智能路燈節(jié)能控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引 言
    隨著我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，人民生活水平日益提高，能源和資源變得日益緊張，電力短缺已成為制約國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的突出矛盾。目前我國照明消耗的電能約占電力生產(chǎn)總量的10％～20％，而城市公共照明則在照明耗電中占30％，并且近幾年隨著讓城市亮起來的口號的提出，全國路燈的數(shù)量仍在迅猛地增長。公共路燈節(jié)能的口號便由此而提出。通常的節(jié)能途徑有兩個：一個是采用節(jié)能光源；二是采用合理的控制線路。本文在使用節(jié)能光源的情況下采用合理的控制線路來實(shí)現(xiàn)路燈節(jié)能。在供電系統(tǒng)中，為避免送電過程中的線路損耗和用電高峰時(shí)造成末端電壓過低，供電部門均采用較高電壓進(jìn)行傳輸。因此路燈承受電壓多高于燈具的額定電壓。然而據(jù)調(diào)查我國小型城市晚上21：00后，大中城市00：00以后道路上幾乎空無一人。從而造成了“人少車稀燈更亮”的不合理情況。為了避免這種情況，大多數(shù)城市和地區(qū)均采用了發(fā)達(dá)國家早已淘汰了的隔盞關(guān)燈的原始路燈控制方法。這種方法不僅導(dǎo)致路面照度分布不均，而且會減少路燈使用壽命。本文采用“全年分三季，一季分時(shí)段”的分時(shí)控制思想實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。在不同的時(shí)段投入不同的供電電壓運(yùn)行，在保證路燈正常照明的前提下，兼顧到了用電低谷期節(jié)能的效果。同時(shí)利用電力載波技術(shù)實(shí)現(xiàn)對路燈運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)
1．1 智能路燈控制系統(tǒng)
    該智能路燈節(jié)能系統(tǒng)主要由電量檢測電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、自耦變壓器電路、顯示電路及載波通信等電路組成。將一年大致分為三個季節(jié)段來對路燈進(jìn)行控制，使其在不同的季節(jié)有不同的開關(guān)燈時(shí)間。而從開燈到關(guān)燈根據(jù)當(dāng)?shù)亟煌ㄓ挚纱笾路譃槿齻€階段(高峰、正常、低谷)來對路燈進(jìn)行控制。從實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片中將當(dāng)前的路燈工作狀況進(jìn)行相應(yīng)的歸類，由單片機(jī)輸出控制接觸器的線圈的斷合，而其觸點(diǎn)的輸出分別控制自耦變壓器的三個觸頭，對應(yīng)著四個檔位，每個檔位對應(yīng)著相應(yīng)的路燈電壓。由于電力傳輸中有諧波干擾造成電力不穩(wěn)，要時(shí)刻檢測路燈的電量，以電量芯片ATT7028檢測出電流或者電壓過高或者過低，將得到的信息傳給AT89C51單片機(jī)，單片機(jī)同時(shí)與鐵電存儲器的信息相比較，如果發(fā)現(xiàn)電流或者電壓過高或者過低，單片機(jī)馬上做出調(diào)整，適當(dāng)?shù)亟档突蛘呱唠妷?，以?shí)現(xiàn)對路燈過載、過壓等各種功能進(jìn)行控制，用電力載波通信技術(shù)將現(xiàn)場情況傳送至監(jiān)控室。原理框圖如圖1所示。

1．2 電量檢測電路的設(shè)計(jì)
    電量采集模塊主要完成路燈電流和電壓的數(shù)據(jù)采集。將采集到的信號轉(zhuǎn)換為ADC電路可采集處理的模擬信號，通過電量芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送到單片機(jī)中，檢測電壓和電流是否超載，依據(jù)此來控制電路負(fù)載的電壓。設(shè)計(jì)中采用三相電能專用計(jì)量芯片ATT7028A，適用于三相三線和三相四線應(yīng)用，能夠測量各相以及合相的有功功率、有功能量，同時(shí)還能測量各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)，充分滿足三相復(fù)功率多功能電能表的需求。同時(shí)將電量信號存入到鐵電存儲器AT24C24里，該存儲器數(shù)據(jù)不易丟失，以便有功電能歷史記錄的查詢。ATT7028A提供一個SPI接口，方便與外部單片機(jī)之間進(jìn)行計(jì)量參數(shù)以及校表參數(shù)的傳遞。設(shè)計(jì)中應(yīng)用ATT7028A測量電流和電壓有效值，采用軟件校表，通過SPI接口與外部單片機(jī)之間進(jìn)行計(jì)量參數(shù)的傳遞，以此來檢測路燈電壓電流的有效值。另外對檢測到的過載、過壓等故障進(jìn)行報(bào)警。
1．3 路燈控制電路
    路燈控制電路由譯碼電路、開關(guān)電路與變壓器控制電路組成。為了使路燈分時(shí)控制取得優(yōu)良的節(jié)能效果，除了要根據(jù)時(shí)間段來開啟不同檔位電壓外，還需要實(shí)際考慮到電網(wǎng)電壓在不同時(shí)段的電壓波動情況。故將單片機(jī)檢測到的電量信號與處理的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302信號作為74LS155二-四譯碼器譯碼地址輸入端，譯碼器的四個端輸出經(jīng)三極管放大后分別驅(qū)動四個接觸器的線圈，而其四個觸點(diǎn)分別對應(yīng)自藕變壓器的三個觸頭，亦即路燈四種檔：全壓(220 V)、高峰期檔(額定電壓的93%)、正常期檔(額定電壓的88%)、低峰期檔(額定電壓的83％)。從而達(dá)到既兼顧路燈亮度又達(dá)到節(jié)能的效果。KM4接在母線上還能關(guān)閉路燈，原理如圖2所示。

1．4 電力載波通信
    為了實(shí)現(xiàn)控制室能夠方便及時(shí)了解現(xiàn)場路燈運(yùn)行情況，采用電力線載波通信技術(shù)將現(xiàn)場路燈檢測運(yùn)行的狀況傳送至控制室。以LM1893集成芯片實(shí)現(xiàn)電力載波通信，LM1893是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的FSK制式的調(diào)制解調(diào)芯片。能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的串行數(shù)據(jù)的半雙工電力線通信，具有發(fā)送和接收數(shù)據(jù)兩種工作模式，能夠與51單片機(jī)相兼容。LM1893調(diào)制解調(diào)數(shù)據(jù)輸入端DATAIN與AT89C51單片機(jī)的串行輸出口TXD相連，輸出端DATAOUT與AT89C51的串行輸入口RXD相連。LM1893的TX／RX發(fā)送接收控制端由單片機(jī)的P1．O端控制，高電平為發(fā)送狀態(tài)，低電平為接收狀態(tài)。路燈控制器接收到外部數(shù)據(jù)信息后，先要對所收數(shù)據(jù)的報(bào)文頭和地址進(jìn)行判斷。當(dāng)報(bào)文頭正確，地址為本機(jī)地址時(shí)，它才執(zhí)行相應(yīng)的燈控命令，執(zhí)行完后進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)。

2 軟件設(shè)計(jì)
    軟件主要完成：根據(jù)比較所得的結(jié)果控制硬件切換檔位以達(dá)到路燈定時(shí)工作的要求；檢測實(shí)時(shí)電網(wǎng)電壓以控制是否要改變檔位以達(dá)到電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的；最后則是配合主控室完成多機(jī)通信。整個智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)被分為了分時(shí)分段模塊(主要通過時(shí)鐘芯片DS1302和鐵電存儲芯片AT24C02配合完成)、電壓監(jiān)控調(diào)檔模塊(由電工參數(shù)測量芯片ATT7028加以軟件判斷來實(shí)現(xiàn))、遠(yuǎn)程通信模塊(由LM1893完成)以及實(shí)時(shí)顯示模塊組成。
    將一年大致分為三個季節(jié)段來對路燈進(jìn)行控制，每個季節(jié)段有著不同的開關(guān)燈時(shí)間。從開燈到關(guān)燈根據(jù)當(dāng)?shù)亟煌ㄓ挚纱笾路譃槿齻€階段來對路燈進(jìn)行控制，分別為交通高峰期、交通正常期和交通低谷期。這三個階段加上避免電網(wǎng)電壓過低的全壓運(yùn)行檔，就構(gòu)成了全壓、高峰、正常、低谷四個工作時(shí)間段，根據(jù)本地區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行劃分。系統(tǒng)通過對日歷時(shí)鐘芯片DS1302
讀出來的當(dāng)前與鐵電存儲器芯片AT24C02中存儲的開、關(guān)燈時(shí)間進(jìn)行比較，在各檔開啟的時(shí)刻就切換至相應(yīng)檔位，在關(guān)閉的時(shí)段關(guān)閉，其余時(shí)段進(jìn)行監(jiān)控。在交通高峰時(shí)段，保證路燈有足夠的照明度。于是正常情況下，路燈應(yīng)投入第1檔運(yùn)行。此時(shí)，當(dāng)電網(wǎng)電壓過低(低于208 V)，則路燈應(yīng)全壓運(yùn)行；如果電網(wǎng)電壓過高(高于236 V)，路燈可以跳過第1檔，直接投入第2檔運(yùn)行。在交通正常階段，要兼顧照度和節(jié)電效果，正常情況下，路燈應(yīng)該投入第2檔運(yùn)行。在電網(wǎng)電壓低手205 V時(shí)，返回第1檔運(yùn)行；在電網(wǎng)電壓高于242 V時(shí)，則投入第3檔運(yùn)行。在交通低谷階段，重點(diǎn)考慮節(jié)電效果。正常情況下投入第3檔運(yùn)行，只有當(dāng)電網(wǎng)電壓過低(低于195 V)時(shí)，路燈才會返回第2檔運(yùn)行。但是由于電網(wǎng)的波動或干擾，可能會出現(xiàn)電壓偶爾的不正常，若一旦檢測到電壓超限就切換檔位，很容易造成誤操作，從而導(dǎo)致頻繁的切換。設(shè)計(jì)中采用了以下方法來避免檔位的頻繁切換：當(dāng)路燈運(yùn)行于1～2檔時(shí)刻之間，需使電壓維持在208～236 V之間，這里采用COUNT，COUNT_H，COUNT_L三個計(jì)數(shù)器來監(jiān)測電壓。COUNT從0開始，每分鐘加1，加到5，即5 min后清零。COUNT_H從0開始，每min比較當(dāng)前電壓與電壓上限值的大小，若超過上限則將COUNT_H加1，在每次COUNT清零之前，若COUNT H值等于5，則認(rèn)為連續(xù)5 min電壓超出上限運(yùn)行，相應(yīng)地將路燈運(yùn)行檔位切換至低一檔運(yùn)行；若COUNT_H值小于5，則認(rèn)為是電網(wǎng)的波動，不進(jìn)行切換。電壓下限監(jiān)測同理。每5 min將三個計(jì)數(shù)器同時(shí)清零。
    從SPI總線上獲取ATT7028檢測的電工參數(shù)的計(jì)量結(jié)果，再對檢測值進(jìn)行校表，即可對校表寄存器賦值來進(jìn)行軟件校表。
    顯示模塊主要是在控制室內(nèi)顯示當(dāng)前時(shí)間及檢測到的路燈的運(yùn)行情況。
    主程序與各個子模塊之間采用定時(shí)中斷聯(lián)系，每隔1 min中斷一次，在每次中斷時(shí)均要完成四大任務(wù)，即讀出實(shí)時(shí)時(shí)間發(fā)送至主控室，決定是否換檔，根據(jù)電網(wǎng)波動實(shí)際情況控制決定是否改變檔位，以及將原邊電網(wǎng)電壓根據(jù)實(shí)際情況發(fā)送至監(jiān)控室。軟件流程圖如圖3所示。

3 節(jié)能效果分析
    以1 kw路燈為例，設(shè)當(dāng)路燈電壓為205 V時(shí)，單位時(shí)間耗電量為0．87 kWh；當(dāng)路燈電壓為193 V時(shí)，耗電為O.77 kWh；在滿足行人車輛運(yùn)行需要的情況下，適當(dāng)降低路燈的端電壓，可節(jié)能20％左右。在深夜行人稀少時(shí)，可將路燈的端電壓降至170～180 V，路燈1 h內(nèi)耗電O.55 kWh左右，除去其他損耗，可節(jié)約電能近40 %。

4 結(jié) 語
    該智能路燈節(jié)能裝置采用分時(shí)換擋方法，在保證照明的情況下兼顧到了用電低谷期節(jié)能效果。實(shí)驗(yàn)表明該智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)可明顯地提高路燈的用電效率，延長路燈使用壽命。在節(jié)約能源、電力資源合理利用的今天，該裝置有著十分廣闊的社會和商業(yè)前景。