精品资料（2021-2022年收藏）路灯的智能化绿色照明设计

1、丽职院机电信息分院毕业设计1摘 要随着社会的进步城市的发展，城市的道路照明引起人们的广泛关注。现有的照明控制系统都是比较单一的只能控制路灯的开启和关闭不能做其他的控制，如节流时间进行控制，在人流非高峰期时进行节流节能，从而避免不必要的电耗；而且其所用的照明光源也是传统的普通光源使用效率、寿命、安全性能都比较低，没有很好的节能功能。如何使用智能化控制系统以及高效的节能照明光源将成为实现路灯智能化绿色照明的重要举措。本文以可编程控制器、光敏传感器和LED为照明光源制作了一种智能化控制绿色照明的新型路灯。该控制系统和照明光源不影响路灯的正常照明，节电效果明显，具有优良的控制效果。关键字：路灯；PLC

2、；光敏传感器；LED半导体目 录一、引言3二、概论32.1智能照明控制系统32.2绿色照明及光源4三、路灯的绿色照明光源53.1 LED路灯53.2 LED 路灯光源的选用6四、路灯的智能化控制系统64.1 PLC的选用64.2系统控制电路原理图74.3控制要求及流程图74.4程序设计8五、实现路灯的智能化绿色照明的重要意义115.1 LED路灯的技术经济性评估115.2智能化绿色照明的重要意义12六、总结评价13致谢14参考文献15附录16一、引言目前，能源节约和环保问题越来越被世人所关注，飞速发展的经济对能源的要求相当迫切，中国面临的问题更加突出。随着城市化进程的推进，城市的路灯照明对电能

3、的消耗与日俱增。据统计，我国城市公共照明占照明耗电量30%左右，约45亿度。如果按市场平均电价0.70/度来计算，一年耗费大约310亿元，给国家的经济发展带来巨大的开支。因此，道路照明节能技术的推广意义重大。路灯节能应该从两个方面来考虑，一是使用效率高、寿命长、安全性能稳定的照明灯具。目前国际上在路灯节能领域采用主要的方法是降压和降流两种技术，一般均可实现节约电能20%以上。其中最常使用的是降压控制方式，但降压通常情况是在低于正常电压下工作，甚至电压过低而无法正常点亮，严重影响了灯具寿命.不能达到真正的节能，从而造成了节能不节钱的现象。降流技术是通过降流来降低功率从而达到节能目的的，对灯具寿命

4、没有任何影响，能大幅度降低维护工作量，可延长路灯使用寿命1倍以上，是照明灯具节能发展的主流方向，但种法式需要对你外部的电源进行降流设计其技术比较复杂，而且其光源的使寿命也只延长一倍。如果使用LED光源那么就不用对你外部电源进行设计而且所用的电源可使用低压电源只要接一个变压器就可使用也提高了安全性，且可延长路灯使用寿命10倍以上。二是开发节能控制系统，就是通过控制系统来对路灯的起、停、节流时间进行控制，在人流非高峰期时进行节流节能，从而避免不必要的电耗。二、概论2.1智能照明控制系统照明控制系统与照明技术一直是同步向前发展的。自从爱迪生发明电灯而产生灯光照明以来，照明控制也自然产生了。电灯照明不

5、可能是24h是全打开的，必须进行最基本开关控制，这就是照明控制系统的最初形式。随着照明系统应用场合的不断变化，应用情况的逐步复杂和丰富多彩，仅仅靠简单的开关控制已经不能完成所需要的控制。因此，照明控制系统也必须不断发展、变化以满足实际应用的要求，达到能够完全实现照明系统设计的控制要求。尤其是现代计算机技术、微电子技术和自动控制技术的发展，使得照明控制技术进入了智能化控制的新阶段。智能照明控制系统就是利用计算机技术、网络通讯技术、自动控制技术、微电子技术等现代化的科学技术，实现可根据环境变化、客观要求、用户预定需求等条件而自动采集系统中的各种信息，并可对所采集的信息进行相应的逻辑分析、推理、判断

6、，并对结果按特定的形式进行存储、显示、传输以及反馈控制等处理以达到最佳的控制效果。2.2绿色照明及光源“绿色照明”是20世纪90年代初出现的一个新概念。美国环境保护署(EPA)在1992 年首先提出推行“绿色照明”，许多国家纷纷仿效，使其在很短的时间内风靡全球，并取得 了显著成效。自从1879年美国科学家爱迪生发明了白炽灯给人类带来夜间光明以来，陆续出现了很 多新型电光源。按电能转换为光能的形式及发光物质的不同，电光游、大致可分为热辐射光 源、气体放电光源和固态发光光源三大类。热辐射光源是利用物体通电加热而辐射发光的原理制成的。除白炽灯外，卤鸽灯也属于 热辐射光源。气体放电光源是利用气体放电时

7、发光的原理制成的。这类电光源品种很多，如低压隶灯 (主要包含荧光灯和紫外线灯)、高压隶灯、低压铀灯、高压铀灯、金属卤化韧灯(简称金卤 灯)、霓虹灯和缸灯等。固态电光源主要以发光二极管(皿D)为代表。由于L是一种半导体器件，故将皿D 照明称作半导体照明。通常人们将白炽灯称为第一代光源，荧光灯则为第二代光源.高压锅灯和金卤灯为代表 的高强度放电(H)灯是第三代光源，皿D则属于第四代光源c不同类型的光源有着不同 的用途和特点，表1所列为几种不同类型的电光源发光效率筒称光效)、显色指数几和 寿命的比较，如表2-1所示：表2-1 几种不同类型的电光源发光效率筒称光效)、显色指数几和 寿命的比较电光源发光

8、效率/lm/W显色指数Ra寿命/h白炽灯9-2595-991000卤钨灯15-3095-991000-3000荧光灯60-8050-805000-10000紧凑型荧光灯69-9060-805000-10000汞灯39-5440-45（荧光）10000金卤灯65-11060-955000-10000低压钠灯54-144极差10000高压钠灯55-136小于3010000LED24-50100000三、路灯的绿色照明光源3.1 LED路灯2007年12月国家半导体照明工程研发及产业联盟发布整体LED路灯的测量方法推荐性技术规范征求意见稿 ,涉及到LED 路灯的光、色、电性能参数测量。该规范指出使用

9、积分球通过替代法可以快速测量LED 路灯的光通量、光强分布、路面照度均匀度、平均亮度和眩光、外壳温升等基本电性能以及寿命、光通维持率等参数。有些地区也在积极推出相关标准 ,如北京市推出“太阳能LED灯具”地方标准,对单个和组合LED 灯的效率、灯具总效率、配光曲线寿命、电路设计、驱动模块功率损耗等均有明确的指标和要求。LED路灯国家标准目前正在起草制定中,平均亮度、照度及其均匀度依然是重要指标 ,可能还涉及显色指数,这是LED路灯的优势。白光LED近似为点光源。高光通白光LED路灯通常由许多个LED光源模块(目前多为单个或多个 13W白光LED 组合)构成,其功率为几十瓦至几百瓦。所以,白光L

10、ED 光源决定LED 路灯的光、色、电和热学等关键性能和参数。LED光源的发射光谱、色温、显色性、光通、光效(lm W)、光效与驱动正向电流( If)的关系、温度猝灭特性、器件的热管理(导热和散热)、光衰和寿命等等是选择LED路灯光源的主要依据,当然还需考虑成本价格。而影响白光LED 性能的因素有 LED 芯片、光转换荧光体、封装工艺。这几个因素的组合决定了白光LED性能的优劣。白光LED光源的光通量随正向电流 If 增加呈线性或亚线性增加,最后趋向饱和;而光效则逐渐下降。用作路灯光源的 1W 白光 LED 一般选择工作在350mA,不要在超负荷下工作。在实地考察时,我们注意到某些示范工程中的

11、LED路灯的色温不符合要求。选择LED 路灯应该注意它们的发射光谱,它决定光源的色温及色品质。如果用于社区和公园等地,还可选用较低色温LED 路灯,体现和谐环境。这些特性是高压钠灯无法相比的。3.2 LED 路灯光源的选用本文选用通明电器公司LED照明灯ZY8800A型号,以下就其主要技术参数、配置光源做一下简述。主要技术参数如表3-1所示： 表3-1 主要技术参数表参数名称单位ZY8800A额定电压V(AC/DC)220或24或36光源功率W12光通量lm560光源平均使用寿命h10万外形尺寸mm180*130*65总重量kg1配用的光源如表3-2所示： 表3-2 光源参数表编号光源额定功率

12、（W）光通量（lm）光源平均使用寿命（h）ZY8800ALED1256010万四、路灯的智能化控制系统据调查,城市道路的人流量和车流量在晚间6一12时是均值较高的时段，而12时过后则会显著降低，与之相随的是对光照要求和实际用电需求也应有所降低。然而，目前绝大多数的路灯照明系统没有功率调节功能,在路灯亮灯期间，消耗的功率十几小时始终如一。这种模式的路灯照明系统每年无谓地消耗了巨额电量,给本来已经很紧张的中国能源问题雪上加霜。随着季节的更迭,路灯的点亮和熄灭时刻也应当不一样,那么就需要一种系统来控制路灯在不同的季节有不同的点亮和熄灭时间。一年四季中,难免有能见度突然下降的时候,这时如果没有其他的应

13、急措施,将给交通带来很大的不便。在本控制系统中,再并联一个光控传感器让其直接控制路灯的开启与关闭就能解决。4.1 PLC的选用根据PLC机型选用的基本原则：在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比最优秀的机型。在此设计中所选用的是三菱FX2n16MR型号的PLC，因为此系统与PLC相连接的输入输出端大于8点小于16点选用此型号就能满足其要求，此型号的PLC在价格上也比较经济实惠,而且三菱系列的PLC也比较容易学,能够很快就掌握其中的有关内容，所以此次设计选择此型号PLC作为其控制系统的核心部分。4.2系统控制电路原理图电源LED灯PLC控制框图4-1 系统控制电路原理图

14、4.3控制要求及流程图（1）开始时指示灯HL0亮； （2）时间到时灯组1HL1亮； （3）节能时刻到时灯HL1熄灭，灯HL2亮； （4）熄灭时间到时灯HL2熄灭； （5）通过光敏传感器根据光线强度控制灯HL1的亮熄。 开始HL0亮HL1亮HL2亮 HL1灭HL1亮HL2灭图4-2 状态动作图4.4程序设计程序的设计关键是时间的划分，在本设计中我们以3月21日、6月21日、9月21日、12月21日把一年分为春、夏、秋、冬四季。一年中的夏至(每年的6月21日)，天亮得最早，黑得最晚;一年中的冬至(每年的12月21日)，天亮得最晚，黑得最早。这里，我们把春分和秋分时候的点亮和熄灭时刻放在夏至和冬至点

15、亮和熄灭时刻之间。不同的季节点亮和熄灭时间如下表4-1所示：表4-1 不同季节点亮和熄灭时间表 点亮时刻节能时刻熄灭时刻3.216.21（春）18:0000:0006:006.219.21（夏）19:0000:0005:009.2112.21 (秋)18:0000:0006:0012.213.21（冬）17:0000:0007:00 此处用到PLC的内部时钟控制，所以首先需要对其内部时钟进行设定。而且用到时钟数据比较指令TCMPD，其功能指令编号为FNC160，源操作数【S1·】，【S2·】和【S3·】用来存放指定时间的时、分、秒，可取任意的数据，【S·

16、】可取T、C和D，目标操作数【D·】为Y、M和S，占3点。TMCP指令是将指定时刻【S·】与时钟数据【S1·】（时）【S2·】分【S3·】秒进行比较，比较结果在【D·】中显示，如图所示： 图4-3 TCMP指令显示图下面以春季为例，简要说明一下程序设计过程：（1） 路灯PLC控制输入输出点分配表,如表4-2所示： 表4-2 PLC输入输出表输入信号输出信号名称代号输入点编号名称代号输出点编号启动按钮SB1X0指示灯HL0Y0停止按钮SB2X1灯组1HL1Y1光敏传感器RLX2灯组2HL2 HL1Y2灯组3HL2Y3灯组4HL1Y4 （

17、2）路灯PLC控制接线图。 图4-4 PLC接线图 （3）根据控制要求设计出路灯PLC的控制程序梯形图。 图4-5 PLC控制梯形图五、实现路灯的智能化绿色照明的重要意义5.1 LED路灯的技术经济性评估目前路灯光源类型主要有:高压钠灯(广泛用于快速道、主干道等) 、节能灯(居住区、支路) ,金属卤化物灯使用较少 ,而白炽灯和高压荧光汞灯基本被淘汰。因此仅将LED路灯与高压钠灯和节能荧光灯相比较。表2列出三种光源的光辐射抵达路面后 ,在相等光通量(lm)时的性能比较结果。在到达路面的光通量接近相同时 ,LED路灯为103W,而紧凑型荧光灯和高压钠灯分别为250W和200W。故LED路灯节能效果

18、明显，如表5-1所示： 表5-1 LED路灯、荧光灯和高压钠灯性能比较性能 LED路灯 荧光灯 高压钠灯灯具光通量(lm)60001425019800抵达路面光通量(lm) 400041254040消耗功率(W) 103250200年耗电量(度/年12h/天) 4511095876相对用电量0141110（基准）018 对于610m的高灯杆，目前LED路灯辐照路面的平均照度、照度均匀度都已达到或超过国家标，色温和显色指数更显优越，只是LED 光源价格太高,且有的稳定性还需提高。表3列出了155WLED路灯和400W荧光灯技术经济评估数据，部分主要结果来自台湾江陵、阳杰公司的报告。一个性能优良的

19、路灯,除光源的光通量高(光效)外，灯具效率、电源效率及道路照明效率也很重要。灯具正面路面的光通量 =光源光通量 ×灯具光源效率 ×电源效率 ×道路照明效率。结果表明，LED路灯确实节能省电，另外还节约电缆和维修费，但一次性投入费用高。随着今后LED 光效的不断提高，价格持续下降，其经济和社会效益将日渐明显，如表5-2比较所示： 表5-2 155WLED灯与400W荧光灯技术和经济评估比较性能400荧光灯155WLED灯光源光通量（lm）2440012400光具正面路面光通量(lm)80898089消耗功率(W)400155灯具光源效率(%)0.650.85电源效率

20、(%)0.850.90道路照明效率(%)0.6.00.85耗电量(度/h)04000.155省电量(度/h)00.245省电率(%)061年省电率(12h/天 度/年)基准1073年节省电费（0.6元/度）基准751寿命(h)800020000电控技术较复杂方便，全亮半亮维护费用高低环保含贡、铅等污染物无污染物灯具费用较低一次性投入高、价格贵使用安全性高压、不安全低压、安全 5.2智能化绿色照明的重要意义人口、资源(尤其是能源)和环境，是当今世界经济活动中共同关注的三大问题。发展 绿色照明，是节能降耗、保护环境的重要举措，是建设节约型社会、落实科学发展观的重要 举措，是利在当代、造福子孙的大事

21、。伴随着改革开放，我国城乡用电量急剧增加。尽管我国电力工业发展速度很快，但 是电力供应紧张和用电效率低的状况依然比较严峻，并且在今后相当长的一段时间内将继 续存在。目前我国照明用电每年约达2500亿kW·h，约为三峡电站年发电量的3倍。照明用 电又主要集中在夜晚，在这段时间内，照明用电在用电总量中所占的比例远超过1%也就是说，在夜间用电高峰期内，存在着严重的照明电器与其他电器设备抢电用的问题，致使影响其他电器设备的正常运行。推广绿色照明，是改善电力负荷紧张状况的重要环节。六、总结评价通过此次四个月多的毕业设计时间，首先使我对自己三年来所学的知识做了很好巩固，对与以前没有深入学习的有关

22、PLC的内容有了更近一步的了解，因为本文的核心部分就是要用PLC进行简单的编程从而来控制路灯的照明及节能，不过由于时间和自身专业知识的有限，大多数的内容都是经过指导老师的指导才能完成。在设计中所运用到的LED半导体照明光源，在以前只是听说过并没有对其有过认识和了解，通过这次的毕业设计使我对LED半导体光源从其光、色、电和热学等关键性能和参数有所了解，从而知道了LED半导体光源与一般照明光源的区别极其优势。设计中出现的一些缺陷,如PLC在超过指定时刻时如果没有启动就不能控制路灯而需要手动控制，从而起不到自动控制。而且还可以在此系统上再加一个监控系统来监控路灯的工作状况，如果有哪盏路灯出问题就可以在监控系统上显示出来，从而及时的进行检修。对与这些问题在此就不做研究。此次毕业设计的题目是我在现实生活中所得出来的，因为在生活中我了解到大多数路灯的控制不是采用智能化而且控制形式单一，其所用的照明光源也是常规的照明材料，这种路灯不能达到很好的节能效果。这与当今社会所提倡的“绿色环保，低碳生活”有很大的差距，所以如何使用一种智能化的控制照明系统以及一种新型的照明光源，使路灯能够达到高效的节能效果，从而到达人们所提倡的“绿色环保，低碳生活”