基于PWM的路燈節(jié)能裝置的設(shè)計

1 引言

　　隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)步伐的加快，社會對城市道路照明及城市亮化工程的要求也更高，國家明確要求要把節(jié)約資源作為國家的基本的國策，節(jié)能已成為社會發(fā)展的主流。

　　本文設(shè)計了基于ATmega128處理器為核心搭建硬件平臺，設(shè)計了PWM斬波調(diào)壓電路，實現(xiàn)了對路燈電壓的合理調(diào)節(jié)。電壓自動調(diào)節(jié)電路主要以PWM斬波技術(shù)為核心，設(shè)計實際電路，調(diào)試獲得成功，達到了降壓的目的。針對在該種降壓電路中開關(guān)管的工作頻率較高，會產(chǎn)生高次諧波，為了抑制高次諧波，通過具體計算設(shè)計了濾波電路，并調(diào)試成功。

　　2 系統(tǒng)總體設(shè)計

　　如圖1所示：首先，是建立一個交流調(diào)壓系統(tǒng)，系統(tǒng)的被控對象為電網(wǎng)電壓，控制器通過交流斬波技術(shù)對電網(wǎng)電壓波形進行斬波，達到調(diào)壓的效果，并且通過電壓采集電路對輸出電壓進行采集，控制器得到電壓的采樣值并對其進行分析，根據(jù)分析結(jié)果對被控對象進行下一步的調(diào)節(jié)，直到輸出電壓達到理想的狀態(tài)；其次，通信接口的設(shè)計，RS-232串口通信功能傳輸數(shù)據(jù)的接口電路的設(shè)計，形成完整的通信功能；再次，對系統(tǒng)的通用性，交互性及人性化設(shè)計，通過鍵盤接口對系統(tǒng)參數(shù)進行設(shè)定，并且通過液晶顯示模塊顯示操作要求和數(shù)據(jù)。

　　3 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計

　　3.1 脈寬調(diào)制降壓設(shè)計思路

　　本方法主要通過控制開關(guān)的頻率以使輸出電壓的有效值降低達到降壓的目的，PWM的頻率在180KHz—200KHz，可以無級調(diào)整，輸出電壓波形為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，但需要濾波。

圖2 脈寬調(diào)制降壓原理圖

　　如圖2所示電路，由二極管D1、D2、D3、D4組成的橋式整流電路中，由于二極管的單向?qū)щ娦?，可以判斷A點的電壓始終高于B點的電壓。在A、B之間接三極管，利用三極管的開關(guān)特性對橋式電路的輸出進行控制，這就是所謂的脈寬調(diào)制原理。當(dāng)控制電壓為一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，并且按照一定的規(guī)則對各脈沖寬度進行調(diào)制，便可以得到相應(yīng)的輸出電壓。此時電路輸出的波形為被高頻脈沖切割后的電壓波形，為了得到標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，并且減小高頻分量對電源質(zhì)量的影響，分別在電路的輸入和輸出端串聯(lián)一個電抗器進行平波。綜上所述，便得到了利用脈寬調(diào)制原理，通過控制整流電路來改變輸出電壓的電路。通過該電路后產(chǎn)生的波形雖然有諧波，需要濾波，但是其成本相對來講較低，并且輸出的是標(biāo)準(zhǔn)的正諧波。

　　在IGBT的驅(qū)動電路設(shè)計時要注意以下幾點：

　?。?）IGBT柵級耐壓一般在±20V左右，因此驅(qū)動電路輸出端應(yīng)設(shè)有柵極過電壓保護電路，通常的做法是在柵極并聯(lián)穩(wěn)壓二極管或者電阻。并聯(lián)穩(wěn)壓二極管的缺陷是將增加的等效輸入電容inC，從而影響開關(guān)速度；并聯(lián)電阻的缺陷是將減小輸入阻抗，增大驅(qū)動電流，本文選擇后者。

　?。?）盡管IGBT所需驅(qū)動的功率很小，但由于MOSFET存在輸入電容inC，開關(guān)過程中需要對電容充電放電，因此驅(qū)動電路的輸出電流應(yīng)該足夠大，假定開通驅(qū)動時，在上升時間rt內(nèi)線性地對MOSFET的輸入電容inC充電，則驅(qū)動電流為GEinGSrI=CUt，其中可取2.2rint=RC，其中R為輸入回路電阻。

　　（3）為可靠關(guān)閉IGBT，防止發(fā)生鎖定效應(yīng)，要給柵極加一負電壓，因此應(yīng)采用雙電源為驅(qū)動電路供電。其具體的驅(qū)動電路圖如圖3所示。

　　3.2 信號采樣電路設(shè)計

　　對電網(wǎng)電壓、電流信號的采集的實時性及其采樣的精度在很大的程度上決定了系統(tǒng)的性能。根據(jù)對Atmega128單片機的集成ADC性能的分析，綜合考慮了其轉(zhuǎn)換時間、分辨率、線性誤差、量程和對基準(zhǔn)電壓的要求等主要技術(shù)指標(biāo)，判斷其能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求，并且通過外接精密基準(zhǔn)電源的方式來保證系統(tǒng)的精度。對于對電網(wǎng)信號采集的前端信號變換模塊，主要考慮一下幾個因素：首先是采樣信號的質(zhì)量，既能夠真實的反映電網(wǎng)電壓、電流的情況，又不要為系統(tǒng)帶來干擾，這要求電路有良好的隔離措施；其次采樣信號的電壓范圍要和ADC的基準(zhǔn)電壓的量程相符合，超過或者過低于基準(zhǔn)電壓工作范圍的設(shè)計都是不合理的；第三，要注意阻抗匹配問題，若阻抗不匹配，可能得到的采樣值不能準(zhǔn)確反映電網(wǎng)信號的參數(shù)，并且可能燒毀ADC的輸入端口。

　　由于單片機的AD采樣端口只能采樣正電壓，因而將所要采樣的為交流電壓經(jīng)變壓器降壓、整流和分壓后再采樣，此時將電壓限制在0V-5V之間，為了保持采樣電壓的精度與穩(wěn)定度，在輸入端口并聯(lián)一個電容抗干擾，在串聯(lián)一個電阻滿足ADC阻抗匹配的要求。其電路圖如圖4所示：

　　3.3 RS232接口電路

　　PC與單片機組成多機系統(tǒng)最簡單的連接是零調(diào)制三線經(jīng)濟型。這是進行全雙工通信所必須的最少數(shù)目的電路。PC配置的是RS-232C標(biāo)準(zhǔn)串行接口，二者的電氣規(guī)范不一致，因此要完成PC與單片機的數(shù)據(jù)通信，必須進行電平轉(zhuǎn)換，本設(shè)計選用的芯片為MAX232，將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232電平。同時也因為RS-232C標(biāo)準(zhǔn)串行接口應(yīng)用比較廣泛，技術(shù)成熟，所以我們選用RS-232C標(biāo)準(zhǔn)串行接口。具體電路如圖5所示：

　　3.4 時鐘芯片電路設(shè)計

　　Dallas半導(dǎo)體公司的DS1302涓流充電時鐘芯片是一個可編程I2C串行接口時鐘芯片，還提供31字節(jié)的非易失SRAM用于數(shù)據(jù)存儲，結(jié)構(gòu)簡單，可以通過單片機任意的I/O口作為SCL和SDA信號線，編程簡單，成本較低；缺點是掉電數(shù)據(jù)丟失。存儲相應(yīng)數(shù)據(jù)的話可用超級電容或可充電電池備份系統(tǒng)的時間和日期。其電路如圖6所示。

　　3.5 LCD電路設(shè)計

　　在下位機工作的過程中，要對系統(tǒng)的參數(shù)要進行實時顯示。對于顯示模塊，采用LCD液晶顯示器，其型號為CM19264。與LED比較，它的工作電流小，顯示容量大，可實現(xiàn)漢字及圖像的顯示，美觀、大方、顯示方便。在編程上，LCD有獨立的控制器及內(nèi)部存儲器，其顯示能夠被內(nèi)部的控制器所存，因此并不需要動態(tài)掃描，節(jié)省了系統(tǒng)的時間。

　　3.6 鍵盤設(shè)計

　　通過鏈?zhǔn)桨存I設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)。鏈?zhǔn)桨存I在軟件編程上類似行列式鍵盤，本設(shè)計采用15個鍵，共用了單片機的6個I/O端口。共設(shè)置了10個數(shù)字鍵，4個方向選擇鍵和一個確認鍵，使得鍵盤接口設(shè)計的人性化。相對于行列式鍵盤節(jié)省了2個I/O端口。

　　3.7 電源電路設(shè)計

　　在系統(tǒng)工作現(xiàn)場電源可以實現(xiàn)現(xiàn)場取電，將電網(wǎng)電壓通過變壓器變換，然后通過整流電路將其變換為直流電，再通過集成穩(wěn)壓器將其穩(wěn)定在某個電壓值為系統(tǒng)工作提供電源。采用±5V和±12V電源供電。電源模塊可采用線性三端穩(wěn)壓器78LM05、79LM05、78LM12、79LM12，78xx系列的靜態(tài)電流在5mA~8Ma,，在使用中要通過散熱片對其進行散熱，提高電源效率，并且右超載或短路保護，技術(shù)成熟，成本低廉。ADC基準(zhǔn)電壓采用LM336-5.0芯片，同時更加保證了ADC的量程及其采樣精度。

　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　前述硬件電路的各個模塊是本系統(tǒng)對現(xiàn)場電壓采樣的基礎(chǔ)，微控制器的程序編寫是整個下位機系統(tǒng)的核心，能夠協(xié)調(diào)各個模塊高效準(zhǔn)確的工作。單片機程序設(shè)計包括電網(wǎng)電壓采集A/D轉(zhuǎn)換子程序、LCD顯示子程序、鍵盤控制子程序、數(shù)字信號處理子程序、控制輸出子程序、串行通信子程序六個主要的部分。

　　系統(tǒng)上電后，先對單片機的內(nèi)部資源進行初始化，包括設(shè)置堆棧指針、中斷的禁止及優(yōu)先級的決定、設(shè)置各個定時/計數(shù)器的工作方式等；然后對單片機的外部設(shè)備進行初始化，包括LCD、時鐘芯片以及串口。初始化之后系統(tǒng)開始工作，首先采樣電網(wǎng)電壓，并且進行計算，根據(jù)相應(yīng)的算法控制電網(wǎng)電壓；對鍵盤和LCD顯示器接口進行查詢，顯示各設(shè)定值，并且進行設(shè)定；適時讀取時間芯片的時間值，并且根據(jù)不同的時間段對電網(wǎng)分等級調(diào)控。用中斷方式將數(shù)據(jù)從串口上傳。

　　5 系統(tǒng)抗干擾措施

　　系統(tǒng)運行在復(fù)雜的環(huán)境中，容易運行失控，使得程序進入死循環(huán)，甚至發(fā)出錯誤的執(zhí)行動作，造成很大的損失。系統(tǒng)的抗干擾能力在很大程度上決定了其工作的可靠性，這樣就應(yīng)在設(shè)備、系統(tǒng)的設(shè)計過程中把抗干擾問題放在重要的位置來考慮。在本設(shè)計中主要運用了以下幾種硬件抗干擾的措施：

　?。?）獨立電源

　　為了使模擬電路部分和數(shù)字電路部分的隔離，設(shè)計了獨立電源對數(shù)字電路部分進行供電。因此系統(tǒng)數(shù)字部分采用獨立的電源供電，這樣不僅可以使模擬部分和數(shù)字部分進一步隔離，也可抑制由于電網(wǎng)諧波增多和電壓不穩(wěn)所帶來的尖峰、過壓、浪涌等現(xiàn)象對系統(tǒng)數(shù)字部分的影響，從而保證了檢測系統(tǒng)正常工作。

　?。?）接地措施

　　系統(tǒng)的模擬地、數(shù)字地接與外殼地采用單點接地，如果采用多點接地，多個接地點之間可能產(chǎn)生電位差，繼而產(chǎn)生噪聲電流，影響系統(tǒng)的正常工作。

　?。?）PCB布線抗干擾

　　為了保證信號傳輸?shù)恼_性在設(shè)計，在設(shè)計PCB的信號走線時，按照以下原則設(shè)計了信號線：走線盡可能短而粗，拐彎時走45°斜線或弧線，絕對避免90°拐角；數(shù)字線和模擬線分開走線，若無法避免，則兩者垂直走線；大電流快速信號線盡量靠近地線，必要時采取電容濾波。

　　6 總結(jié)

　　路燈節(jié)能裝置安全可靠，延長了路燈使用壽命，減少了電能消耗，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟效益和社會效益。