基于单片机智能路灯节能控制系统研究

1、. . . . - 1 - / 38摘摘 要要随着我国经济的快速发展，电力消费也随之快速地增长。电力资源已成为紧缺资源。如何节能降耗己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正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出的新型节能控制系统。它是集稳压控制、软启动功能、自动启停、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。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80c5l为主控单元的硬件电路设计。实验表明，智能路灯节能控制系统可明显的提高路灯的用电效率，改善效率因素，在节

2、约能源，电力资源合理利用的今天，该装置有着十分广阔的社会和商业前景。关键词关键词: :节能控制，单片机，软起动节能控制，单片机，软起动. . . . - 2 - / 38ABSTRACTABSTRACTWith the rapid development of the Chinese economy, electric power consumption also rises fleetly. recent years, the rising speed of electric power consumption ishigher than that of economy developmen

3、t remarkably. Electric power resource has become very scanty. Hence, how to economize energy sources and reduce wastage has become a hot problem researched in recent years.The main feature is combining the SCR PowerC onversion and Intelligent Control System modules, the Power modules isolate high-vo

4、ltage and low-voltage using Substation Converter Reactance, geting the fast winding of Reactor(high-voltage) and street lamp in series, increasing the second winding (low-voltage)in the reactor. The secondary coil ,the SCR and the control systems of fuzzy control algorithms are associateing together

5、, We discuss the concept of the intelligent system of energy-saving and controling street lamp,and introduce the system design of the installation, operation. we detailed analysis connecti the hardware circuit design with a control unit of 80c5l, and its electrical connection.Experiments show that t

6、he intelligent system of energy-saving and controlling street lamp can significantly improved the systemstreet lamps electricity eficiency and improve the rata factor in energy.Nowadays,while is conservation and rational utilization of power resources, the device has a very broad social and busincss

7、 prospects. . . . - 3 - / 38K Ke ey yW W o or rd ds s: : E En ne er rg gy y- -s sa av vi in ng g a an nd d c co on nt to or rl li in ng g S So of ft t S St ta ar rt t. . . . - 4 - / 38目目 录录1 绪论- 1 -1.1 课题概述- 1 -1.1.1 课题的题目- 1 -1.1.2 课题研究的背景- 1 -1.1.3 课题研究的目的与意义- 1 -1.2 课题的国外研究现状- 1 -1.2.1 国外研究现状- 1

8、-1.2.2 国研究现状- 2 -1.3 论文的主要研究容- 3 -2 系统方案设计- 4 -2.1 智能路灯节能控制系统的构思- 4 -2.1.1 传统节能方法- 4 -2.1.2 具有智能控制的节能方法- 4 -2.2 智能路灯节能控制系统方案设计- 6 -2.3 智能路灯节能控制系统结构设计- 8 -3 硬件设计- 10 -3.1 硬件结构设计- 10 -3.2.1 光源检测原理- 11 -3.2.2 检测装置所需器件与选型- 11 -3.3 声学信号的采集与棒测设计- 14 -3.3.1 声学检测原理- 14 -3.3.2 检测装置所需器件与选型- 14 -3.4 功率变换单元与触发控

9、制系统设计- 17 -3.4.1 功率变换单元设计- 17 -3.4.2 触发控制系统设计- 20 -图 3-11 智能控制器系统结构图- 22 -3.5 智能控制器硬件设计- 22 -3.5.1 D/A 转换电路- 23 -3.5.2 开关量输入/输出电路- 24 -3.5.3 液晶显示电路- 25 -4 系统软件设计- 27 -4.1 软件结构设计- 27 -4.2 数据采集与处理程序设计- 28 -4.2.1 标度变换技术- 28 -. . . . - 5 - / 384.2.2 有效性检查- 29 -4.2.3 数字滤波- 29 -4.2.4 程序设计- 31 -5 总结与展望- 35

10、 -5.1 全文总结- 35 -5.2 心得体会- 35 -致- 37 -参考文献- 38 -附录 1：电路原理图- 39 -. . . . - 1 - / 381 绪论1.1 课题概述1.1.11.1.1 课题的题目课题的题目课题的题目:智能路灯节能控制系统研究1.1.21.1.2 课题研究的背景课题研究的背景随着社会的发展，能源问题己经成为全球最为关注的问题之一，能源危机已经成为全人类所面临的主要危机，特别是我国的电力能源近年来显得十分吃紧，电力紧阻碍着我们的日常生产、生活，甚至严重影响到我国经济的发展与社会文明的进步。在城市亮化、美化大潮的趋势下，城市景观照明耗电也吞噬着我们的电力资源。

11、而发电企业投资和建设需要一个较长的周期，快速的经济发展需要更多更充足的电力供应和消耗，电力的供求之间矛盾重重。电力供应缺口很难在短期得以缓解，发展与节约并重，已经成为经济建设的必然选择。此时，灯光照明行业节电也成为了我们的必然选择!1.1.31.1.3 课题研究的目的与意义课题研究的目的与意义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。本文研究的智能路灯节能控制系统是通过配套的功率变换组件，可在路灯的启停和运行中，有效的调节路灯的端电压，控制路灯

12、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，到了节约电能的目的。1.2 课题的国外研究现状1.2.11.2.1 国外研究现状国外研究现状近20年来，美国和日本照明节能集中在使用紧凑型荧光灯(CFL)和荧光灯采用镇流器两个方面，两个国家中用新技术替换老产品的过程有点不同:2001年美国销售的镇流器中电子的占53%，而日本只有36%。而两个国家在销售CFL灯占白炽灯的比例中，美国只占3%，日本占了15%。两个国家的国家、省和地方都在立法，鼓励和普与活动这三方面做文章，旨在推动节能产品的广泛使用。. . . . - 2 - / 38国外照明节能技术的发展具有以下特点.(1)大力推动

13、绿色照明，在光源的材料，使用规上加以有效管理，出台了一系列的标准和管理要求，将照明节能推广到全民围;(2)不断提高功率器件性能要求，主要体现在镇流装置上技术提高。通过对镇流器技术改进来提高照明设备的功率因素。1.2.21.2.2国研究现状国研究现状目前我国市场上有多种路灯节能控制产品，能达到一定节能效果，但就功能和效果上还不能尽如人意，主要有以下几类情况:采用自祸变压器与磁饱和电抗器的降压技术。其不足是由于反应速度较慢，用电高峰时电压降到非稳定区，容易造成灯光闪灭，不能自动调节，同时如果电压突然升高，则不能避免灯具受到市电的瞬时高压冲击，对灯具的保护能力较差;相对来说稳压功能较差。.针对于磁饱

14、和电抗器来说，除了上述不足外，其效率也普遍偏低。采用电子器件构成的可控硅式设备。该设备主要采取简单的相控技术，不足之处是元件易发热烧坏，由于采用相控技术产生谐波污染电网，使荧光灯与气体灯小停闪动，减损灯具寿命与相关附件的使用寿命，降低照明质晕，不绿色不环保，国家相关规定已明令禁止使用这种无功补偿技术设备。以系统节电滤波形式，主要是净化电网，补充无功功率，补偿电网，而对于有功电度表计量系统，缺少实际节电效果。1.3 论文的主要研究容本文结合国外最新研究成果，比较几种常用的路灯节能控制方法。讨论了基于可变电抗技术的功率单元的结构和系统构建。详细描述了路灯智能控制系统的硬件结构、电路设计，并应用模糊

15、控制算法进行了控制算法设计，最后对系统进行了仿真和调试，并对试验结构进行了分析。论文研究的主要容:（1）基于可变电抗技术的功率单兀系统结构设计;（2）路灯节能控制系统硬件设计;（3）路灯节能控制系统的仿真和试验研究。. . . . - 3 - / 382 系统方案设计2.1智能路灯节能控制系统的构思2.1.12.1.1传统节能方法传统节能方法长期以来，国大多数城市路灯照明控制广泛采用传统控制方式，其节能方法主要有以下几种:人工控制节能方式:根据开关灯时间表由值班人员负责手动进行开/关灯操作。时控节能方式:以时间为唯一的开关灯依据，不论气象条件如何变化，均只能在规定时刻开关灯，随季节变化人工干预

16、调整开关时间。光控节能方式:按光照度的差异来控制路灯开关。这些节能方式存在着较为明显的缺憾，国大多数城市路灯的开/关灯控制由各变压器(配电箱)分散控制，尽管城市路灯运行有专门控制线，只有控制功能而无法实现监测。由于不能严格按照室外自然光照度进行控制，不仅实时性差，故障率高，而且浪费严重。另外，传统控制方式要求人不离岗，与时控制灯光的开启和关闭，由于人工控制误差而造成电能浪费很是惊人。比如采用定时器控制方式时，由于一年四季的时差，要经常对定时器进行人工调整，从夏至到冬至，日出时间推迟、日落时间提前;从冬至到夏至，日出时间提前、日落时间推迟，据此天气现象，要求路灯开关时间根据日出日落时间进行调整。

17、这样不仅消耗大量人力资源，还可能由于调整不与时而造成浪费。2.1.22.1.2具有智能控制的节能方法具有智能控制的节能方法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。其系统结构图如图2-1所示。图2-1 路灯节能系统结构图. . . . - 4 - / 38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与智能控制器连接。通过

18、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

19、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。子夜时分，街道上车辆与行人寥寥无儿，这时路灯的照度可以调低，满足最低限度的照明即可，而这一时段通常为4-5个小时，在这段时间合理的控制路灯的照度，减少其功率消耗，不仅可以节约大量的电能，同时也能提高灯具的利用率，增长其使用寿命，从物资的损耗上节约其成本，以达到更高效率的节约。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

20、，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。2.2智能路灯节能控制系统方案设计本文设计的路灯节能控制系统所遵循的基本原则有:. . . . - 5 - / 38(1)稳压控制:任何功率电器在使用过程中都应处于其稳定的电压围，作为与我们日常生活密切相关的路灯照明设备就更应该稳压工作，保持路灯电压平稳从节能和功效两方面来说都具有十分重要的意义。所以无论在用电的高峰还是低谷始终将供电电压稳定在规定围是路灯控制首要解决的问题.(2) 软起动功能:由于路灯并联后属于大功率电器，而现在所使用的启动方式均为直接启动，这种启动方式会造成启动电流过大，对灯具的耐用性有一定的损害，

21、而且该起动电流还会引起电网电压急剧下降，电压频率也会发生变化，这会破坏同电网其它设备的正常运行，因此使用软启动功能来点亮路灯可以防止起动时大电流对照明设备的不良影响.(3) 自动启停:路灯作为我们日常生活必被的公共设施，它的启停跟道路上行人与车辆的需求有着直接的关系，只要是环境需要无论是在雷雨将至的暑天午后还是日常状况下的夜幕之时，它都会根据外部环境的明暗程度来自动判断系统是否需要开闭。除上述基本原则外，本文拟采用的路灯节能控制方案的特点也是其关键之处在于添加了智能调压控制部分，基于模糊控制算法的该智能控制器可根据交通道路上车人流量的大小(子夜后)自动调整路灯供电电量的高低。通过控制路灯输出电

22、压大小，降低其在人车流量稀少时的照度(该照度的降低不会影响此时段人的正常通行)，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2-1所示。. . . . - 6 - / 38表2-1 几种路灯节能方式比较路灯节能方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

23、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。2.3智能路灯节能控制系统结构设计本系统的主要结构由可变电抗变换器、功率单元、智能控制器组成。其中可变电抗变换器与功率单元共同组成本文所提出可变电抗器， 将可变电抗变换器的一次线圈与路灯负载串接，构成一次阻抗串联电路，其二次线圈与功率变换单元构成二次阻抗变换电路，通过改变二次阻抗来改变一次阻抗与负载阻抗的比例关系，实现负载调功，从而改变路灯端电压。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

24、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，它的基本工作原理如. . . . - 7 - / 38图2-3所示。图2-3 功率单元工作原理图图中，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则使功率变换单元按要求改变晶闸管的导通情况，晶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起动，也可以按要求进行自行调压控制其照度。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有光学

25、传感器和声学传感器两种，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:而现场的声音情况通过声学传感器的采集和处理也得到相应的模拟信号，将此信号输入至智能控制器中，山智能控制器依据模糊控制算法来调整路灯的输入电压，将路灯的照度与实时街道上人车流量相对应，使其亮度效果达到最佳.智能控制器控制流程图如图2-4所示。图2-4 智能控制器控制流程图. . . . - 8 - / 383 硬件设计3.1硬件结构设计智能路灯节能控制系统的硬件部分由智能控制器和功率变换单元组成。其中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。智

26、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、AM和D/A转换器等组成。硬件系统的工作原理为:光信号通过光电传感器转变成模拟信号，经变送器输入至A/D转换器，实现系统的开启和关闭。噪声信号通过噪声传感器转变成电信号，通过模糊控制算法实时处理人车流量信息，动态调节灯光强弱度，实现节能控制。其系统框图如图3-1所示。图3-1 硬件结构图. . . . - 9 - / 383.2光学信号的采集与检测设计3.2.13.2.1光源检测原理光源检测原理光源检测其实就是利用了一个光电式传感器。所谓光电式传感器是能将光能转换为电能的一种器件，简称光电器件。它的物理基础是光电效应，而光电效应

27、是指物体部的导电电子因吸收辐射而发生运动状态的改变，从而导致电学特性改变的现象。它在现代测量与控制系统中，应用非常广泛。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件3部分组成。其基本原理是以光电效应为基础，把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号.光电效应是指用光照射某一物体，可以看作是一连串带有一定能量为的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光界射的物体产生相应的电效应通常把光电效应分为3类:(1) 在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电

28、效应，如光电管、光电倍增管等;(2) 在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为光电效应，如光敏电阻、光敏晶体管等;(3) 在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，如光电池等。3.2.23.2.2检测装置所需器件与选型检测装置所需器件与选型在本系统的设计过程中，光源检测用于整套系统的开启和关闭，因此只需要有光电效应的光敏器件即可。光敏器件包括光敏电阻、光敏二极管与光敏三极管等。光敏电阻的工作原理是用光电导体制成的光电器件又称光导管，它是基于半导体光电效应工作的。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时可加直流偏压，也可以加交流电压。当无光时，光敏电阻值(暗电阻)很大，.

29、 . . . - 10 - / 38电路中电流很小。当光敏电阻受到一定波长围的光照时，它的阻值(亮阻值)急剧减少，因此电路中电流迅速增加.光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，其符号如图3-3所示，为增加受光面积，PN 结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小，称为光敏二极管的暗电流;当有光照时，载流子被激发，产生电子空穴，称为光电载流子。在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电

30、阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。图3-3 光敏二极管光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能，其符号如图3-4所示。光敏三极管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光卞要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。比一般三极管的穿透电流还小:当有光照时，激发大量的电子空穴对，使得基极产生的电流Ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。图3-4 光敏三极管由于本系统涉与的光源采集为系统

31、启停提供控制信息，所以采用光敏电阻即可满足系统需求。光敏电阻和其它半导体光电器件相比有以下特点:(1) 光谱响应围相当宽.根据光电导材料的不同，光谱响应可从紫外光、可见光、近红外扩展到远红外，尤其对红光和红外辐射有较高的响. . . . - 11 - / 38RCDKJ应度.(2) 工作电流大，可达数毫安。(3) 所测光强围宽。既可测强光也可测弱光。(4) 灵敏度高。光导电增益大于to图3-5所示是利用光敏电阻控制的路灯自动启停电路。该电路由两部分组成。电阻R、电容C和二极管D组成半波整流电路。CdS光敏电阻和J组成光控继电器。路灯接在继电器常闭触点上，光控继电器控制灯的1从燃和熄灭。工作原理

32、是:晚上光线很暗，CdS光敏电阻阻值很大，流过J的电流很小，使继电器J不动作，路灯接通电源点亮。早上，天渐渐变亮，即照度逐渐增大，CdS光敏电阻受光照后，阻值变小，流过J的电流逐渐增大，当照度达到一定值时，流过继电器的电流足以使i动作，使其闭合，其常闭触点断开，路灯熄灭。图3-5 光敏电阻控制的路灯自动点电路3.3声学信号的采集与棒测设计3.3.13.3.1声学检测原理声学检测原理声音测量结构如图3-6所示。其中，外部声音信号传播到传声器，并通过运算放大器将输入的微弱音频信号转换为一信号电平(电压信号)，此电压信号则由A/D转换器转换成数字信号发送至单片机，单片机根据输入的数字信号进行处理，并

33、经量纲转换出所对应的DB值，最后在单片机控制下由LCD实时显示出来。. . . . - 12 - / 38图3-6 声音检测结构框图3.3.23.3.2检测装置所需器件与选型检测装置所需器件与选型本系统选用传声器作为路面声音信号的采集装置。传声器microphone俗称话筒.是将声源通过空气振动产生的声波转换成电信号的换能设备，是一种重要的电声器件。传声器作为音频系统的第一环节，应具备结构坚固、性能稳定的品质，能满足在特定使用条件下的基本要求。其基本技术特性为:(1) 传声器的灵敏度传声器的灵敏度表示传声器的声一电转换效率，当传声器的振膜受到声压的作用时，在负载上所产生的电动势或电压的数值，称

34、为传声器的灵敏度。视负载情况不同，分为开路(空载)灵敏度和带载灵敏度。(2) 传声器的响应频率传声器的频率响应指传声器灵敏度依从频率的关系，简称频响，灵敏度与频率之间的关系曲线叫频响曲线。在给定的频率围，频响的不均匀度以dB来度量。响特性是评价传声器音质的最重要的标准，如果频响曲线从低端到高端都很平坦，则说明它能真实地再现原声，而事实上即使是最高级的传声器也存在高频提升、低频下降的情况。因此，在一定频带宽度频响的不均匀度越小，其有效频率围就越窄。为获得良好的音质，要求传声器的频响应具有宽而平直特性。(3) 传声器的指向性传声器的指向性是传声器的灵敏度随声波入射方向变化的特性，又称为方向性。不同

35、的声波入射角所得入射角频率曲线，就是传声器的指向频响曲线。通常以传声器与声源同声轴0。(正向)900(侧向)和180。(背向)这二种角度来测定其频响，从中确定其频率特性.正背相差. . . . - 13 - / 38越大，指向性就越强。传声器的输出阻抗指传声器的交流阻，又称源阻抗.通常的测定方法是:在声频为1000Hz、声压为1Pa的声场中，调节传声器输出端可变电阻的阻值，使传声器的输出电压值为不接可变电阻时开路输出电压值的1/2，此时电阻的阻值即为传声器的输出阻抗。(4)传声器的最大声压极在强声压作用下，传声器输出产生非线性谐波失真达到0.5%一1%时的声压级称为最大声压级。它是衡量传声器性

36、能优劣的一项重要指标。传声器的种类很多，按换能原理可分为电动式、电容式、电磁式、压电式、半导体式传声器;按接收声波的方向性可分为无指向性和有方向性两种，有方向性传声器包括心形指向性、强指向、双指向性等;按用途可分为立体声、近讲、无线传声器等。(1)动圈传声器动圈传声器是一种最常用的传声器。它的结构主要由振动膜片、音圈、永义磁铁和升压变压器等组成.它的工作原理是当人对着话筒讲话时，膜片就随着声音前后颤动，从而带动音圈在磁场中作切割磁力线的运动。根据电磁感应原理，在线圈两端就会产生感应音频电动势，从而完成了声电转换。为了提高传声器的输出感应电动势和阻抗，还需装置一只升压变压器。动圈传声器结构简单、

37、稳定靠、使用方便、固有噪声小，被广泛用于语言广播和扩声系统中。但缺点是灵敏度较低、频率围窄。近几年己有专用动圈传声器，其特性和技术指标都较好。(2) 电容传声器电容传声器是靠电容量的变化而工作的。它的结构如图3-8所示，主要由振动膜片、刚性极板、电源和负载电阻等组成。它的工作原理是当膜片受到声波的压力，并随着压力的大小和频率的不同而振动时，膜片极板之间的电容量就发生变化。与此同时，极板上的电荷随之变化，从而使电路中的电流也相应变化，负载电阻上也就有相应的电压输出，从而完成了声电转换。电容传声器的频率围宽、灵敏度高、失真小、音质. . . . - 14 - / 38好，但结构复杂、成本高，多用于

38、高质量的广播、采音、录音、扩音中。(3) 驻极体电容传声器这种传声器的工作原理和电容传声器一样，所不同的是它采用一种聚四氟乙烯材料作为振动膜片。由于这种材料经特殊电处理后，表面被永久地驻有极化电荷，从而取代了电容传声器的极板，故名为驻极体电容传声器。其特点是体积小、性能优越、使用方便，被广泛地应用在盒式录音机中作为机传声器。(4) 无线传声器无线传声器实际上是一种小型的扩一声系统。它由一台微型发射机组成。发射机又由微型驻极体电容式传声器、调频电路和电源三部分组成，无线传声器采用了调频方式调制信号，调制后的信号经传声器的短开线和发射出去，其发射频率的田按国家规定在loMHz一120MHz之间，每

39、隔ZMHz为一个频道，避免互相干扰。无线传声器与接收机应一一对应，配套使用，不得冠戴，出现差错。接收机是专用调频接收机，但是一般的调频收音机只要使其调谐频率调整在无线传声器发射的频率上，同样能收听到无线传声器发出的声音。无线传声器体积小、使用方便、音质良好、话筒与扩音机间无线、移动自如、且发射功率小，因此在教室、舞台、电视摄制方面得到了广泛的应用。由于本系统采集的声音信号为道路上行人与车辆所发出，则需要灵敏度高、非线性失真小、频响围宽的传声器。通过上文的阐述，可选用电容式传声器作为路面声音信息的采集装置。优质电容式传声器的频响可达到声频的围是ZOH矛ZOKHz，适合于高质量的拾音。国产电容式传

40、声器用CRX.X表示，如CRI一6，CRGI一2等。3.4功率变换单元与触发控制系统设计3.4.13.4.1功率变换单元设计功率变换单元设计方案中己经阐明，功率单元处于可变电抗器低压控制绕组侧，我们. . . . - 15 - / 38采用晶闸管交流调压方式，控制改变电抗器低压侧电压，使高压侧电抗可变。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。a0 ,b 0 .c 0,N O分别与可变电抗变换器低压侧连接，电抗变换器接线原理图如图3-11所示。当路灯开始起

41、动时，电网三相交流电经可变电抗变换器高压侧(即AX,B Y.CZ)后达路灯，可变电抗器低压侧线圈将产生感应电动势，三相低压绕组相当于三相电源。交流调压原理就是，在交流电源和负载之间，用两个晶闸管反并联后串联到交流电路中，通过对晶闸管的控制来改变交流电力，这种电路不改变交流电的频率，称为交流电力控制电路。在每半个周波通过对晶闸管开通相制，可以方便的调Ti输出电压的有效值，实现三相交流调压。位的控制，可以方便的调Ti输出电压的有效值，实现三相交流调压。 ABC XYZTBN0A0B0C0图3-7 可变电抗变换器接线原理图形导通角的大小，根据三相联结形式不同，三相交流调压电路具有多种形式。包括星形联

42、结、线路控制三角形联结、支路控制三角形联结、中点控制三角形联结。这里采用了星形电路三相四线制连接，此时，相当于单相交流调压电路的组合，三相互错开120工作。由于路灯是阻感性负载，从电力电子学中可以知道，当晶闸管交流. . . . - 16 - / 38调压电路带有阻感性负载时，移相角a只有在 a 180。围，才能起到调压作用。为负载阻抗角。为了便于分析，我们预先假定: (1) 电源为三相对称的正弦电压源，电源的阻抗为零;(2) 各晶闸管的特性一致，对称触发，关断状态时，其阻抗为无穷大;导通状态时，其阻抗为零;(3) 路灯为理想负载，稳态运行时，功率因数恒定。在调压时，路灯上所得到的电压与电流波

43、形在不同。a角时是不同的。例如晶闸管调压器在电机起动时，随着控制角a由大到小变化时，路灯所得的电压也随之升高的，而路灯上电流变化的一般趋势是从大减小到额定值。由于调压控制在实质上是改变一个周期电压波所以输出的不是正弦波，但由于晶闸管是对称触发，所以每一相负载_L所得到的电压与稳态时的相电流是三相对称的。单相晶闸管电路的电压波形如图3-8所示，其中a角为触发角，角为续流角，为晶闸管真正导通角，U1为路灯相电压。角决定了晶闸管的输出电U1压，故改变0角的大小就可以调节电抗器低压侧电压U1.U0U1V4V1RAXUWtOfaQf图3-8 晶闸管控制触发系统结构原理图. . . . - 17 - /

44、38三相桥式全控整流电路的特点如下:(1)每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中1个晶闸管是共阴极组的，1个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管。(2)对触发脉冲的要求:6个晶闸管的脉冲按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差600:共阴极组VT1,V T3,V T5的脉冲依次差1200，共阳极组VT4, VT6,V T2也依次差1200;同一相的上下两各桥臂，即VTl与 VT4 ,VT3与VT6,V T5与VT2，脉冲相差1800.整流输出电压一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该脉电路为6脉动整流电路。3.4.23.4.2触发控制系统设计触

45、发控制系统设计触发控制系统是为功率变换部分的六个晶闸管提供触发脉冲的，系统包括触发脉冲板与脉冲变压器板两个部分。控制输出脉冲序列来改变晶闸管导通状况实现交流调压。控制触发系统结构原理图如图3-9所示。以实现交流调压。控制触发系统结构原理图如图3-9所示。图3-9 控制触发系统结构原理图在触发系统设计中，采用专用集成电路KJO04形成触发脉冲，它有如下特点:(1) 输出两路相位相差1800的移相脉冲;(2) 输出负载能力大，移相性能好，正负半周脉冲相位均衡性好;(3) 移相围宽，对同步电压要求低，有脉冲列调制输出端等功能特点。. . . . - 18 - / 38*T1D11D12K17K017

46、11.2触发脉冲由处于低电位控制系统发出，而各个晶闸管单元处于高压电位下，所以要由触发系统来解决控制与主电路电位隔离和给各晶闸管组件提供门极触发能量问题。低电位的控制系统的触发脉冲信号发出端口到高电位的晶闸管单元的门极输入端，其间的各个处理或传递触发脉冲信号环节构成了品闸管组件的触发系统。包括间接式光触发系统、直接式光触发系统、脉冲变压器触发系统。综合比较，脉冲变压器触发系统虽然存在缺点，但出于性价比的考虑，并能满足系统要求，我们选择了脉冲变压器触发系统触发脉冲信号传送给触发脉冲功率放大器，由它产生大功率的高频脉冲电流，通过脉冲变压器的磁祸合分配给各晶闸管单元的门极，从而实现触发脉冲的传送和高

47、低电位的隔离。脉冲变压器板由六组一样结构的放大电路构成，K17-KO1.K27-KO1-K67-KOI从输入端子接入，经脉冲变压器放大后输出71-1.2,72-2.2-76-6.2六路触发脉冲，分别对应连接六个晶闸管VI, V2-V6的阴极(脚标为k)与触发极(也称门极，脚标B)。脉冲变压器原理如图3-10所示.图3-10 脉冲变压器原理二极管D11与D12用于防止场效应管T1(图3-11)关断时，脉冲变压器的副边感应出的高压加在晶闸管的门极;脉冲变压器TI起电气隔离作用，防止由于晶闸管的损坏而将高电压串至脉冲回路。. . . . - 19 - / 38图3-11 智能控制器系统结构图3.5智

48、能控制器硬件设计智能控制器主要由信号采集单元、信号处理单元、信号输入输出与信号显示单元组成，其系统结构如图3-16所示。信号采集单元前文己有阐述，这里不做讨论.微处理器是本控制器的核心，当前控制系统中，常采用的微处理器或控制器主要有PLC、单片机等。PLC在抗干扰性能好，适用于需要大量开关控制的场合，但如果使用PLC进行复杂程序编写，其程序的编写难度、可读性和可维护性都不尽人意，并且PLC在进行大量数据运算方面存在不少困难。而单片机在这些方面具有一定优势，同时单片机资源丰富，开发简单方便，价格低廉，可以缩短研发时间，降低产品成本。因此，本系统选择单片机作为微处理器。本系统中采用的是NXP公司的

49、P89V51RD2单片机。P89VSIRD2是一款80C51微控制器，包含64kB Flash和1024字节的数据RAM.P89V51RD2的典型特性是它的X2方式选项。利用该特性，设计工程师可使应用程序以传统的80C51时钟频率(每个机器周期包含12个时钟)或X2方式(每个机器周期包含6个时钟)的时钟频率运行，选择X2方式可在一样时钟频率下获得2. . . . - 20 - / 38倍的吞吐量。从该特性获益的另一种方法是将时钟频率减半而保持特性不变，这样可以极降低电磁干(EMI).Flash程序存储器支持并行和串行在系统编程(ISP).并行编程方式提供了高速的分组编程(页编程)方式，可节省编

50、程成本和上市时间。ISP允许在软件控制下对成品中的器件进行重复编程。应用固件的产生/更新能力实现了ISP的大围应用。P89V51RD2也可采用在应用中编程(IAP )，允许随时对Flash程序存储器重新配置，即使是应用程序正在运行也不例外.根据路灯节能控制系统的需要，本设计中的微处理器系统主要包括如下几个部分:单片机最小系统、v0口扩展.开关量愉入输出、A./D转换电路，D/A转换电路。有关51单片机的最小系统很多书籍手册都有详细介绍。/10口扩展电路中使用74HC573进行输出口的扩展，使用74HC245进行输入口的扩展.这一部分电路通用性比较强，具体可参考单片机相关书籍，就不再赘述。本文中

51、只将一些关键电路详细说明。3.5.13.5.1 D/AD/A转换电路转换电路本设计中，需要由微处理器系统提供控制信号给触发控制模块，该信号为0-IOV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，其原理图如图3-12所示。0.1UFC3VCCDIN1SCLK2CS3DOUT4AGND5REFD46OUT7VDD8U*TLC5615P15P17P13VCCVCC10KR310KR3D?D?231411AU?ALM348D10KR310KR3+12V-12V1KR?Res TapU0图3-12 D/A转换电路原理图电路使用D/A转换器TLC56

52、15进行D/A转换，TLC5615是一个串行10位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. . . . - 21 - / 38口。其主要特点为:单5V电源工作:3线串行接口:DAC输出的最大电压为2倍基准输入电压;转换速率快，更新率为1.21M Hz.本系统中，TLC5615的数据输入端(DIN)、始终信号端(SCLK)分别与P89V51RD2单片机的SPI接口的MOST和SCK端相连，利用单片机的SPI接口完成对TLC5615的控制，提高了转换速度，降低了软件的复杂程度。TLC5615转换输出为0

53、-5V直流电压，为把该输出电压转化为0-10V直流电压，使用运算放大器LM348组成同相比例放大电路，经比例放大后，输出0-lov直流信号，输入触发板作为该模块的给定信号。3.5.23.5.2开关量输入开关量输入/ /输出电路输出电路(1)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:电机起动、警报接触、急停、故障报警、开关和断路器的反馈信号等.开关量输入电路原理图如图3-13所示。图3-13 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。输入的开关量通过光祸TLP521隔离后输送到微处理器，微处理器根据输入开关量进行相应的操作.(2)开关量输出

54、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3-14所示。. . . . - 22 - / 38U2Optoisolator11KR44.7KR3VCCVCCIN110KR5Q12N3906+12V4.7KR1D11N4001112233445566Q1JDQ104C11KR2O1AO1B图3-14 开关量输出原理图电路中的1/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，对电源的干扰以与断开电流时线圈电感在线圈两端产

55、生的极高的感应电压等问题。所以，设计使用了光电辐合器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。3.5.33.5.3液晶显示电路液晶显示电路液晶显示器(LCD)具有体积小、外形薄、重量轻、耗能小、工作电压低、无辐射，特别是视域宽、显示信息量大等优点。液晶显示器已被广泛应用于各种仪器仪表、电子显示装置等场合，成为测量结果显示和人机对话的重要工具。液晶显示器按功能分为段位式LCD、字符式LCD和点阵式

56、LCD，前两者只能显示有限字符，而点阵式LCD不仅能显示字符，还可以显示汉字与各种图形，并且可实现屏幕的上下左右滚动显示，反转显示以与显示闪烁等功能，用途十分广泛。本设计的人机交互模块采用NS 19264C型点阵式LCD，实现了路面噪声信息的显示。该液晶模块使用三片KS0108B作为列驱动器，同时使用一片KS0107B. . . . - 23 - / 38作为行驱动器。液晶模块提供两个片选端CSA和CSB供微处理器选通三片KS0108B,实现192 X 64的点阵显示飞液晶模块采用直接方式连接到单片机的数据总线上，单片机的WR和RD信号通过与t门组合为液晶模块的使能信号E。单片机和液晶模块的连

57、接电路图如图3-15所示。1234567891011121314151617181920P1Header 20P00P01P02P03P04P05P06P07P20P21EVLCDVCCGNDP22P23VEE/RESVCCGND10KR9Res Tap10KR100.1UFC3A_1A_3A_2U4A_7400EWRRD图3-15 单片机和液晶模块的连接电路4 系统软件设计节能控制系统的控制功能是通过执行软件程序实现的。软件是系统的灵魂，没有软件，系统就不能正常运行。软件设计的好坏将关系着整个系统的好坏，软件的优劣也关系到硬件各部分能否协调工作.本系统软件设计采用了目前广泛使用的MCS-51

58、单片机高级语言keil-C51作为软件开发工具，它表达能力强、可移植性好、便于进行结构化程序设计可以直接操作计算机硬件，对速度要求不是很高的应用场合是一种十分理想的开发工具。4.1软件结构设计在软件开发的过程中，我们采用了了结构化程序设计方法，使得软件系统具有了模块化的特点。结构化程序设计是在70年代逐渐被采用的一种新型的程序设计方祛，它具有易读、易查、易调试、编程效率高等优点。软件系统的结构模块如图4-1所示。. . . . - 24 - / 38图4-1 软件系统结构框图智能路灯节能控制系统软件分成通信模块、数据管理模块、数据处理与分析模块和LCD显示。服务功能为:将传感器采集到的实时现场

59、声音信号通过A/D转换发送到单片机中;在单片机的系统中先设置好声音级别对应的控制数据;将传送进来的实时音频数据与设定的好的数据进行比较，判断该实时音频数据应对应的控制数据并将数据输出，通过D/A转换来控制路灯的亮度，并在LCD上显示出实时的声音分贝。4.2数据采集与处理程序设计街道路面信息数据的采集与处理是系统的主要任务之一，要正确而高敛的完成数据的采集与处理首先必须解决以下两个问题:(I) 数据采集与处理首先必须处理好标度变换问题.由于系统采集的各种参数都有不同的量纲和数值，被测信号转换成数字量之后，往往还要转换成操作人缘所熟悉的工程量，这种转换就是标度变换。(2) 在微机测控系统中，存在大

60、量的现场干扰，采集的数据都存在不同程度的信号污染，因此应根据数据受干扰性质和干扰后果的不同，采取相应的软硬件措施清楚干扰。采用软件的方法方便灵活，成本低。常用的软件抗千扰的方法有:有效性检查、数字滤波、数字调零和自动校正等都是应用广泛的数据处理技术。如何正确的使用这些方法是另一个需要解决的问题。4.2.14.2.1标度变换技术标度变换技术. . . . - 25 - / 38由于实际测量到的各个参数都有不同的量纲和数值，这些参数首先由测量仪表转换成模拟信号，再经过A/D转换后成为一系列数字量。这些数字量仅仅代表参数值的大小，并不一定等于原来带有量纲的参数值，为了能直接显示被测工程量值，必须把它们转换成