路灯节能控制器设计思路

/路灯节能限制器设计思路信息工程系—电气074班—张帅摘要本文通过对路灯的调查探讨,阐述了路灯在夜间行车平安及节能中的重要作用,分析并指出当前路灯建设过程中存在的各种问题,并且针对这些问题提出了行之有效的建议。以便达到节能减排,降低路灯的能耗,提高电能的运用效率的效果。由此可见，随着城市建设的高度现代化及城市照明工程的逐步扩大,节电节能和运用先进路灯限制系统的要求越来越迫切。为此本文分析了城市路灯照明的现状,提出了一种基于AT89S52单片机限制的路灯节能限制器的设计方案。介绍了路灯限制系统的节能原理、硬件电路的设计和软件部分的主程序流程图。该系统能延长灯具寿命,具有牢靠性高,成本低,节电效果明显等优点,可以明显提高路灯的用电效率。关键词：路灯;单片机;道路照明;智能;节能限制AbstractBasedoninvestigationandresearchoflamp,theimportantroleoflampondrivingsafetyduringnightandenergy-savingwaselaboratedinthispaper,thevariousproblemsinthepresentconstructionoflampwereanalyzed,effectivesuggestionaboutthesetoughproblemswasputforward.Thepurposeistorespondtothecallofenergy-savingandreducingthedischargeofournation,toreducetheenergyconsumptionoflampandimprovetheefficiencyofelectricity.Thisshows,withtheheightofmodernurbanconstructionandthegradualexpansionofthecitylightingengineering,energysavingandadvancedlightingcontrolsystemaremoreandmoreurgent.Therefore,thisarticleanalysesthepresentsituationofbiggerenergyconsumptionofurbanroadlighting,putforwardthedisignofenergyeconnomizerofintelligentstreetlampbasedonAT89S52microcontrollercontrol.Itintroducestheworkingtheoryoftheenergy-savingstreetlampcontrolsystem、thedesignofthehardwarecircuitandthemainprocedurecontrolflowchart.Thissystemhassuchadvantagesaslonglife,highreliability,low-cost,energy-savingandcansignificantlyimprovedtheenergyefficiencyofstreetlamps.Keywords：lamp;SCM;roadlighting;intelligence;energy-savingcontrol书目摘要第一章绪论1课题概述1.1课题探讨的背景1.1.1照明的发展史1.1.2路灯的照明现状及发展2课题探讨的目的及意义2.1道路照明的作用2.2城市照明存在的问题2.3我国在路灯节能方面的状况2.2.1我国路灯照明节能的现状2.2.2我国城市道路照明节能的措施3路灯节能的基本原理4路灯节能的几种方法及分析对比4.1照明设备的节能4.2路灯供配电系统节能4.3路灯管理节能4.4运用先进限制装置，实现智能限制节能5路灯节能产品的选择其次章路灯节能限制系统的总体方案设计1系统的总体方案设计2系统的结构模型及功能分析3系统限制器的总体设计3.1智能限制器结构设计第三章系统硬件设计1系统硬件结构设计2限制器设计以及其外部电路2.1限制器最小限制系统2.2串行通信接口设计2.3A/D和D/A转换电路2.4开关量输入/输出电路第四章软件结构设计第五章结论致谢参考文献1课题概述1.1课题探讨的背景照明的发展史在历史的长河中，人类实现照明的方式特殊简洁，那就是干脆借助各种火源的直射光，例如蜡烛、油灯等等。这些发光设备虽然在人类的历史长河中点燃了漫漫岁月，却因为极低的发光效率和发光质量，只能尘封在历史的博物馆中。人类尝试夜晚在城市街道上进行人工照明始于15世纪初。1417年,为了让伦敦冬日漆黑的夜晚光明起来,伦敦市长亨利·巴顿发布叮嘱,要求在室外悬挂灯具照明。后来,他的倡议又得到了法国人的效仿。16世纪初的时候,巴黎居民住宅临街的窗户外必需安装照明灯具。路易十四时,巴黎的街道上出现了许多路灯。1667年,被称为“太阳王”的路易十四还正式颁布了城市道路照明法令。传闻,正是因为这部法令的颁布,路易十四的统治才被称为法国历史上的“光明时代”。最初的路灯光线比较弱,因为路灯里面用的都是一般的蜡烛和油。后来改用煤油后,路灯的亮度有了明显的提高,而路灯真正的革命是在汽灯出现之后。但最初,它的独创者英国人威廉·默多克却饱受讥讽。沃尔特·斯科特曾在写给一位挚友的信中称道有一个疯子要用一种冒着“黑烟”的路灯来给伦敦的夜晚照明白。尽管默多克的路灯惹来了许多争议,但这种路灯的优势却不容忽视。1807年,这种新型路灯被安装在了波迈大街上,并很快风靡欧洲各国的首都。人类用电照明的历史和两位独创家的名字紧密相连,那就是俄罗斯人亚力山大·洛德金和美国人托马斯·爱迪生。1873年亚力山大·洛德金因设计出白炽灯泡而获得了彼得堡科学院颁发的罗蒙诺索夫奖。不久,这种灯泡被应用于彼得堡海军大厦的照明。几年之后,托马斯·爱迪生对这种灯泡进行了改进,使这种灯泡的亮度更强,生产成本更低。随着这种灯泡的大量出现,汽灯快速退出了道路照明,电灯取而代之,成为城市夜晚户外照明的重要工具。人类社会的电力照明设备大致有这几个重要的发展成果：①白炽灯，主要以钨丝作灯丝因为钨有高熔点及低蒸发率。白炽灯的大部分辐射光是红外线，所以120V白炽灯的照明效率在2400K时约为8lm/W，一般100W白炽灯只有7%的电功率转变为可见光。②钨丝卤素灯，为削减钨丝蒸发率以增加其寿命及工作温度，在灯泡中添加卤素气体作成的钨丝卤素灯也较为流行。一般钨丝卤素灯均在高温工作，灯泡也较小，用的是比较坚硬的玻璃壳，其寿命比钨丝白炽灯要高两倍。③日光灯，一般日光灯用低压放电可以产生11000-13000K的高温，目前日光灯可以用的材料有汞即水银和钠，汞灯释放紫外线故多用于一般日光灯，灯管涂上荧光分以产生白光。④低压钠灯，用钠代替汞可以得到含有589nm及589.6nm的黄光但是钠熔点比汞熔点高，也比汞活泼，要用抗钠玻璃。大部分应用在街道级公路上。⑤高压汞灯，高压汞灯的一般功率变成热，所以效率不高，但是温度稳定性极佳，大部分应用在街道照明及商用建筑的照明。⑥高压钠灯，可以产生50-1000W功率，演色性差不适合用于室内照明。⑦金属卤化物灯，是在高压汞灯中加入了其它金属，这样可以改进发光效率及演色性。路灯的照明现状及发展1、随着城市道路、公园绿地的不端新建和改造，我国道路照明及景观照明在大中型城市电能奢侈严峻。以大中城市为例，据统计，一般城市，2000年室内照明的电费支出1200万元，2001年1830万元，2002年则为2300万元，三年间城市灯光的电费几乎犯了一番。我国是个发展中国家，在大部分中小型城市，夜12点后道路上几乎空无一人；随意是北京、上海、广州这样繁华的都市，凌晨2点以后，路上也罕见行人，车辆也比较稀有。从这一段干脆早晨6点，在低交通流量的道路上照旧保持较高照度明显是没有必要的。城市公共照明在我国照明耗电中始终占有较高的比例，以30％的比例计算，每年约消耗439亿KWH，以平均电价0.65元/kwh计算，一年开支285亿元。2、小型城市，包括大中型城市部分街道“有路无灯”“有灯不亮”现象严峻。有路无灯是一个普遍存在的问题，而有灯不亮则影响更大。据有关资料显示某市107国道某路段4公里，竟有近两年有灯不亮。该路段是一个主干道，车流量、人流淌川流不息，该路段夜晚频发交通事故，犯罪分子也乘天黑进行抢劫活动，当地群众对此反映猛烈。而且路灯设置被盗严峻，近年来路灯设施被盗案件时有发生，盗窃分子作案手段越来越猖獗，由于去偷灯门、镇流器，发展道现在偷盗电缆、供电变压器。由单独作案发展道团伙作案，由的甚至开吊车强行盗窃供电变压器，尽管路灯管理单位实行各种防盗措施，但是还是防不胜防。据了解，每年各个街道办路灯设施被盗干脆经济损失一、二百万，全市那年累计盗窃损失越二千多万元，这种代且破坏路灯设施行为必需整治不能再发展下去。否则，正常道路照明就难以保障从而会造成更大的公民交通和财产平安隐患。

3、路灯节点方式落后。目前国内绝大部分城市和地区大部分接受的是道路灯隔盏关灯的节点方法，该节点方法不仅导致了路面照度分布不均，给治安及交通买下了隐患，而且导致后半夜电网电压的上升，对路灯寿命造成影响。因此造成省电不省钱的结果。而美国环保局（EPA）早再1991年1月就已经提出实施“绿色照明（greenlights）”和推动“绿色照明工程（Greenlightsprogram）”的概念了，我们目前道路照明的现状是否只值得反思呢？2课题探讨的目的及意义2.1道路照明的作用道路照明作为城市中密度最大、数量最多的市政设施之一，其在城市景观中作用是不言而喻的，具有白天和夜晚双重景观作用。具体来说，道路照明的作用归纳如下：

1、提高夜晚环境质量

城市的夜晚因自然照明不足，一切陷于黑暗中，人们的活动受到限制。路灯创建了人工的照明环境，满足了市民活动的须要，使城市的夜晚因此而活跃起来。首先，增加了人们夜晚的能见度，提高平安感，创建夜晚舒适怡人的社会活动、交往空间；其次，保证车辆和行人夜晚活动的平安，削减夜间交通事故和犯罪、暴力事务的发生；最终，满足城市不同区域的功能须要，为各分区的活动和相互间的交通、联系供应照明条件。

2、美化城市形象

道路照明能明晰城市结构，将城市亮点有机联系在一起，表现城市夜晚整体格局，勾画出城市夜晚的轮廓线，产生良好的艺术效果。

3、促进经济旺盛

城市照明使城市经济活动时间增长，促进了旅游和消费，这是照明之于城市的经济功能，对比北京王府井、上海南京路、广州上下九等商业街照明所带来的经济效益就可知道。2.2城市照明存在的问题1、相识误区

从城市景观角度看待道路照明，不少人首先想到的就是路灯装饰化，在路灯造型上下功夫，专注装饰性而忽视功能性，或把路灯的功能性放在次要位置。这种相识特殊有害，不少城市在主干道大搞花灯、庭院灯，灯本身美仑美奂，但眩光、散逸光严峻，照明效果差强人意。

另一方面，不少人把景观照明设计简洁理解为以灯为景，把灯作为城市景观的主角。事实上，路灯本身是城市景观，特殊是道路景观的重要元素，但绝不是主角。白天，灯杆本身的设计再优秀，假如不能和四周的景观融为一体的话，确定会破坏城市景观。晚上，路灯的意义在于供应光明，营造气氛，为市民的交往、活动供应平安、舒适的照明环境。

2、现实问题近年来，我国城市道路照明建设取得了巨大成果，也存在许多问题。依据某权威人士从2001年至今曾到香港、北京、上海、大连、重庆、南京、杭州、苏州、厦门等城市进行路灯专题调研的结果来看，各城市的状况有所不同，但主要问题很相像，并结合实际状况，归纳如下：

(1)忽视人的需求

路灯对城市景观的最大贡献，在于创建平安、舒适的人工照明环境，符合人的需求，从而提升市民晚上外出活动的意欲，促进城市活动的发生和发展，构筑和谐、怡人的城市景观。而人工照明环境和市民心理感受的好坏，主要由路灯的照度和亮度、眩光限制、诱导性、光色等功能性指标所确定。因此，我们必需从人的需求动身，首先考虑路灯的功能性，严格依据国内国际标准，依据道路的车速、车流量、人流量等因素，为快速路、主干道、支路和居住区道路等不同等级道路创建漂亮的照明环境，构筑良好的城市夜晚景观。但不少城市在提升形象的口号下，以灯为景，以亮为好，过分强调路灯的装饰性，路灯造型五花八门，层出不穷，路灯和周边环境的协调性很差，反而对城市整体景观造成破坏；同时，忽视道路等级标准，全部道路都接受高亮度，破坏了城市夜晚的明暗层次和主次脉络，眩光、散逸光严峻，反而抑制了市民夜晚活动的意欲。

(2)缺乏城市特色

路灯造型“千城一面”，各城市间相互抄袭严峻，如上海世纪大道的球拍造型路灯，几年时间已飞遍全国，在大中小城市均能看到其身影。我国城市状况千差万别，城市风格各有特点，有的以历史见长，有的以现代取胜，路灯建设也应因城而异，反映城市特色。特殊一些历史文化名城，如西安、苏州的老城区，路灯造型要体现历史的厚重。

(3)缺乏整体性

目前，国内完成城市照明专项规划的城市很少，深圳已编制但尚未正式实施。由于没有统一规划，路灯的风格各异，造型五花八门，色调杂乱。一些分期建设的道路，各路段间杆型不统一，照度标准各异，甚至光色也不同，整体性无从体现。假如从整个城市层面看，路灯的整体性更差，各自为政的现象特殊严峻，路灯的选择往往在于领导的一句话。

(4)和夜景照明割裂

路灯和夜景照明都是城市照明的重要组成部分，两者的互补性很强，但却往往被人为割裂，规划、设计、建设分开进行，管理权限在许多城市也分属不同部门，往往路灯属于市政、电力部门，夜景照明则由市容部门管理。由于不能协调建设，不但效果欠佳，还造成奢侈。2.3我国在路灯节能方面的状况我国路灯照明节能的现状现在，尽管LED白光技术有了突飞猛进的发展，但是假如要将LED灯用在城市照明系统中还有不少问题须要解决，所以目前，高压钠等照旧是城市照明系统的主要照明工具。针对高压钠灯，有两种节能方式：1）接受半夜灯；2）接受调压的方式。半夜灯节能方式是最早的也是最干脆的节能方式。半夜灯是指在后半夜人流量和车流量较少的时候，关闭一部分灯以节约电能的方法。这种方法优点是投资小，操作简洁，但最大的缺点是道路照明不匀整，并且无法解决路灯寿命降低的问题。接受调压的方法不但可以做到节能，还可有效延长灯具的寿命，是一种比较志向的节能方式。传统的调压法节能包括：1）晶闸管斩波型照明节能方法。这种方法比照明系统的电压调整速度快，精度高，还可以实现可分时段，实时调整，同时具有体积小，成本低的好处。但这种方法会产生大量谐波，对电网有谐波污染，危害极大，因此不适宜用在照明电路中。2）自祸降压式调控方法。这种方法可以避开出现谐波污染，牢靠性也比较高，但不能升压和稳压，只能固定的降压，因此也不能推广运用。现在的道路照明设备大都是以气体放电为主的，在这种状况下，接受沟通斩波调压节能方法很具有可行性。这种方法不会造成谐波污染等后果，同时也可以稳压，降压，大大延长了灯泡的运用寿命，因而也降低了照明系统维护的成本。从这个角度来说，此种方法符合电力电子技术的高频化和低污染发展方向，将会得到越来越广泛的应用。目前，还出现了一种新型的节能方法，智能路灯节能方法。它有效克服了传统节能方法的缺陷，具有以下几个突出的优点：1）优化电力质量，大大节约了照明用电；2）有效爱惜电光源，增加其运用寿命；3）适用性较强、牢靠性较高；4）绿色环保，污染小。我国城市道路照明节能的措施城市道路照明系统节能的途径有许多，总结下来，节电效果较好的有合理地选择光源、科学先进的照明系统设计、照明限制系统合理和定期维护等几项。在选择光源方面，选用节能效果好的光源和灯具是第一步，选择标准包括经济性好、维护费用低、发光效率高、运用寿命长和显色性好等等。目前，高压钠灯由于其技术性能稳定和维护系数高等优点，已经成为了许多城市道路照明光源的选择。合理的道路照明设计对于照明节能很重要，在设计前要充分做好调研工作，然后在遵循国家相关规范和标准的前提下，细致考虑道路照明状况，道路交通状况和照明设施选择等等问题，最终再着手设计，否则图纸设计不当，会造成大量人力物力和财力的奢侈。路灯的限制设置要合理，争取做到限制便利、精确并且平安，实时性高，这也是路灯照明节能的一个重要方面。在道路照明系统节能过程中要做到降低照明线路无功损耗和缩小供电半径。因为当无功电流通过线路系统时，由于导线上有电阻会造成电能损失，并且损失会随着功率因数的降低和电力的增大而增加，最终导致路灯亮度降低，照明质量不能保证的问题。适当缩小供电的半径，可以减小电压降，因此供电半径一般选在500～800m为宜。为了更好的节能，定期对路灯系统和灯具维护时必需的。在检修过程中，拆除有潜在隐患的灯杆，更换低效率的灯具，可以最大限度的发挥灯具的照明特性，节约能源。3路灯节能的基本原理早期的路灯节能产品，是以SCR可控硅移相调压实现功率（亮度）调整，其工作原理如家用调光台灯，就象调光台灯上不能安装节能灯一样，这种设备不能限制带功率因数补偿电容的路灯。另外谐波电流电压产生电磁干扰，因此无法用于大功率照明节能。

经过历次技术革新，路灯节能产品不断升级换代。目前市场上路灯节电设备种类繁多，按限制方式可分为集中限制和单灯限制，按调整方式可分为固定降压、中途调整换档、碳刷无级调整，等等。但其基本的节能原理都是将供电系统的输入电压予以优化，接受DVR（电网电压调整）技术调整剩余电压，使输送给灯具的负载电压为最适宜值，达到既实现节电又保证照明要求的双重目的。

依据电工学基本原理：P=V2/R。设灯具上施加的电压为V，光源的阻抗（为简洁比方起见）设为阻性电阻R，那么它在电压V下所消耗的功率为P，若适当降低电压到V1值，则这时消耗的功率P1将随电压的平方关系下降。而P1小于原有电压V时所消耗的功率P，其有功节电率可表示为：

ε%=（1-V12/V2）×100%

只要电压下降的幅度不超过额定电压的10%，则绝大部分电器设备均可无阻碍地运用。4路灯节能的几种方法及分析对比4.1照明设备的节能4.1.1光源的节能道路照明系统应主动推广节能型的高压钠灯、金属卤化物灯。高压钠灯和金属卤化物灯是目前高强度气体放电灯(HID)中主要的高效照明产品。高压钠灯的特点是寿命长、光效高、透雾性强。可广泛用于道路照明、泛光照明、广场照明等领域。用高压钠灯替代高压汞灯，在相同照度下可节电37%。金属卤化物灯是一种在高压汞灯的基础上在放电管内添加金属卤化物，使金属原子或分子参和放电而发光的高压气体放电灯，它的特点是寿命长、光效高、显色性好，广泛应用于城市景观照明、商业照明、体育场馆照明等领域，用它替代高压汞灯，在相同照度条件下，可节电30%。大功率高光效LED是近年来国内外快速发展起来的新型光源，它具有光效高(≥90lm/W(1WLED))、寿命长(30000～50000h)、耐振动不易损坏、瞬时启动、光源中不加汞，无污染等优点。在同样亮度下，LED灯的耗电量仅为一般白炽灯的1/10，而其寿命却可延长100倍，特殊符合绿色照明的理念和要求，因此主动推广LED路灯具有重要的节能意义。4.1.2灯具的节能转变道路照明工程建设的传统规划观念，主动选择配光好、效率高、维护工作量小的灯具，如：LED照明，在达到同等照明水平的基础上，削减灯具的数量，从而起到节约能源的效果。各个城市可因地制宜选择太阳能路灯和风光互补型新型的路灯。考虑主干道接受高压钠灯照明；次干道和一般道路运用太阳能和电网自动投切供电的高效LED照明形式；城郊结合部道路主动推广高效LED太阳能或风光互补型路灯。通过削减路灯照明对电网供电的依靠，达到用电节能的目的。4.1.3选用节能型电感镇流器电子镇流器的工作原理是将50Hz工频电源先整流为直流电，再经高频振荡电路变为高频沟通电亮灯。电子镇流器接受有源功率因数校正的方法，其功率因数可达0.99，降低了输入电流，降低了供电线路的负荷和损耗。电子镇流器和电感镇流器相比，节电30%以上，对电网输电损耗削减70%以上。由于电子镇流器须要并联电容产生高压谐振点亮灯的特点，假如谐波限制不当，会增加电极溅射、电磁波污染严峻等缺点，但因其高的节能性、大量节约有色金属的优点，仍是路灯系统的首选。4.2路灯供配电系统节能4.2.1变压器节能保持变压器的高效率工作，是削减变压器损耗的基本手段。路灯供电系统应依据负荷大小，合理选择变压器容量和高效率的变压器，使其运行过程中保持较高的效率。同时在白昼期间对变压器实施高压侧切除，以消退变压器的空载运行损耗，也可实现节能的效果。4.2.2三相平衡合理布置变电站的位置，保持负荷的三相平衡，削减线路损耗，也能起到节能效果。4.2.3接受智能光源降压-稳压-调光技术在繁忙时段，限制路灯保持较高的照度，接近午夜时分，起先自动调光、限制路灯保持较低的照度，接受光源降压-稳压-调光技术在调光的同时大幅度降低了电耗，节约有功电耗达30%以上，接受此项技术还可延长路灯的运用寿命。4.2.4无功补偿由于道路照明灯具绝大部分属于感性负荷，运行功率因数往往不到0.5，所以线路中存在较大的无功电耗。假如将现有的供电系统电容集中补偿形式改造成单个灯具内进行功率因数补偿，则可将功率因数补偿到0.9以上，则可降低线损70%以上。4.2.5规范电工操作工艺在路灯规划和安装的过程中，通过进行合理的布局，尽量削减导线的接头、改善导线铰接工艺质量、做好连接导线处的绝缘复原等工作，来主动降低导线接触电阻的影响，达到电能传输线路损耗降低的目的。4.3路灯管理节能4.3.1合理确定照明标准依据道路类别、所在环境及在城市路网中的重要性等，确定所设计道路的合适照度值，不应盲目追求高照度。一般中小城市道路的平均照度取值接近设计标准的低档值，中心城市、大都市的设计取值靠近设计标准的高档值；即使同一城市，也可依据道路的须要合理的选择照度值，实现电能的有效利用。4.3.2半夜灯限制现在城市的主干道路幅较宽，较多的考虑运用了双臂灯或单臂灯，而下半夜，车辆稀有，比照明质量的要求可以适当降低。此外，现在许多三块板式的道路结构，在照明设计时通常考虑了快、慢车道及人行道的照明。而在后半夜，慢车道的非机动车和行人很少，比照明的要求不高。对于这些状况，接受全、半夜灯的运行模式，合理的关掉部分路灯照明，可取得较好的节能效果。4.3.3合理的养护和管理制度由于光源和照明灯具的污染，使光通量降低，这也是造成能源奢侈的缘由。制定合理的养护管理制度，刚好修复故障