智能路灯节电器的研制与应用

智能路灯节电器的研制与应用摘要：介绍了一种基于ATmega64单片机为核心设计的路灯节电器。本文分析了节电器自耦降压的工作原理、主回路控制电路工作方式。然后详细的介绍了实现节电器控制的硬件设计和软件编程设计，对节电工作的优先级进行了论述。通过实验测试，节电效果明显。同时，该节电器具有原理简单、控制方便、具有较高的性价比等优点。关键词：路灯节电器；单片机；节能引言随着各地经济和交通的的快速发展，道路照明质量不断提高，照明路灯设施规模越来越大，数量也越来越多，这对改善各地区的投资环境,促进经济快速发展，方便群众生活、美化城市起了很大作用，但是伴随而来的是能耗的大幅度提高，特别是近年来能源价格大幅度提升，使城市照明的电力耗费成为各地政府部门的一大经济负担；此外，经多方测试发现绝大多数城市路灯在夜间22：00以后，供电电压因用电负荷减少而升高15%左右，此时用电设备在高于设备额定电压状态下运行，将会导致设备过度发热，既缩短了灯源寿命，又增加了维护费用。另据有关统计，目前城市照明用电量接近发电量的15%，且照明耗能一直呈上升趋势，随着我国能源短缺，供电紧张。同时，许多地方存在用电效率低下、浪费严重之问题。所以，很有必要采用一种方便又经济的节电器来解决以上问题。经过理论分析和反复实践并多次电路改进，研制出了一种用单片机作为控制核心的智能型路灯节电装置（以下简称路灯节电器），经过实际应用其运行稳定、节电效果显著的特点得到了使用者的肯定。2．节电器主要功能：自动稳压功能：根据设定输出电压值自动跟踪调压，使节电效率达到最佳。显示功能：采用触摸屏显示，操作简易外形美观。定时起停功能：可实现：按经纬度控制开关灯；按固定时间表控制开关灯；按特定日期段的时间表控制开关灯；经纬度设定是根据当地的经纬度来判断日出日落时间，以便节电器准确的节电。控制功能：6路输出，每路均可实现独立开关灯控制，可自动实现半夜灯等功能。远程监控：可通过有线、无线（GPRS）方式进行远程监控。保护功能：可设置电压、电流极限值，自动实现过压和过载及超温保护。旁路功能:：可根据设定的电流变化率自动实现旁路全压启动。补偿功能：七级自动补偿，可根据设定值自动投切电容器组，保持最佳功率因数。扩展功能：系统设计多路开关量输入，开关量输出和模拟量输入。节电器的原理及主回路结构3．1节电原理图1变压器原理图汪节电器调压有岭多种方式，如舍调相方式、磁茧饱和稳压方式环、可控硅斩波巩方式等，调相区方式存在波形介畸变，对其他歇设备有干扰，哑不能满足要求弦；磁饱和方式古在大功率时因纳其体积庞大扣也不能满足要漂求；可控硅斩翼波方式谐波大技，实现正弦输掀出困难；自耦丸降压方式实现惭简单，可靠性乒也高界，命故背本设计采用自明耦降压方式。群根据自耦降压涛的原理，通过球自耦变压器的痛机芯，根据不煮同的电压输出听要求，引出不代同的接线抽头寨，将电网降为手几档，从而实椅现降压节能。话该方式条的变压器原理秘图如齿图援1梅，块根据理论计算猫和实验测试，盈降压节能不但毕是一种切实可浇行的方法，而誉且可以延长灯叔的寿命，具有笑双重意义上的巴节能。图1变压器原理图础合前适浙的照明亮度是椅节电过程要十满分重视的，节散电的基本原则被是龄保证不降低工猪作场所的视觉窄要求，保证照咱度标准和照明间质量的前提下炊，尽量减少照谁明系统中的能颈量损失，达到撑最有扑效的帐节能。根据有多关研究和实验陶，亮度与电压多的关系，魔电压降低辅在漂一定范围内杜，幻照度质量和刺效果没有显著肆的变化，肉眼慈无法觉察到变探化。图2电压与照度、灯具寿命的关系曲线饶图匪2夺是电压与照度翼、寿命的关系蓝，由图可见，撕灯具电压超过仿额定电捕压铺10冻%虹时，灯具寿命蔑降低一倍，灯默具电压为额衫定坚90哗%姜时，灯具寿命告提高一倍，亮拌度降党低丛7柴%予，此时与过乒压校10含%泊相比寿命适各长汽4荐倍，而且亮度似值与额定状态班相比仅衰灯减厅7嘱%舱，人眼对光线锯的感觉成对数册关系，即光线月亮度增益加凯1号0磨倍时，人能够倦感觉到亮度增灵加寇1数倍，而当光线纸亮度减建少三7婶%吸时，人眼很难雨觉察到，因此价，灯具电压为填额定削值许90女%生时为最优照明嫌电压。图2电压与照度、灯具寿命的关系曲线赢路灯斧节电器是一种绕智能化设备，贞它应用其独特行的控制方式，爹采用最先进微塞型计算机，对邮照明系统电压犁自动进行纲处理，使照明缴系统始终工作葛于最邀佳装状态，贪3郑．捆2最拍节电器结构与塔控制图3结构示意图电源操作模块液晶显示调压、稳压节电模块控制模块数据采集微处理模块输出模块功率因数补偿模块数据传输图4主回路控制系统图米节电器纠结锅构糠示意框图如图咏3亩，其鸟主回路姿电路浑如图奇3起，樱接触器有皱：禁KM锈0态为旁路接触器摔、严KM却1守和逮KM湾2京为节电主回路零接触器，晓KM射R鹊为过渡电阻控赴制接触器蜘，漫KM灯7术为封零接触器聪，暑KM立3以、宫KM摄4财、献KM圾5涉、贡KM庄6百为降压接触器轧。隆启动时，继电搁器眉KM庆0蒙先闭合，榴KM复1永和纵KM汽2庆吸合，转先全压窝启动秘，成（志因朵为感性寄负帝载充电，启动晨电压大，否则木灯不亮鱼）恋；一定时间后易进入节电状态阀，根据设置值搁逐步进行调压当稳压售，即其打换档时有严寺格的动作顺序捏，坝如挎从两KM7爆切换读至丛KM勒6啄动作顺序如下揉：嘴KMR并闭鹿合衬—刊KM7徒断开郊—获KM居1袋闭合析—惭KM轮R弯断开攀，提为了坝解决档位切换狂时既出现灯闪现象射，含每次调压切换由时先接通重过度电阻，井因毙此在一次档位波转换过程中有砍三个继电器动及作。偿根据一定的节拳电要求，图3结构示意图电源操作模块液晶显示调压、稳压节电模块控制模块数据采集微处理模块输出模块功率因数补偿模块数据传输图4主回路控制系统图馅4弦．份控制电路的硬亮件设计席控制电路是旗以慈单片机为核心斧，棍其硬件系统图彻如图趴4夸所示，其外围蔑电路包括：显记示、键盘、数乱字量输入、采蝇样电路等。价4旱.针1孙单片慢机扎石采用饭ATME特L脱公司生产的凉价格便宜、资萄源丰富、递功能强大劲的很AV主R稍单片毯机每Atmega摩6届4火来控制电路。饥该单片机具氧有息64K秤的馒FLAS励H点、缺2置K楼的辞EEPRO啦M性，擦茧写绘次数可算达滴1庆0落万次吨，可以用来存这储状态信息孙、养4读个定时评器勇/它计数器，可用蔬来设置溢出中前断、滑5缠3悔个毫I/胆O纤引脚碑，暗具枝有较大的电流超驱动能力，可搏以直帝接驱动液晶显腥示器而省去驱赚动电路自、面向字节昆的慧TW概I造串行接口风，板可以外挂其它部设备节血省徐I/竹O给口附、映2顺个可编程串播行副USAR仙T翼接口促支持全双工通喉用同不步还/递异步串行通信冻、劝8造通低道获1卖0炒位券A/窗D皇通道等籍。密4妖.蔬2郊继电器驱动电唇路乳继电器驱动电逢路如图领5涛，由单片机引糊脚域PE座0倍来控制继电触器鼓J拒1讲通断，底当黎PE转0阿发出高电平时娱，二极走管画Q自1访导通，继电蠢器刚J壳1论线圈也随之通户电，讨使长开触撞点栏K圣1机闭合裳，筒从而控制中间鲁继电器来控制芽主回印路继电器的开模合，化此时发光二极推管爱DS雾1骂发光以显示继酸电踢器介J欺1厅动作，二极管丛起续流作用。图5单片机控制系统渴4妥.谊3作电压电流采样茶电路图5单片机控制系统清为了判断控制债节电档位及节疤电与否，必须顺对电压电流进突行采样，其采仗样电路如图降6纵，割通过电流互感块器系采出蛇电压，徒共模电感提高姐对共模干扰的余影响，电情容秤C牧1战、沃C眯2泛进行滤波，愿再通过电压转铺换器转换为直禽流型信号，最株后通过放大器薯隔离为单片机赢提供锅采样隔信号。图6采样电路图6采样电路窗4撞.恳4群其它电路绞时钟电路采用便时钟芯片，通巾过单片机特的翻I篇2C症总线来云通讯，同时为矛了断电造成芯愁片停止计时，边需另加一个电忘池；数字量输促入电路通过光变耦隔离把信号腐送给单片机；茎显示电路采用餐串行方式，接勿上数据线、时兔钟线、复位线铁、片选线等信降号线，来控制融液晶显示；键宪盘可由单片机柏直接却驱动。灶5拦．仆控制电路的软锤件设计沙软件编程采用捉模块化隐设计型，来以主程序为核耽心，令子程序菊分为几个模块芽：键盘检测模初块、液晶显示洁模块、时钟模忌块册且、通讯模块等化，实现相应的庸功能。程序态系统程序淘流程图为图洞7议，先初始化单誓片机铲的济I/蓝O驱口、定时猴器虎/冲计数男器条T民1第和就T成2升、通讯串赚口泼UAR颠T替、模数转毯化迁A/朗D巾等外设多，固接下来把时钟鼻芯片中的时间疑通糖过酸I逆2C伐总线读到芯片俯中，以便显示闸出当地时间；冰同时把电压、础电流通过互感拦器采段到众A注D寸口胀经吩A昆D极转换程序显示竖，液晶显示程遥序是程序的主芦要模块，是控厅制器的人机接丑口界面稿，具有两级菜你单，可以设置须各种不同的功购能，如经纬度遮设定、固定节弟电时间设定、侵时钟设定、通午讯参数设定等巨。各种功能的不编写都有一定敏的算法，根据阔需要改变继电率器的动作顺序限及状态。恩经纬度设定盆输入经纬度系恶统会根据当地贼的经纬度计算订出日出日落时血间，从而册确定开灯延迟稠时间及关灯提陪前时间。胃其流程图如图权7断，挠已知：日出日似落反位置纪h=肢，经畜度隆Lon袋g奋，纬过度被Gla她t与，时村区逮Zon届e爬，第一次计算谢时简的日在出日落时间芒UT0=菌，其亲中况day通s迎是格林威治时暖间棚200散0妙年狗1创月蚕1漂日迹到计算日的天每数树，泻t督为格林威治时蚊间稿200碍0矛年执1棚月利1锡日膜到计算日的世蕉纪数盟，宇L未为太阳的平黄兼径检，绣G墨为太阳的平近居点角很，笔Q乱为太阳的黄道旷经度悠，桂k歪为地球的倾角岗，带d栋为太阳的偏差简，件GH睁A社为太阳的时间匪角，缠e浇为修正值，流阔程图中公式中铺的烧“凳”森，忧“剃+幼”侵表示计算日出典时间越，阅“倦-天”禽表示计算日落继时间。上面计稼算的单位为度敢，即衡=1葛2有小时，雁故谈最后搭转化为小时表击示的时间蚕为祖T=UT/1泳5+Zon从e带。杠时空方式有按瞎经纬度设定工唱作、按固定时谷间设定工作、悠按特定节假日俗工作三种方式准，功能设置中采应处理好优先伸级的顺序，档破位的选择和回互路的选择应以征手工操作为第剑一级，吼次级芽以稳压功能的拔设定来确定最已优档位，最后亏根据三种工作补方式的优先级巡来确定。而节丢电时间则以特首定日期段设定施为优先级最高借，次之是特定蛛时间段最后为祖经纬度设定阿。图7系统程序流程6．成功案例图7系统程序流程美根据设计图纸片由中能惠天节稼能科锦技绢(拿北叉京冻)分有限公司进行宿加工生产并投初入使用，离与泉200倡7穴年脆8添月份安装于西这北某市，鼠图勉8授为外观和内部肯结构图荣：图8节电器结构图全柜体用棵2mm姓冷轧钢板静电沉喷塑，牢固而启耐腐蚀；输规格桑：券600*70惭0*180姿0搬，宵采用防雨设计欲，前后开门便富于操作和维修械，保门内有密封条蛮，怖严密性拌较好菌，申门四周设流水筐槽，如有雨水坟侵入便从流水张槽内排出，不公会危害电器元赛器件；上盖内豪安装两台小型浸排气扇，四周友留有散热孔，掀边缘蹦有草滴水尿沿，南在内部温度超栏过两75缓℃隐时柳排气扇降自动启动，从僻上盖四周排出包，柜体下侧两鉴边有进气校孔握，其进气电孔内部贴架有过滤网，防分止小虫及杂物牌进入汗。图8节电器结构图包主回路接触器犹及继电器使习用孔“购正盼泰少”债系列产品，联对结导线端头全件部做涮锡处理传，遍使用氏线槽配线狭，框整齐美观壳。图9安装于某市节电器分布图双此次在西北某辩市脆安精装是1桌8离台，猫其候市区中心各路穿段安装位置见肯图膏9从：图9安装于某市节电器分布图讯经过一段时间幕的运行与观察瓶，其性能稳定毒，节电效果显歇著，具体工作颈实测参数如下粉表肾位置编号谊节电器容量邪运行时间些（小时）抖稳压设置值饭（芬%棚）贱旁路时工作电旱流去（沸A顽）盛节电时工作电鲜流鄙（涝A杜）贿节电率忘（窄%低）绳1帽单暖相捐100A减350喷1拢2躁80.9金55慈32雷2花单烫相孙100A响320宰15扎4薯4丘．参16林26.5短40焰3熟单够相蹦100A拼260科15励98红64姜34.7衫4碧单梁相洒150A蚕330蚁15避100.78便64.5墨36妹5剥单汉相呆150A客270愚15捡133.3承80兔40希6菜单旬相肠150A估260狂15题130.7清86锦34.2平7局单睛相趁150A颈260使1庆2荐121.4袜85撇30担8按单关相榜150A殊360么15紧94.84代60.7晨36价9兔单相塘30甚0A夫250汇15薪121辣75虎38脱10踢三畏相条100A猴50虑15静47.8猎95.7四65.2耳32贱67鼻45麦平乎均君31袜11由三映相它100A腔160荷15理64.5宴21妄41.9吹46晋13.9驻27缓平依均孝33收12乡三园相殖100A船110备15贯64.1岭29.2白29.8哥41.7恨19赖20圆平是均算34惹13烧三昆相楼100A领190歌15胳3.9躲22.9永19.3裁2.7仓15.1秧13.1悬平均证32里14尚三黄相自100A还200膊15救22.8堆68况64佳15.5傲45.3杆48.8采平均淋34俩15谋三第相判100A守90恐15冒18.6袋21.7旧20.2起13.1涝14.6遮13.4页平滚均栽32串16至三落相通150A悦80缎15届50.5瑞51.2狡86探33.7客33.7碧59.1藏平核均丛33渴17邮三各相竿150A备140蛮15计26.4评111.1弦116.6做17.7杠73.