智能节能路灯控制系统的硬件设计

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文哈尔滨理工大学学士学位论文-PAGEII--PAGEIII-智能节能路灯控制系统的硬件设计摘要由于当今社会能源问题已经日益突出，能源的紧张已经严重制约了我国的经济发展，而在我国的整体用电中，照明用电又占有很大的比例，城市路灯是现代城市建设中重要的组成部分，照明耗电吞噬着我们的电力资源。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内得以缓解，照明行业节电成为了我们的必然选择。本文研究的智能路灯节能控制系统是基于单片机的智能控制系统，通过配套的功率变换组件，可在路灯的启动停止和运行中，有效的调节路灯的端电压，控制路灯的照明和亮度，从而改变了路灯再不同时端的耗电量，改善了功率因素，达到了节约电能的目的。本文结合国内外最新研究成果，比较集中常用的路灯节能控制方法。讨论了给予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，最后对系统进行了仿真和调试，并对实验结构进行了分析。关键词照明节电；单片机；智能控制Intelligentstreetlightenergyconservationcontrolsystem'shardwaredesignAbstractBecausenowsocialenergyquestionalreadydaybydayprominent,theenergyintenseseriouslyhadalreadyrestrictedourcountry'seconomicdevelopment,butuseselectricityinourcountry'swhole,lightingelectricityalsoholdstheverygreatproportion,theurbanstreetlightisinthemodernurbanconstructiontheimportantconstituent,theilluminationconsumestheelectricitytoswallowourelectricpowerresources.Butgenerateselectricitytheinvestmentinenterpriseandtheconstructionneedsforonelongcycle,thefasteconomicdevelopmentneedaremoresufficientelectricpowersupplyandtheconsumption,betweentheelectricpowersupplyanddemandcontradictorylayeronlayer.Theelectricpowersupplygapisverydifficulttobeabletoalleviateinashorttime,theilluminationprofessionelectricitysavinghasbecomeourchoiceinevitably.Thisarticlestudiestheintelligentstreetlightenergyconservationcontrolsystemisbasedonmonolithicintegratedcircuit'sintelligentcontrolsystem,throughthenecessarypowertransformationmodule,instreetlight'sstartstopsandmoves,theeffectiveadjustmentstreetlight'sterminalvoltage,controlsstreetlight'silluminationandbrightness,whenchangedthestreetlightisagaindifferenttheendpowerconsumption,improvedthepowerfactor,achievedsavedtheelectricalenergygoal.Thisarticleunifiesthedomesticandforeignnewestresearchresults,comparedwithcentralizedcommonlyusedstreetlightenergyconservationcontrolmethod.Discussedhasgivenvariablereactancetechnologythepowerunitstructureandthesystemconstruction.Describedthestreetlightintelligentcontrolsystem'shardwarearchitecture,thecircuitdesignindetail,finallyhascarriedonthesimulationandthedebuggingtothesystem,andhascarriedontheanalysistotheexperimentstructure.Keywordsilluminationelectricitysaving;Monolithicintegratedcircuit;intelligentcontrolPAGEII---PAGEIV-目录摘要…… =1\*ROMANIAbstract =2\*ROMANII第1章绪论……………………11.1课题概述…………………11.1.1课题研究的背景…………………….11.1.2课题研究的目的及意义…………….21.2课题的国内外研究现状…………………21.2.1国外研究现状……….21.2.2国内研究现状………..31.3论文的主要研究内容……………………3第2章智能路灯节能控制系统方案设计…….42.1智能路灯节能控制系统的构思…………42.1.1传统节能方法……….42.1.2具有智能控制的节能方法………….42.2智能路灯节能控制系统方案设计………52.3智能路灯节能控制系统结构设计………72.4本章小结………………7第3章检测与采集设备设计…………………103.1硬件结构设计…………...103.2光学信号的采集与检测设计…………...113.2.1光源检测原理………113.2.2检测装置所需器件及选型…………113.3声学信号的采集与检测设计…………...133.3.1声学检测原理………133.3.2检测装置所需器件极选型………….143.4功率变换单元与触发控制系统设计……163.4.1功率变换单元设计………………….163.4.2触发控制系统设计………………….193.5本章小结………………...19第4章智能控制器硬件设计…………………214.1智能控制器硬件设计……………………214.1.180C51单片机的基本结构………….214.1.280C51的应用模式…………………224.1.380C51的内部结构………………….224.1.480C51的并行口结构和操作………234.1.5并行口的负载能力…………………244.2模/数转换器的设计…………………….244.2.1逐次逼近式ADC的转换原理……..244.2.2双积分式ADC的转换原理………..254.2.3A/D转换器的主要技术指标………..254.2.4ADC0809芯片及其与单片机的接口………………254.3数/模转换器的设计…………………….274.3.1D/A转换器的原理………………….284.3.2D/A转换器的主要性能指标……….284.3.3DAC0832芯片及其与单片机接口…………………284.4开关量接口……………...304.4.1开关量输入接口……………………304.4.2开关量输出接口……………………304.5显示器及其接口………...314.5.1七段显示器的原理………………….314.5.2显示方式及接口…………………….314.6本章小结………………...32第5章系统可靠性的提高……………………335.1电源干扰及其抑制……………………...335.1.1交流电源的干扰及其抑制方法……335.1.2直流电源抗干扰措施………………335.2地线干扰及其抑制……………………...335.3其他提高系统可靠性的方法…………...345.4本章小结………………...34第6章系统的建摸与仿真……………………356.1可变电抗变换器建模与仿真…………...356.2智能路灯节能控制系统的等效模型仿真……………...366.3本章小结………………...39结论……………..40致谢……………..42参考文献………………………..43附录……………..45-PAGE10--PAGE31-绪论课题概述课题研究的背景随着社会的发展，能源问题已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，电力紧张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。而在我国的整体用电中，照明用电又占有很大的比例。城市路灯是现代城市建设中重要的组成部分，它服务于交通安全和人们的生产、生活，美化了城市容貌，为创建良好的投资环境起着举足轻重的作用。随着我国经济的发展，照明路灯的数量越来越多，其用电量占城市的总用电量的比例也在不断增加。据统计显示，我国在路灯照明方面每年消耗超过1000亿元的电费，其发展速度十分惊人。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。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内得以缓解，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！另一方面，在后半夜因行人稀少，而应降低路灯的照度，以避免光源污染，影响居民的晚间休息。但是，由于后半夜是用电低谷期，电力系统电压升高，路灯反而比白天更亮了。这不仅造成能源浪费，还大大影响了设备和灯具的使用寿命。目前，路灯照明广泛使用高压钠灯，其设计寿命在12000小时以上，在正常情况下至少可用3年，但是由于超压使用，现在路灯灯泡的实际寿命只有1年左右，有的甚至只有几个月，造成维护和材料的浪费极大。较高的电压不仅不能让负载设备更有效的工作，而且会引起发热和过早损坏，还会产生不必要的电费开支。基于以上原因，很有必要适当降低用电设备的电压。此外，在电力供电输送过程中，为了避免送电过程中供电线路的损耗，要以较高的电压传送以确保用电设备达到额定电压。因此，路灯系统实际的承受电压通常会高于本身的额定电压。在电网电压高于设备额定电压时，电源向设备供应的电能完全消耗在设备上。设备所需要的能量只是电源供应的电能的一部分，另一部分则以发热等形式消耗掉了，这部分不仅造成浪费，也减损了设备的使用寿命。一般情况下，电网电压高于设备额定电压，如果不装路灯节电器，则电源向设备供应的电能完全消耗在设备上。设备真正发挥作用的能量只有有效电能，另一部分无效电能则以发热等形式消耗掉，依发热等形式消耗的能量减损设备寿命，同时浪费用户金钱[1][2]。课题研究的目的及意义正如前文所述，路灯照明建设不仅仅存在电能消耗过渡的问题，路灯直接全压启动时所产生的大电流也会对路灯、电网机电网中的其它设备都会造成影响，因此，路灯的节能控制技术已成为热门的研究课题。路灯是我国经济发展和国际建设必须的用电设备，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，降低生产成本，有利于我国经济的快速发展[3][4]。本文研究的智能路灯节能控制系统是基于单片机的智能控制系统，通过配套的功率变换组件，可在路灯的启动停止和运行中，有效的调节路灯的端电压，控制路灯的照明和亮度，从而改变了路灯在不同时段的耗电量，改善了功率因素，达到了节约电能的目的。课题的国内外研究现状国外研究现状近年来，国际节电研究界提出了一种叫“在保证照明效果下点着灯节电”的新概念，这样的概念才是科学的，合理的，这是发达国家道路照明系统的重要设计思想[5]。近20年来，美国和日本照明节能集中在使用紧凑型银光灯(CFL)和银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%。二两个国家在销售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，鼓励和普及活动这三方面做文章，旨在推动节能产品的广泛使用。一个国家的民众、经济和能源情况均有所区别，所以在节能的措施上也有所差异。电费的高低是决定能效因素的首要考虑内容。日本电费在发达国家中最贵，约美国的2.5倍，因此，在日本推进节能工作即早又容易，只要提供相应产品的信息就可以使他们购置节能产品，当然像税收上的一些鼓励政策也会起点作用，但远没有电费价格的驱动力。倘若有些消费者在推进采用节能产品是不那么积极的话，那么使用立法和宣传活动就能鼓励消费者购买节能产品，这就取决于采用的方式方法了。总之电费是起到推动该国家节能产品使用的有利杠杆。国外照明节能技术的发展具有以下特点[6]：（1）大力推动绿色照明，在光源的材料，使用规范上加以有效管理，出台了一系列的标准和管理要求，将照明节能推广到全民范围；（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设备的功率因素；（3）积极推广节能奖励政策，鼓励民众节能，节电，建立了完善有效的奖励机制。国内研究的现状目前我国市场上有多种路灯节能控制产品，能达到一定的节能效果，但就功能和效果上还不能尽如人意，主要有以下几类情况：采用自耦变压器及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，则不能避免灯具要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[7][8]。针对磁饱和电抗器来说，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，使荧光灯及气体灯不停闪动，减损灯具寿命及相关附件的使用寿命，降低照明质量，既不体现绿色也不体现环保，国家相关规定已明令禁止使用这种无功率补偿技术设备[9]。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。一个较为理想的智能路灯节能控制系统一般应具备如下性能：（1）软启动软过渡性能。稳定的高质量软启动功能大大减缓灯具启动过程中冷启动大电流对光源的冲击，从而延长光源的使用寿命[10]。（2）稳压性能。避免灯具由于上述原因产生的高压冲击或灯具熄火，同时不产生高次谐波，不污染电网[11]。（3）降压和补压性能。通常条件下，为了节约能源，我们会采取降压的方式来达到节能；补压功能则可以使得当路灯电压低于设定值时，微处理器迅速反应给予补偿，避免了灭灯现象。（4）绿色环保性能。智能路灯节能控制系统自身不应产生谐波畸变，并对路灯电器产生的谐波具有抑制功能，不对电网造成污染；同时能避免闪烁、炫光等光污染对人类的危害[12][13]。论文研究内容本文结合国内外最新研究成果，比较集中常用的路灯节能控制方法。讨论了给予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，最后对系统进行了仿真，并对实验结构进行了分析。论文研究的主要内容：基于可变电抗技术的功率单元系统结构设计；路灯节能控制系统硬件设计；路灯节能控制系统的仿真和试验研究。智能路灯节能控制系统方案设计智能路灯节能控制系统的构思传统节能方法（1）控制节能方法长期以来，国内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：根据开关等时间表有值班人员手动进行开/关灯操作。时控节能方式：以时间为唯一的开关依据，不论强项条件如何变化，均只能在规定时刻开关灯，随季节变化人工干预调整开关时间。光控节能方式：按光照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，国内大多数城市路灯的开/关灯控制有个变压器（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，即使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[14]。这样不仅消耗大量人力资源，还可能由于调整不及时而造成浪费。（2）光源节能方法近年来我国节能点光源产量发展迅猛，各类节能卤钨灯、荧光灯和高强度气体放电灯年产量已达4.5亿只，节能光源已经开始大量代替原有的路灯光源。使用节能灯具可以在获得相同照度的情况下大幅降低能耗，同时节能光源具有较长的使用寿命，可以节省大量的灯具成本消耗。但光源节能方法也存在着许多不足：首先，我国还没有建立统一的、指令性的照明节能法规，节能光源标准不一；其次，节能光源与环境保护存在一定矛盾，主要是汞污染的防治问题还有待解决[15]；同时在产品结构上，节能性产品所占比例仍然很低，仅占光源总产量的12%左右，其质量水平和生产技术装备水平与国际先进水平还有一定差距。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。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：将可变电抗器的一次绕组直接与路灯负载相连接，在变换器中增加二次线圈，将二次线圈与功率变换器以及智能控制器连接。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，达到改变了变电抗变换器一次阻抗的目的，进而改变路灯的输入电压，使路灯既可实现软启动又可以对其进行调节。其工作过程为：首先，通过光照信号的采集，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压；如果实时车辆与行人的流量较小，即需要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几，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，在这段时间内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，从物资的消耗上节约其成本，以达到更高效率的节约[16]。智能控制器作为整套系统的核心部分，采集的信号通过放大、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和声音信号两种，其中光信号用来控制整套系统的启动和停止，而声音信号则用来实时反映外部环境的要求。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：（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范围内，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供销两方面来说都具有十分重要的意义[17]。所以无论在用电高峰还是低谷始终将供电电压稳定在规定范围内是路灯控制首要解决的问题。（2）软启动功能：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，而且该启动电流会引起电网电压急剧下降，电压频率也会发生变化，这会破坏同电网其他设备的正常运行，因此使用软启动功能来点亮路灯可以防止启动时大电流对照明设备的不良影响[18][19]。（3）自动起停：路灯作为我们日常生活必备的公共设施，它的启动和停止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。（4）具有较高的使用效率：现代大功率器件的控制理论中所遵循的一条基本原则是使大功率器件在运行使用过程中尽量不受电网中谐波的影响，使其电压调节平稳，这样就可以大大提高负载的使用寿命。因一条或多条街道上的路灯数量从几十盏到数百盏不等，并联后可视为大功率电器，所以使之具有较高的使用效率也是我们要考虑的重要因素之一。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，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压的高低。通过控制路灯输出电压的大小，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车的正常通行），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的突破，其综合性能如表2-1所示。由下表可知，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、光源节能方法相比较，具有明显的技术优势，从产品的成本和其消耗使用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。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电网谐波大大小负载容量适中适中较大节能效果较好好好表2-1几种路灯节能方式比较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。其中可变电抗器与功率单元共同组成本文所提出可变电抗器，其变换原理如图2-1所示。图2-1可变电抗器阻抗变换原理图将可变电抗变换器的一次线圈与路灯负载串联，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图2-2所示。触发装置触发装置晶闸管工作脉冲生成电压受控晶闸管工作脉冲生成电压受控图2-2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是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启动，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由光学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，将此信号输入到智能控制器中，由智能控制器来调整路灯的输入电压，将路灯的照度与实际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2-3所示。路灯开启关断光学传感信号采集声学传感信号采集调节路灯亮度智能控制器路灯开启关断光学传感信号采集声学传感信号采集调节路灯亮度智能控制器图2-3智能控制器控制流程图本章小结本章主要介绍了智能路灯节能控制器的设计思路，提出了设计方法，并对本设计的发展前景做了分析和预测。思路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。对比了传统节能方法和智能路灯节能方法的节能效果和经济效果，得出了应大力发展智能路灯照明的结论。检测与采集设备设计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、A/D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，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。声音信号声音传感器声音传感器信号放大信号放大A/D转换A/D转换CPU信号采集与处理CPU信号采集与处理光信号光学传感器光学传感器开关电路开关电路D/A转换功率单元D/A转换功率单元受控路灯受控路灯图3-1硬件结构框图光学信号的采集与检测设计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，而光电效应是指物体内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三部分组成。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能量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，从而使受光照射的物体产生相应的电效应。通常把光电效应分成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内光电效应，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。检测装置所需器件及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，因此只需要具有内光电效应的光敏器件即可。光敏器件包括光敏电阻、光敏二极管极光敏三极管等。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，使用时可加直流电压，也可以加交流电压。图3-2为光敏电阻的工作原理图。当无光时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮阻值）急剧减小，因此电路中电流迅速增加[20]。光敏电阻图3-2光敏电阻的工作原理图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结的面积做的较大。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，当无光照时候，它与普通二极管一样，反向电流很小（〈μA）,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，光电载流子参与导电，形成比暗电流大的多的反向电流，该电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。 —+VD图3-3光敏二极管符号示意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，基区面积做的很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流：Ieco=(1+β)Icbo(很小)，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。集电极电流：Ic=(1+β)Ib,可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。+VT—图3-4光敏三极管符号示意图由于本系统设计的光源采集为系统启停提供控制信息，所以采用光敏电阻既可满足需求。光敏电阻和其它半导体光电器件相比有以下特点：（1）光谱相应范围相当宽。根据光电导材料的不同，光谱相应可从紫外光、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应度；（2）工作电流大，可达数毫安；（3）所测量光强范围宽。既可测强光也可测弱光；（4）灵敏度高。光导电增益大于1；（5）偏置电压低，无极性之分，使用方便。图3-5所示，利用光敏电阻控制路灯自动启停电路。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点燃和熄灭。工作原理是：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J动作，使其常闭触点断开，路灯熄灭。图3-5采用光敏电阻控制的路灯自动点熄电路声学信号的采集与检测设计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感器，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并发送至单片机，单片机根据输入的数字信号进行处理，并经量纲转换出所对应的DB值，最后在单片机控制下由LED时实显示出来。A/D转换器A/D转换器LED显示LED显示单片机单片机运算放大器传声器声音信号运算放大器传声器图3-6声音检测结构框图检测装置所需器件极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，是将声源通过空气震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—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）传声器的频率响应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。在给定的频率范围内，频响的不均匀度以dB来度量。频响特性是评价传声器音质的最重要标准，如果频响曲线从低端到高端都很平坦，则说明它能真的再现原声，而事实上即使最高级的传声器也存在高频提升、低频下降的情况。因此，在一定频带宽度内频响的不均匀度越小，其有效频率范围就越窄。为获得良好的音质，要求传声器的频响应具有宽而平直的特性。（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。不同的声波入射角所得入射角频率曲线，就是传声器的指向频率曲线。通常以传声器与声源同声轴0°（正向）90°（侧向）和180°（背向）这三种角度来测定其频响，从中确定其频率特性。正背相差越大，指向性就越强。传声器的阻抗指传声器的交流内阻，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）传声器的最大声压级在强声压作用下，传声器输出产生非线性谐波失真达到0.5﹪—1﹪时的声压级。它是衡量传声器性能优劣的一项重要指标。（5）传声器的等效噪声级传声器的等效噪声级也称固有噪声。在理想情况下，当声压等于零时，传声器的输出电压也等于零。事实上由于传声器的内部或外部导线中分子的热运动，周围空气气流的微弱变化，使传声器在无声压作用于振膜时仍有一定的电压输出，这个电压称为传声器的固有噪声或固有噪声电压。通常用等效噪声声压级来衡量传声器固有噪声的大小。传声器的等效噪声级与灵敏度有关，在固有噪声相同时，传声器灵敏度越高，等效噪声级越小。通常高保真传声器的等效噪声级≤26dB。（6）传声器的失真度传声器的失真度的含义是声源信号经传声器失音后音频畸变的程度。当传声器的振动波形与声源不同，某些频率与声源出现增减，便产生了非线性谐波失真。虽然有的传声器的振动波形与声源相同，但一些频率或谐波的强度与声源不同，就产生了线性失真，也称之为频率失真。当作用于传声器的声压超过最大声压级时，传声器输出信号的非线性畸变会超过容许的范围而不能校正。（7）传声器的动态范围传声器所能拾取声音音量的大小，上限受到线性失真（最大声压级）的限制，下限受到等效噪声级的限制，因此，传声器的动态范围是最大声压级与等效噪声级之差。显然，最大声压级越高则等效噪声级越低。传声器的动态范围就越大，越能适应拾取音量变化范围大的声音的需要。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；按接受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型指向性、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。主要由振动膜片、音圈、永久磁铁和升压变压器等组成。他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感线的运动。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、稳定可靠、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、频率范围窄。近几年已有专用动圈传声器，其特点和技术指标都较好。（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3-7所示，主要由振动膜片、钢性极板、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，从而完成了声电转换。电容传声器的频率范围宽、灵敏度高、失真小、音质好，但结构复杂、成本高，多用于高质量的广播、采音、录音、扩音中。极板膜片空腔RE图3-7电容传声器的结构示意图（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相同，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，表面永久的驻有极化电荷，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、适用方便，被广泛地应用在盒式录音机种作为机内传声器。（4）无线传声器无线传声器实际上是一种小型的扩音系统。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发射出去，其发射频率范围按国家规定在100MHz-120MHz之间，每隔2MHz为一个频道，避免互相干扰。无线传声器与接收机一一对应，配套使用，不得张冠李戴，出现差错。接收机是专用调频接收机，但是一般的调频接收机只要使其频率调整在无线传声器的发射的频率上，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、音质量好、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、电视摄制方面取得了广泛的应用。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、频响范围宽的传声器。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范围是20Hz-20KHz，适合于高质量的拾音。国产电容式传声器用CRX-X表示，如CR1-6,CRGI-2等。功率变换单元与触发系统设计功率变换单元设计方案中已阐明，功率变换单元处于可变电抗器低压控制绕组侧，我们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[21]。功率变换单元拓扑结构如图3-8所示。图3-8a)为单相功率变换单元，作为单相可变电抗器阻抗变换调节，图3-8b)为三相功率变换单元，作为三相可变电抗器阻抗变换调节。(a)单相功率变换单元(b)三相功率变换单元图3-8功率变换单元拓扑结构晶闸管调压电路如图3-9所示。图中a0、b0、c0、N0分别与可变电抗器低压侧连接，电抗变换器接线原理图如图3-9所示。当路灯开始启动时，电网三相交流电经可变电抗器高压侧（即AX、BY、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。在每半个周期内通过对晶闸管开通相位的控制，可以方便的调节输出电压的有效值，实现三相交流调压。图3-9可变电抗变换器接线原理图根据三相联结形式不同，三相交流调压电路具有多种形式。包括星型联结、线路控制三角形联结、中点控制三角形联结。这里采用了星型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，当晶闸管交流调压电路带有阻感性负载时，只有在φ<α<180°范围，才能起到调压作用。φ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，电源内阻抗为零；（2）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）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形在不同α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α由大到小变化使路灯所得电压也随之升高，而路灯上电流变化的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内电压波形导通角的大小，所以输出的不是正弦波，但由于晶闸管是对称触发，所以每一相负载上所得到的电压及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3-10所示，其中α角为触发角，φ角为续流角，θ为晶闸管真正导通角，U1为路灯相电压。θ角决定了晶闸管的输出电压，故改变θ角的大小就可以调节电抗器低压侧电压U1。VT4XVT1U0U1RAUU1φ0φωtαθ图3-10晶闸管交流调压原理与工作波形图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60°；共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120°；共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120°；同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2脉冲相差180°。整流输出电压一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该脉动电路为6脉动整流电路。（3）在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有触发脉冲；另一种方法是，在触发某个晶闸管的同时，给序号在其之前的一个晶闸管补发脉冲，即用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差60°，脉宽一般为20°~30°，称为双脉冲。触发控制系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以实现交流调压。控制触发系统结构原理图如图3-11所示。六路双窄脉冲形成器六路双窄脉冲形成器脉冲变压器板功率放大脉冲形成同步电路脉冲变压器板功率放大脉冲形成锯齿波形成电路偏移电路移相控制电压脉冲列形成器脉冲列形成器图3-11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KJ004形成触发脉冲，它有如下特点：（1）输出两路相位相差180°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）移相范围宽，对同步电压要求很低，有脉冲列调制输出端等功能特点。脉冲变压器原理如图3-12所示。图3-12脉冲变压器电路原理图二极管D11与D12用于防止场效应管T1（图3-12）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T1起电气隔离作用，防止由于晶闸管的损坏而将高压电串至脉冲回路。本章小结本章主要介绍了智能路灯节能控制系统的硬件部分组成，光信号的采集与处理装置，声音信号的采集和处理装置，同时给出了怎样实现路灯的软启动方法，实现了路灯端电压的自动调节，使路灯开启对电网产生很小的干扰。介绍了功率触发单元及可变电抗器的工作原理。智能控制器硬件设计智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、信号输入输出及信号显示单元组成。信号采集单元前文已有阐述，这里不再做讨论。微处理器是本控制的核心，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[24]。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，可以缩短开发时间，降低产品成本。因此，本系统选择单片机作为微处理器[22]。本系统中采用的是Intel公司推出的MCS-51系列单片机以其典型的结构、完善的总线、特殊功能寄存器的集中管理方式、位操作系统和面向控制的指令系统，为单片机的发展奠定了良好的基础。属于这一系列的单片机有多种型号，如8051/8751/8031，8052/8752/8032，80C51/87C51/80C31，80C52/87C52/80C32等。在功能上，该系列单片机有基本型和增强型两大类，通常以芯片型号的末位数字来区分。末位数字为“1”的型号为基本型，末位数字为“2”的型号为增强型。如8051/8751/8031、80C51/87C51/80C31为基本型，而8052/8752/8032、80C52/87C52/80C32则为增强型。在单片机程序存储器的配置上该系列单片机有三种形式，即掩膜ROM、EPROM和ROMless（无片内程序存储器）。如80C51含有4K字节的掩膜ROM，87C51含有4K字节的EPROM，而80C31在芯片内无程序存储器，应用时要在单片机芯片外部扩展程序存储器。根据设计需要，我们选用80C51系列单片机。80C51单片机的基本结构80C51单片机主要由以下几部分组成：（1）CPU系统·8位CPU，含布尔处理器；·时钟电路；·总线控制逻辑。（2）存储器系统·4K字节的程序存储器（ROM/EPROM/Flash，可外扩至64KB）；·128字节的数据存储器（RAM，可再外扩64KB）；·特殊功能寄存器SFR。（3）I/O口和其他功能单元·4个并行I/O口；·2个16位定时/计数器；·1个全双工异步串行口；·中断系统（5个中断源、2个优先级）。80C51的应用模式单片机由于芯片引脚数量的限制数据总线与地址总线经常采用复用方式，且许多引脚还要与并行I/O口引脚兼用。（1）总线型应用的“三总线”模式常用的总线型单片机有40个引脚，除电源、晶振输入引脚和仅能作为通用并行I/O的P1口外，其余引脚大多是为应用系统扩展而设置的。利用这些引脚可以方便的将单片机配置成典型的“三总线”结构。（2）非总线型应用的“多I/O”模式总线型单片机也可以采用非总线型的“多I/O”应用模式，这时不使用单片机的扩展功能，因此可以利用的通用I/O口线的数量较多。80C51的内部结构80C51单片机由微处理器（含运算器和控制器）、存储器、I/O口以及特殊功能寄存器SFR等构成。80C51的微处理器作为80C51单片机核心部分的微处理器是一个8位的高性能中央处理器（CPU）。它的作用是读入并分析每条指令，根据各指令的功能控制单片机的各功能部件执行指定的运算或操作。它主要由以下两部分构成：（1）运算器运算器由算术/逻辑运算单元ALU、累加器ACC、寄存器B、暂存寄存器、程序状态字寄存器PSW组成。它完成的任务是实现算术和逻辑运算、位变量处理和数据传送等操作。（2）控制器同一般微处理器的控制器一样，80C51的控制器也由指令寄存器IR、指令译码器ID、定时及控制逻辑电路和程序计数器PC等组成。80C51的片内存储器80C51单片机的存储器在物理上设计成程序存储器和数据存储器两个独立的空间（称为哈佛结构）。80C51的I/O口及功能单元80C51单片机有4个8位的并行口，即P0~P3。它们均为双向口，即可作为输入，又可作为输出。每个口各有8条I/O线。80C51单片机还有一个全双工的串行口（利用P3口的两个引脚P3.0和P3.1）。80C51单片机内部集成有2个16位定时/计数器（增强型单片机有3个定时/计数器）。80C51的特殊功能寄存器（SFR）80C51单片机内部有SP、DPTR（可分成DPH、DPL两个8位寄存器）、PCON、IE、IP等21个特殊功能寄存器单元，且这些单元是离散分布的[25]。80C51的并行口结构和操作80C51单片机有4个8位的并行I/O口P0、P1、P2和P3。各口均由口锁存器、输出驱动器和输入缓冲器组成。各口除可以作为字节输入/输出外，它们的每一条口线也可以单独地用做位输入/输出线。每个口的内结构是相同的，口结构的介绍均以其位结构进行说明。P0口的结构P0口由一个输出锁存器、一个转换开关MUX、两个三态输入缓冲器、输出驱动电路和一个与门及一个反向器组成。（1）P0口用做通用I/O口当系统不进行片外的ROM扩展，也不进行片外RAM的扩展时，P0口用做I/O口。（2）P0用做地址/数据总线当系统进行片外的ROM扩展或进行片外RAM扩展时，P0用做地址/数据总线。P0口作为地址/数据总线使用时是一个真正的双向口。P1口的结构P1口由一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动电路组成。输出驱动电路与P2口相同，内部设有上拉电阻。P1口是通用的准双向I/O口。P2口的结构P2口由一个输出锁存器、一个转换开关MUX、两个三态输入缓冲器、输出驱动电路和一个反相器组成。（1）P2口用做通用I/O口当不需要在单片机芯片外部扩展程序存储器，仅可能扩展256B的片外RAM时只用到了地址线的低8位，P2口仍可以作为通用I/O口使用。P2口在作为通用I/O口时属于准双向口。（2）P2口用做地址总线当需要在单片机芯片外部扩展程序存储器或扩展的RAM容量超过256字节时，单片机内硬件自动使控制C=1，MUX开关接向地址线，这时P2.X引脚的状态正好与地址线的信息相同。P3口的结构P3口由一个输出锁存器、三个输入缓冲器、输出驱动电路和一个与非门组成。（1）P3口用做第一功能的通用I/O口当CPU对P3口进行字节或位寻址时，单片机内部的硬件自动将第二功能输出线的W置“1”。这时，对应的口线为通用I/O口方式。（2）P3口用做第二功能使用当CPU不对P3口进行字节或位寻址时，单片机内部硬件自动将口锁存器的Q端置“1”。这时，P3口可以作为第二功能使用。各引脚功能定义如下：·P3.0：RXD(串行口输入)；·P3.1：TXD(串行口输出)；·P3.2：(外部中断0输入)；·P3.3：(外部中断1输入)；·P3.4：T0（定时器0的外部输入）；·P3.5：T1（定时器1的外部输入）；·P3.6：（片外数据存储器“写”选通控制输出）；·P3.7：（片外数据存储器“读”选通控制输出）。P3口相应的口线处于第二功能，应满足的条件是：·串行I/O口处于运行状态（RXD，TXD）；·外部中断已经打开（、）；·定时器/计数器处于外部计数状态（T0、T1）；·执行读/写外部RAM的指令（、）。并行口的负载能力P0、P1、P2、P3口的输入和输出电平与CMOS电平和TTL电平兼容。P0口的每一位口线可以驱动8个LSTTL负载。在作为通用I/O口时，需外接上拉电阻；当作为地址/数据总线使用时，无须外接上拉电阻。P1、P2、P3口的每一位能驱动4个LSTTL负载。它们的输出驱动电路设有内部上拉电阻，所以可以方便的有集电极开路（OC门）电路或漏极开路所驱动，而无须外接上拉电阻。模/数转换器的设计将模拟量转换成数字量的器件称为模/数转换器(ADC)。随着大规模集成电路技术的迅速发展，A/D转换器新品不断推出。按工作原理分，ADC的主要种类有逐次逼近式、双积分式、计数比较式和并行式。逐次逼近式ADC的转换原理ADC由比较器、D/A转换器、逐次逼近寄存器和控制逻辑组成。在时钟脉冲的同步下，控制逻辑先使N位的寄存器D7位置“1”（其余位为“0”），此时该寄存器输出的内容为80H。此值经DAC转换为模拟量输出VN，与待转换的模拟输入信号VIN相比较，若VIN大于等于VN，则比较器输出为1。于是在时钟脉冲的同步下，保留D7=1，并使下一位D6=1，所得新值（C0H）再经DAC转换得到新的VN，再与VIN比较，重复前述过程；反之，若使D7=1后，经比较若VIN小于VN，则使D7=0，D6=1，所得新值VN再与VIN比较，重复前述过程。此时D7~D0即为对应于模拟输入信号VIN的数字量。双积分式ADC的转换原理控制逻辑先对未知的输入模拟电压VIN进行固定时间T的积分,然后转为对标准电压进行反向积分,直至积分输出返回起始值。对标准电压的积分时间T1(或T2)正比于模拟输入电压VIN。输入电压大，则反向积分时间长。用高频率标准时钟脉冲来测量积分时间T1（或T2），即可得到对应于模拟电压VIN的数字量。A/D转换器的主要技术指标（1）分辨率ADC的分辨率是指使输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量。常用二进制的位数表示。（2）量化误差ADC把模拟量变为数字量，用数字量近似表示模拟量，这个过程称为量化。量化误差是ADC的有限位数对模拟量进行量化而引起的误差。（3）偏移误差偏移误差是指输入信号为零时，输出信号不为零的值，所以有时又称为零值误差。（4）满刻度误差满刻度误差是指满刻度输出数码所对应的实际输入电压与理想电压之差。（5）线性度线性度有时又称为非线性度，它是指转换器实际的转换特性与理想直线的最大偏差。（6）绝对精度在一个转换器中，任何数码所对应的实际模拟量输入与理论模拟输入之差的最大值，称为绝对精度。（7）转换速率ADC的转换速率是能够重复进行数据转换的速度，即每秒转换的次数[26]。ADC0809芯片及其与单片机的接口ADC0809是8位逐次逼近式，单片CMOS集成A/D转换器。其主要性能为：·分辨率为8位；·精度：ADC0809小于±1LSB；·单+5V供电，模拟输入电压范围为0V~+5V；·具有锁存控制的8路输入模拟开关；·可锁存三态输出，输出与TTL电平兼容；·功耗为15mW；·不必进行零点和满度调整；·转换速度取决于芯片外接的时钟频率。时钟频率范围：10kHz~1280kHz。典型值为时钟频率640kHz，转换时间约为100μs。ADC0809的内部结构及引脚功能ADC0809的片内带有锁存功能的8路模拟多路开关，可对8路输入模拟信号分时转换，具有多路开关的地址译码和锁存电路、8位A/D转换器和三态输出锁存器等。引脚功能如下： ·IN0~IN7：8路模拟量输入端。·D7~D0：8位数字量输出端。·ALE：地址锁存容许信号输入端。通常向此引脚输入一个正脉冲时，可将三位地址选择信号A、B、C锁存于地址寄存器内并进行译码，选通相应的模拟输入通道。·START：启动A/D转换控制信号输入端。一般向此引脚输入一个正脉冲，上升沿复位内部逐次逼近寄存器，下降沿后开始A/D转换。·CLK：时钟信号输入端。·EOC：转换结束信号输出端。A/D转换期间EOC为低电平，A/D转换结束后EOC为高电平。·OE：输出容许控制器，控制输出锁存器的三态门。当OE为高电平时，转换结果数据出现在D7~D0引脚。当OE为低电平时，D7~D0引脚对外呈高阻状态。·C、B、A：8路模拟开关的地址选通信号输入端，3个输入端的信号为000~111时，接通IN0~IN7对应通道。·VR（＋）、VR（－）：分别为基准电源的正、负输入端。·VCC：电源输入端，+5V。·GND：接地端。ADC0809与单片机接口ADC0809与单片机接口采用查询方式。查询方式ADC0809与单片机接口电路如图4-1所示。图4-1ADC0809与单片机的接口电路由于ADC0809片内无时钟，故利用80C51提供的地址锁存容许信号ALE经D触发器二分频后获得。ALE引脚的频率是单片机时钟频率的1/6，如果单片机时钟频率为6MHz，则ALE引脚的频率为1MHz。再经二分频后为500kHz，所以ADC0809能可靠工作。由于ADC0809具有输出三态锁存器，故其8位数据输出线可直接与单片机数据总线相连。单片机的低8位地址信号在ALE作用下锁存在74LS373中。74LS373输出的低3位信号分别加到ADC0809的通道选择端A、B、C，作为通道编码。单片机的P2.7作为片选信号，与进行或非操作得到一个正脉冲加到ADC0809的ALE和START引脚上/由于ALE和START连接在一起，因此ADC0809在锁存信道地址的同时也启动转换。数/模转换器的设计D/A转换器（数/模转换器，DAC）是一种把数字信号转换成模拟信号的器件。数字量是二进制代码的组合，每一位数字代码都有一定的“权”，并对应一定大小的模拟量。为了将数字量转换成模拟量，应将数字量的每一位都转换为相应的模拟量，然后对其求和即可以得到与该数字量成正比的模拟量。D/A转换器的种类很多。依数字量的位数分类，有8位、10位、12位、16位D/A转换器；依数字量的数码形式分类，有二进制码和BCD码D/A转换器；依数字量的传送方式分类，有并行和串行D/A转换器；依D/A转换器的输出方式分类，有电流输出型和电压输出型D/A转换器。D/A转换器的原理计算机输出的数字信号首先传送到数据锁存器（或寄存器）中，然后由模拟电子开关把数字信号的高低电平变成对应的电子开关状态。当数字量某位为1时，电子开关就将基准电压源VREF接入电阻网络的相应支路；若为0时，则将该支路接地。各支路的电流信号经过电阻网络加权后，由运算放大器求和并变换成电压信号，作为D/A转换器的输出。D/A转换器的主要性能指标D/A转换器常用的性能指标有：（1）分辨率分辨率是指输入数字量的最低有效位（LSB）发生变换时，所对应的输出模拟量（常为电压）的变化量。（2）线性度线性度（也称非线性误差）是实际转换特性曲线与理想直线特性之间的最大偏差。（3）绝对精度和相对精度绝对精度（简称精度）是指在整个刻度范围内，任一输入数码所对应的模拟量实际输出值与理论值之间的最大误差。相对精度与绝对精度表示同一含义，用最大误差相对于满刻度的百分比表示。（4）建立时间建立时间是指输入的数字量发生满刻度变化时，输出模拟信号达到满刻度值的±1/2LSB所需的时间。DAC0832芯片及其与单片机接口DAC0832是使用非常普遍的8位D/A转换器，可以直接与单片机接口。DAC0832以电流形式输出，当需要转换为电压输出时，可外接运算放大器。。