智能节能路灯控制系统设计

1、word某某机电职业技术学院毕业论文题 目智能节能路灯控制系统设计系别电气工程系专 业电气自动化技术姓 名孟学文指导教师X成伟25 / 23目录摘要31绪论41.1概述42方案论证与选择42.1 智能路灯节能方案概述4智能路灯节能控制系统结构设计52.3 可变电抗器62.4 智能控制器82.5 每只LED灯控制逻辑关系图82.6 系统硬件总体划分82.7 智能控制器总体设计 83智能路灯节能控制系统各电路局部设计93.1 环境光控制电路的设计 93.2 时钟电路123.3 横流驱动电路143.4 故障检测电路163.5 电源电路的设计163.6 报警电路的设计174控制局部设计184.1 单片

2、机系统介绍184.2 整个系统的控制流程194.3 显示装置流程图20总结与展望21总结21展望21参考文献22附图22智能路灯节能控制系统设计杨亮亮某某工业大学 工学院 农业电气化与自动化07级摘要：随着我国经济的快速开展，电力消费也随之快速地增长。电力资源已成为紧缺资源。如何节能降耗已成为近年来研究的热点课题。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的巨大的能源消耗而开发的基于单片机的新型节能控制系统，集稳压控制、软起动功能、自动起停、智能调压 控制于一体。智能路灯节能控制系统将晶闸管功率变换单元和智能控制系统相结合，利用可 变电抗器隔离高压和低压，将可变电抗器的一次绕组

3、(高压)与路灯相串联，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。本文对基于单片机的智能路灯节能控制系统进展了深入分析和研究。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89C51为主控单元的硬件电路设计，以与电气连接。关键词：单片机、智能路灯Abstract: with the rapid development of our economy, electricity consumption issubsequently f

4、ast growth. Electric power resource has bee shortage resources. Howto energy consumption has bee the hot topic research in recent years.This paper studies of intelligent street lamp energy saving control system is aiming at existing in urban lighting on the huge energy consumption and development ba

5、sed on SCM system, set the new energy-saving control voltage control, soft starter to function, the automatic starting and stopping, intelligent pressure regulating control in one body. Intelligent street lamp energy saving control systems will be thyristor power changing unit and intelligent contro

6、l system by bining, high voltage and low voltage variable reactor isolation, a winding variable reactor (HVT) and street lamp in series, will be secondary windings and thyristor and fuzzy control algorithm with associated the control system by changing its low voltage to control the winding voltage

7、hv winding, so as to achieve the change, the effects of voltage change street lamps in order to realize the soft start and pressure regulating energy-saving.This paper based on single chip microputer intelligent street lamps of saving energy control system for the in-depth analysis and research. Dis

8、cusses the energy control system of intelligent street lamp conceive, design project, introduced the device system design, working principle, and analyzed the 89C51 as the controller in the hardware circuit design, the unit and electrical connections.Keywords: SCM, intelligent street light, electric

9、al connections.1绪论概述近年来，随着经济的开展，城市道路照明的重要性同益增大。所以，保证道路 照明设备的有效性与安全性，得到了越来越多的重视。止匕外，城市亮化工程也是城市 现代化建设的重要内容，为营造优美舒适的投资环境，提升城市形象，我国城市照明 工程开展迅猛，从而大大增加了城市的用电量，导致政府承当巨额的财政支出，同时也加剧了我国日趋紧X的能源供需矛盾。随着路灯照明规模的不断扩大，传统的技术 方式下管理部门的维护本钱也高速增长。因此，提高路灯系统的管理水平，在满足城市道路照明要求的同时，实现智能化的节能照明，在客观上有迫切要求，也是解决城 市美化与能源紧X最优选择。节能路灯不

10、仅为城市交通提供一种科学有效的方案，保 证路灯照明的有效性与安全性；而且有效利用电力资源，尽量防止电力资源的浪费； 还提高了城市根底设施管理水平，在改善城市道路照明质量的同时，节省人力财力物 力。课题设计的主要研究内容是针对目前路灯照明中存在的问题，结合国内外各种路 灯节能的研究成果，设计一种基于可变电抗器的新型路灯节能系统。课题研究的主要 内容是基于可变电抗技术的功率单元系统结构设计；和路灯节能控制系统硬件设计； 2方案论证与选择智能路灯节能控制系统的方案是对系统的总体结构和每一局部的构成与功能做 出简要介绍。系统核心为智能控制器和可变电抗器两局部：智能控制器主要进展数据处理，对可变电抗器给

11、予控制信号；可变电抗器通过改变一次侧电抗实现路灯调压。 2.1智能路灯节能方案概述智能照明调控装置采用单片机控制系统，实时采集输出、输入电压信号与最优照明电压比拟，通过计算进展自动调节，从而保证输出最优的照明系统工作电压， 具 有以下优点：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优照明工作电压， 并能将其稳定在 士2%以内，有效提高电力质量，从而达到节电的效果。2.2 智能路灯节能控制系统结构设计智能控制器信号流程图如图2. 1所示路面光后号驾羹路灯时间信号图2T 智能路灯拄制信号流程医系统工作时在固定的时间内，通过设置在路

12、面的光传感器检测路面光照状况，并 送入智能控制器，智能控制器判断路灯照明系统是否需要起动。如果需要，如此控制 功率变换单元完成路灯系统的软起动。路灯节能控制系统主要由可变电抗器、智能控制器等几局部组成。路灯节能系统结构框图如图2. 2所示。220V-330V可变甩抗器图片2中能路灯系统结构怔图图2. 2中，环境光信号和时间信号送入智能控制器进展相应处理，智能控制器负 责对检测信号做出处理给出控制信号控制可变电抗器，由可变电抗器触发晶闸管导通 角调节路灯两侧电压，达到实时控制和节能的目的。2.3 可变电抗器可变电抗器由可变电抗变换器和功率变换器构成， 是对传统电抗器的一次结构性 创新。它在传统电

13、抗器中引入了二次线圈， 二次线圈与电力电子功率变换器连接。 通 过智能控制器控制电力电子功率变换器，改变可变电抗变换器二次侧的电流， 从而改 变可变电抗变换器的一次侧的电流，当输入电压不变时，即实现可变电抗器阻抗的改变。基于功率变换的可变电抗器的结构框图如图 2. 3所示。可变电抗器图2-3基于功率变换的可变电抗器的结构框图图2. 3中，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与智能控制器连接。 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

14、起动又可以对其进展调节。 功率 变换单元由电力电子功率器件、 触发控制器、信号检测与处理器等组成。通过对晶闸 管控制角的调整来控制可变电抗变换器二次线圈电流的大小进而使得路灯的端电压 发生变化来改变路灯的照明亮度，它的根本工作原理如图 2. 4所示。触发装置受控电压图2 4功率变换单元E制结构框图图2-4中，触发装置收到来自于智能控制器的控制信号，触发板输出脉冲信号如此使功率变换单元按要求改变品闸管的导通情况。品闸管的导通情况不同直接决定了 可变电抗变换器二次线圈的电压或电流发生变化，由于电磁感应，使电抗器一次侧电抗值发生变化（即可变电抗变换器），进而改变路灯的输入电压，使路灯不仅可以实现 软

15、起动，也可以按要求进展自行调压控制其照度。2.4 智能控制器智能控制器通过对采集信号的处理， 输出实时需要的控制信号。与控制器相连的 传感器是光学传感器，光线的明暗经过光学传感器转变成模拟信号， 智能控制器通过 对该信号的处理输出对路灯是否开启或关断的控制决策；2.5 每只LED灯控制逻辑关系图每只LED灯控制逻辑关系她如图2-5所示，在规定的时间条件成立的条件下，当 明暗条件成立的情况下开灯。图2-5 LED灯关系逻辑图2.6 系统硬件总体划分整个系统可以分为传感器、智能控制器、可变电抗器和路灯四个局部。系统硬 件总体框图如图2-6所示图2-6系统硬件总体框图2.7 智能控制器总体设计单片机

16、与转换电路和各个辅助电路组成,智能控制器硬件主要由光学传感器、工作原理为：光电式传感器实时检测路面光照度，并将其转变成模拟电信号，经A/D转换送入CPU,实现系统的开启和关闭，系统硬件结构图如图 2-7所示。图2-7智能控制器结构图3智能路灯节能控制系统各电路局部设计系统硬件设计分为智能控制器的设计和可变电抗器的设计。智能控制器采用了上 下位机的形式，主要功能有人机交互设备和电压过零检测等； 可变电抗器设计包括晶 闸管同步触发控制以与电流检测过流保护等； 最后还介绍了系统的供电电路，这些构 成了智能控制系统的硬件局部。硬件系统的工作原理为：光电传感器将光信号转变成模拟电信号，通过 A/D转 换

17、后送入智能控制器，实现系统的开启和关闭；时间信号通过A/D转换器变成电信号， 通过模糊控制算法实时处理交通流量信息，调节路灯照度，实现节能控制。3.1 环境光控制电路的设计利用光敏电阻的阻值与光照度呈反比例关系，采样其两端的电压信号，利用采 样的电压信号通过施密特触发器输出的 TTL电平来控制LED灯的开关。电路可靠，有 效地防止由于短时间光照剧烈变化引起的误动作，操作者可以通过电位器方便的进展 调试。电路图如3-1所示：RI.2 12KKP247K<R U Q¥IRKj£LSCVMt $THRRGI* CBi 71 !555f'iiinPF=33-1环谓无拽

18、制之版1.555定时器介绍:555定时器内部结构图:555定时器的简图:555定时器本钱低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振 荡器、单稳态触发器与施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它内部包括两个电压比拟器，三个等值串联电阻，一个 RS触发器，一个放电管T与功率输出级。它提供 两个基准电压 VCC /3和2VCC /3555定时器的功能主要由两个比拟器决定。两个比拟器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5脚悬空时，如此电压比拟器 C1的同相输入端的电压为 2VCC /3, C2的反相输入端的电压为 VCC /3。假如触发输入端TR的电压小于VC

19、C /3,如此比拟器C2的输出为0,可使RS触发器置1, 使输出端OUT=1。如果阈值输入端 TH的电压大于2VCC/3,同时TR端的电压大 于VCC /3,如此C1的输出为0, C2的输出为1,可将RS触发器置0,使输出 为0电平。它的各个引脚功能如下表：引脚功能GND外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地TRIG低触发端Q输出端VoR是直接清零端。当端接低电平，如此时基电路不工作，此时不论、TH处于何电平，时基电路输出为 “0，该端不用时应按高电平。CVoltVC为控制电压端。假如此端外接电压，如此可改变内部两个比拟器 的基准电压，当该端不用时，应将该端用入一只 0.01N由容接地， 以

20、防引入干扰。THRTH高触发端DLS放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。Vcc外接电源VCC,双极型时基电路 VCC的X围是4.5 16V, CMOS型时基电路VCC的X围为3 18V。一般用5V。在1脚接地，5脚未外接电压，两个比拟器 A1、A2基准电压分别为的情况下，555 时基电路的功能表如表3-1示。清零端高触发端TH低触发端Q放电管T功能0一一0导通直接清零1<2Vcc/3<Vcc/30导通置01>2Vcc/3>Vcc/31截止置11<2Vcc/3>Vcc/30/、父保持555的应用：构成施密特触发器，用于TTL系统的接口，整形

21、电路或脉冲鉴幅等;构成多谐振荡器，组成信号产生电路；如如下图振荡周期： T=0.7R1+2R2C构成单稳态触发器，用于定时延时整形与一些定时开关中。555应用电路采用这3种方式中的1种或多种组合起来可以组成各种实用的电子 电路，如定时器、分频器、脉冲信号发生器、元件参数和电路检测电路、玩具游戏机 电路、音响告警电路、电源交换电路、频率变换电路、自动控制电路等。3.2 时钟电路使用时钟专用芯片DS1302进展时钟控制， 通过外加很少的电路就可以实现高 精度的时钟信号。外围电路简单可靠，时间精度高，采用串口通信可以节省I /O 口的资源，通过外接锂 电池后可以实现时间信息储存。电路图如 3-5所示

22、：图3-2时钟控制电路图1.日历时钟芯片DS1302DS1302是一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片，对年、月、日、周日、 时、分、秒计时，且有闰年补偿功能，工作电压宽达 2. 55. 5V。采用三线接口与 CPU同步通信，并采用突发方式一次转送多个字节的时钟信号或RAM数据。内部有一个31"8的用于临时性存放数据的RAM存放器，有主电源/后备电源双电源引脚， 提供了对后备电源涓细电流充电能力。DS1302控制字说明DS1302控制字如表3.1所示。 其中XI、X2为32.768kHz晶振端；GND为地；/RST为复位端，高电平时允许I/O端进 展数据传输，低电平时如此禁止数

23、据传送并且使 I/O端呈高阻状态；I/O为串行数据输 入、输出端、所有输入、输出数据的传送顺序以最低位LSB打头，最高位MSB完毕；SCLK为同步时钟脉冲端，具上升沿将I/O端数据按位写入DS1302，下降沿使DS1302按 位输出数据至I/O端；VCC2、VCC1为主电源和备份电源端，当主电源VCC2大于备份 电源VCC1+0.2V时，由VCC2对芯片供电，否如此，由 VCC1对芯片供电。DSl302数据输入输出：控制指令自输入后的下一个 SCLK时钟上升沿时数据被写 入DSl302,数据输入从低位即位0开始。紧跟8位的控制指令字后下一个SCL脉冲下降 沿读出DSl302数据，读出数据是从低

24、位0至高位70DSl302。DSU02弓脚分配存放器：DSl302共有12个存放器，其中有7个存放器与日历、时钟相关，存放数 据位为BCD码形式。DSl302与RAM相关的存放器分为两类，一类是单个 RAM单元， 共31个，每个单元组态为一个8位字节，命令控制字为COH. FDH,奇数为读操作， 偶数为写操作；再一类为突发方式下的 RAM存放器，此方式下一次读写所有RAM31 个字节，命令控制字为FEH(写卜FFH(读)。DSl302在系统中的硬件电路：DSl302与LPC938连接仅需三条线，即SCLK、I/O(6)、/RST(5)。表3-2管脚描述引脚说明X1 X2GND接地RST复位端口

25、I/O输入输出接口SCLK同步时钟脉冲端Vcc1 Vcc2主电源和备份电源DS1302与微处理器进展数字交换时，首先由微处理器向电路发送命令字节，命 令字节最高位MSB07必须为逻辑1,如果D7=0，如此禁止写DS1302,即写保护； D6=0,指定时钟数据，D6=1,指定RAM数据；D5D1指定输入或输出的特定存放 器；最低位LSBD0为逻辑0,指定写操作输入，D0=1,制定读操作输出。 在DS1302的时钟日历或RAM进展数据传送时，DS1302必须首先发送命令字节。假如 进展单字节传送,8位命令字节传送完毕之后,在下2个SLK周期的上升沿输入数据字 节，或在下8个SCLK周期的下降沿输出

26、数据字节。DS1302与RAM相关的存放器分为 两类：一类是单个RAM单元，共31个，每个单元组态为一个8位的字节，其命令控制 字为C0HFDH,其中其数为读操作，偶数为写操作；再一类为突发方式下的RAM存放器，在此方式下可一次性读、写所有的 RAM的31个字节。数据输入时，时钟的上升沿数据必须有效，数据的输出在诗中的下降沿。如果为 低电平，那么所有的数据传送将被终止且I/O引脚变为高阻态。上电时，在VCC>2.5V 之前，必须为逻辑00当把驱动至逻辑1状态时，SCLK必须为逻辑0。单字节数据输入跟随在写命令字节的8个SCLK周期之后，早控制指令字输入后的 下一个SCLK时钟的上升沿时，

27、数据被写入DS1302,数据输入从低位即位0开始。同 样，在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据，读 出数据时从低位0位到高位7。3.3 横流驱动电路利用三端可调稳压集成块LM317,实现恒流输出。其电路图如图3-3所示：+57%U4LM3J7KVin+Voul«2R4Z_ _=C919104PFI图3-3横流驱动电路LM317的引脚功能说明：表3-3 LM317的引脚说明引脚说明Vin输入端ADJ调整端+Vout输出端LM317的内部结构：LM317的内部电路有比拟放大器，偏置电路，电流源电路和带隙 基准电压Vref等，它的公共端改接到输出端，器

28、件本身无接地端。所以消 耗的电流都从输出端流出，内部的基准电压接至比拟器的同相端和调整 端之间，假如接上外部的调整电阻 R1,R2后，输出电压为：V0=Vref(1+R2/R1)3.4 故障检测电路利用PWM脉宽调制法来控制灯，可以准确的控制灯的亮度和功率，而且 LED 灯在从暗到亮的变化中过度平滑。可以选用单片机内部集成有两路 PWM脉宽，能方 便的产生所需要的PWM脉宽调制信号。图3-4故障检测电路3.5 电源电路的设计本设计电源电路主要为主控电路提供稳定的电压，由于单片机的工作电压时 +5V,所以电源电路设计采用LM7805来生成所需电压。下面先介绍一下这种芯片 1. LM78系列集成三

29、端稳压器值)(b)(£)(1)外形二(b)应用电筋；加入VD后的电环78xx系列集成电路的外形如图 A所示，芯片上自带一孔、散热片，使用时应用 螺钉将其固定在铝质散热片上，以利散热。图1使LM78系列的典型应用电路，这个电路非常简单，在电路的输入和输出关系比拟明确的情况下，一般在在电路图中不再标明集成块的引脚序号。C1为输入电容，一般情况下可省去不接，但当集成块远离整流滤波电路时，应接入一只0.33uF左右的电容器，其作用是改善纹波和抑制输入的过电压。C2为输出电容器，只要接抑制0.1uF左右的电容器就可以改善负载的瞬态响应，在实际应用电路中，C2往往使用大容量的电解电容，目的是使输

30、出直流电压更加平滑， 但此时如果集成块的输入 端出现短路故障，输入端上的大电容储存的电荷将通过集成块内部的输出调整管得发 射机一基极PN结放电，瘾大电容释放的能量较大有可能会造成集成块的损坏。为解 决这一矛盾，可在集成块的输入端与输出端之间反接一只二极管，见图 2中的VDo 这个二极管可在电路出现输入端短路故障时为电容C4提供放电通路，以保护集成稳压器。2 .电源电路的设计本设计采用交流220V供电，由于在本设计中需要+5V直流电，电源电路设220V/50HZ的交流电进入本电路中，首先经过变压器进展变压，由于交流220V变为15V,交流15V进入电桥电路进展整流，由于交流电整流为直流电，再进展

31、电 容的滤波后进入5V集成三端稳压器7805,生成+5V直流电，供应单片机和各局部电 路使用。3 .6报警电路的设计1 .报警电路概述当路灯发生故障时，采用报警电路引起工作人员注意，报警电路接口由两局部组成: 乐曲发生器，即集成电子音乐芯片; 放大电路，也可采用集成放大器。报警电路接口电路如下列图，图中采用华尔兹音乐的电子音乐芯片7920A。当89C51从P1.7输出高电平时，电子音乐芯片7920A的输入控制端MT变为1.5V高电 平，输出端Vout便发出乐曲信号，经M51182L放大而驱动扬声器发出乐曲报警声， 音量大小由10K 电位器调节。相反，假如 P1.7输出低电平，如此7920A因控

32、制端 MT输入电位变低而关闭，故扬声器停止奏曲。PL71.3 k 且3.3 kQl.5kQ10 pFhh11aK 120 tQ 5ENY192DA0slOS.G2CZI1 000 pFh220 gF7li0.47 kiF22 gF1.2MQ图3-5报警电路7920A芯片所实现的功能：表3-4 7920A引脚的说明引脚说明VCC电源MT输入控制端G接地OUT输出端4控制局部设计4.1 单片机系统介绍AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器FPEROMFlashProgrammable and Erasable Read Only Memory 的低电压、高性能 CMOS 8 位微

33、处理 器，俗称单片机。并且与工业标准的 MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功 能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL的AT89C51是一种高效微控 制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供 了一种灵活性高且价廉的方案。AT89C51主要特性：与MCS-51微机控制系列产品兼容，4K字节可编程闪烁存储器，寿命：1 万次写/擦循环数据保存时间：10年，全静态工作：0Hz-16MHz,三级程序 存储器锁定,宽工作电压X围：Vcc可为+2.7V+6V。空闲状态维持低功耗和 掉电状态保存存储内容。引脚说明：AT89C51的引脚结构图，

34、有双列直插封装DIP方式和方形封装方式。外形与 引脚排列如下列图电源与时钟引脚： VCC、GND、XTAL1、XTAL2控制引脚:/PSEN、ALE/PROG、/EA/VPP、RESET即 RST。I/O引脚：P0、P1、P2、P3,为4个8位I/O的外部引脚。51单片机的引脚图：pt.on140n vccpi.i ,239二 PO.O i*DOl3301 F> .1 (ADI)pt.sd,437 PO.2 (AD2)pixd5361 PO.3 t AD3)pi.sq635_ PO,4 (AD4i734：PO.5 (AD5lPL71口333二 POr6 tADGiRST匚932一 PO.

35、7 1AO7j(RXO) P3.0C1031二 EVPP(TXD) P3.1 1130二 ALE PRQG闷醐P3.2 1229.PSEKiINTH P3.3q132B二 P2.7 IA15)(TQ) P3.4 d1427二 P23 (A14)(Tl)P3.5d15263 P2.5(A13|P3.6Cia25 P2.4 (A12)(RD) P3.T q1724 P2.3 lAI1 kXTAL?q1823口 P2.2 lAlt?)XTAL1 19223 P2-.1 iA9>GNDO2021 P? o (AS>4.2 整个系统的控制流程智能节能控制系统主要采用单片机进展控制， 根据环境的明暗程度以与时间条件来决定路灯的开与关，同时运用调光电路对路灯的明暗程度做出相应的改变，其控制流程如如下图所示：4.3显示装置流程图显示初始界而足甯按卜按融进入级菜单是否按下返H是否按下返回杆有找：卜才印足甯拉卜拉逑-：判断拉键-力施Ti系统时网总定时开关时间LEDI定时开关时间LEDI定时开关岛同总结与展望随着近年来随着城市化进程不断加快， 市政照明耗能不断加大，改良现有路灯系 统已成为目前国内外的热点课题之一。智能路灯节能控制系统是专为大中规模的照明 系统设计的智能装置