存器区。除rom和ram外，芯片内部还有三个16位的定时器/计数器。在本系统中定时器to用来计时，定时器tl用来做波特率发生器。时钟电路采用 12m晶振。at89s52单片机及其外围电路设计图如下图44所示：图44at89s52单片机最小系统at89s52单片机在高温环境中稳定性好，支持在线编程isp，无需专用的编程器，方便调试。at89s52单片机对很多嵌入式控制应用提供了一个高灵活有效的解决方案。它的作用使形成用于产生超声波的4okhz信号、形成必要的时序、控制lcd字符的显示、控制继电器通断以及对采集到的数据进行运算。at89s52单片机的硬件连接方式为:p0.0-po.7为与can总线的硬件连接，其功能是进行数据通信，p2口与专用镇流芯片ir21592相连接，pi.0口一pi.2口与刀d转换电路相连接， pi.3口，pi.5，pi.7与d/a转换电路相连接，pi.4口为声音传感器的接口，pi.6口为光线传感器的接口，p3.6(写信号)与p3.7(读信号)与需要使用的液晶显示模块ks0107b相连接。4.2.2串行通信接口设计串行通信是数据通信的主要方式之一。由于其连线少、成本低，再加上有调制解调功能因而特别适合于距离较远而且通信点较多的场合。at89552中的串行口是一个全双工的异步串行通信接口，可以同时进行接收和发送数据。在微型计算机中一般都有1-2个标准rs-232c串行通信口，利用这些串行口实现pc机与单片机串行数据通信，具体的接线如图3一18所示，max2332通过一个db-9型连接器与计算机的com口连接，通过插座jl与单片机相连。其串行通信短路原理图如下图4-5所示：图3一5串口通信电路原理图根据时钟控制数据发送和接收的方式，串行通信分为同步通信和异步通信两种。同步通信与异步通信比较，具有传输数据速度快的优点，但使用较多的连接线，如果有错则成批的数据将报废。而异步通信传输数据速度较慢，但使用较少的连接线，若一次串行数据的过程中，出现错误，仅仅影响一个字节的数据。在微机测控系统中，串行数据的传输常采用异步通信方式。因此本控制器也采用异步通信方式。串行口状态控制寄存器scon是一个按照位定义的8位寄存器，由它控制串行通信的方式选择、数据的接收和发送，指示串行口的状态。寄存器scon既可以字节寻址也可以位寻址，其格式如表4-1所示：表3一1状态控制寄存器的位地址和位功能位地址9fh9eh9dh9ch9bh9ah99h98h位功能sm0sm1sm2rentb8rb8tiri各位的功能如下:smo、smi是串行口工作方式选择位，共有03共四种工作方式。此处选择工作方式l。smz多机通信控制位，主要用于方式2和方式3。ren允许接收控制位，只有ren=1时才允许接收数据，相当于串行接收的开关。tbs和rbs只有在方式2和方式3中使用。ti发送中断标志，ti置位意味着向cpu提供“发送缓冲器己空的”的信息，cpu可以准备发送下一帧数据。串行口发送中断后，ti不会自动清0，必须由软件清0。ri为接收中断标志，在接收到一帧有效数据后由硬件置位。ri二1表示一帧数据接收结束，并己装入接收sbuf中，要求cpu响应中断，取走数据。ri也必须由软件清0，解除中断申请，并准备接收下一帧数据。在电气性能方面， rs一232c标准采用负逻辑，逻辑1电平在-5-15v范围内，逻辑0电平在+5+l5v范围内。rs-232c能够识别低至+3v的信号作为逻辑0，能够识别高至-3v的信号作为逻辑1。而对于ttl器件，一个逻辑低输出必须不高于0.4v，一个逻辑低输入必须不高于0.8v:一个逻辑高输出必须至少为2.4v，一个逻辑高输入必须至少为2v。由于电气特性上的不同，如果计算机与单片机要互连，必须进行电平转换。这种电平的转换有多种方式，可以采用标准的rs-232c电平转换器mc1488和mc1489，但是mc1488和mc1489是两个独立的驱动器和发送器芯片，而且mc1488驱动器需要外接正负12v电源。因此选用maxim公司的max232电平转换芯片，max232内部有电压倍增电路和转换电路，仅需+5v电源便可工作，使用十分方便。4.2.3 a/d和d/a转换电路tlc2543是cmos、12位开关电容逐次逼近式a/d转换器。它有三个输入端和一个三态输出端:片选(cs)、输入瑜出时钟 (i/o clk)、地址输入(address)和数据输出。这样通过一个直接的四线接口与主处理器通信。片内含有14通道多路选择器可以选择n个输入中的任何一个或三个内部自测试电压中的一个。片内设有自动采样保持电路。系统时钟由片内产生并与 foclk同步。片内转换器设计使器件具有高速 (10us转换时间)、高精度(12位分辨率、最大1lsb线性误差)和低噪声的特点。在本系统中，为了防止工业现场的干扰，采用了光电隔离电路切断了处理器与模拟量输入通道(包括传感器、信号调理电路和a/d转换电路)之间的电气联系。如图46所示，设计中使用光电棍合器6n137对tlc2543和单片机之间的线路进行光电隔离，从而大大提高了系统的可靠性和抗干扰能力。图46a/d转换电路tlc2543所需参考电压由ref+和ref一接入，一般地，ref+接tlc2543的5v电压端，ref-接地。为了减小电源的扰动对参考电压的影响，提高ad转换的精确度，设计中采用了以可调分流基准芯片tl431为核心的精密5v稳压电路，为tlc2543提供准确的参考电压。德州仪器公司(tl)生产的tl431是一是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从vref(2.sv)到36v范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2。，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。tl431的3个引脚分别为:阴极(cathode)、阳极(anode)和参考端(ref)sv精密电压基准电路原理图如图3一7所示。t以31的内部含有一个2.5v的基准电压，所以当在ref端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流，控制输出电压。当图中所示两个精密电阻r25和r26的阻值确定时，两者对vo的分压引入反馈，若vo增大，反馈量增大，tla31的分流也就增加，从而又导致vo下降。显见，这个深度的负反馈电路必然在vl等于基准电压处稳定，此时vo=(l+r1/r2)vref。当r25=r26时，vo=sv，即可为tlc2543提供精确的电压基准。图3-7 5v精密电压基准电路本设计中，需要由微处理器系统提供控制信号给功率变换单元，该信号为010v直流电压信号。为了把控制信号由数字量转换成符合触发控制模块需要的模拟电压信号，设计了d/a转换电路，如图4-8所示。图4-8 d/a转换电路原理图电路中使用d/a转换器tlc5615进行d/a转换，tlc5615是一个串行10为dac芯片，性能优于早期电流性输出的dac。只需要通过3跟串行总线就可以完成10位数据的串行输入，易于和工业标准的微处理器或微控制器接口。其主要特点如下：n 单5v电源工作；n 3线串行接口；n dac输出的最大电压为2倍基准输入电压；n 转换速率快，更新率为1.21mhztlc56巧转换输出为0sv直流电压，为把该输出电压转化为010v直流电压，使用运算放大器lm324组成同相比例放大电路，经比例放大后，由uo端输出0-10v直流信号，输出给功率变换单元作为该模块的给定信号。4.2.4开关量输入/输出电路(l)开关量输入电路开关量输入电路主要用于接受各设备状态信号和工作人员的操作命令，包括：起动、原理图如图警报接触、故障报警、开关和断路器的反馈信号等。开关量输入电路3一9所示。图4-9 开关量输入电路原理图开关量输入电源由+24v直流电源提供。输入的开关量ini通过光祸tlp521隔离后由dl端输送到微处理器，微处理器根据输入开关量进行相应的操作。图中r35为限流电阻，取值为2k。(2)开关量输出电路开关量输出信号主要用于控制微型继电器，微型继电器用于控制指示灯、蜂鸣器和中间继电器的状态，以完成对应开关设备的动作。开关量输出电路原理图如图410所示。图4-10开关量输出电路原理图电路中的i/o并不足以直接驱动继电器，因此需要经过驱动电路进行转换，使输出的驱动电压、电流能够适应继电器的要求。还需要解决在负载动作时，对电源的干扰以及断开电流时线圈电感在线圈两端产生的极高的感应电压等问题。所以，设计使用了光电祸合器tlp521进行了光电隔离，输出信号通过控制三级管的开关来控制继电器的状态。同时，在继电器线圈两端并联续流二极管，使继电器线圈产生的感应电流由二极管流过，从而使三极管得到保护。在继电器的触点加入阻容消弧电路，用以消除继电器触点断开使产生的电弧。第五章 软件结构设计该控制软件主要所要完成的任务就是系统初始化，定时对信号采样，对采样结果分析和输出控制信号。其中初始化包括对定时器，计数器的初始化，还有d/a数模转换器的初始化，而初始化的工作就是确定工作方式，输入控制字，装入数据等。软件结构图如下图5-1所示:图5-1 软件结构图由图中我们可以很清楚的看到数据的流向以及主要的一些程序，主程序和定时中断程序，主程序又包括数据采集程序、数据处理子程序还有延迟程序。声音信号通过转换得到计算机所需要的数据。由定时中断程序负责对声音数据的采集开关，由数据采集子程序采集后送到数据处理子程序，数据处理子程序对送来的数据采集后进行处理然后输出，并延迟在后告知主程序，主程序再次启动定时程序，再由定时中断程序负责对声音数据的采集如此循环下去。其主程序流程图如下图5-2所示：图5-2 主程序流程图(1)主程序/main.c#include(reg51.h)#define uint unsigned int #define ulong unsigned longvoid main(void) uint a,a10,i,j,s=0; ulong dtime; tmod=0x0501; for(;) th1=0; tl1=1; th0=(65536-50000)/256; tl0=(65536-50000)%256; tr0=1; tr1=1; i=0; if(flog=1) tr1=0; a=(th1*256+tl1)+c*65536; if