基于PWM的路燈節(jié)能裝置的設(shè)計(jì)

1 引言

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

　　本文設(shè)計(jì)了基于ATmega128處理器為核心搭建硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)了PWM斬波調(diào)壓電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)路燈電壓的合理調(diào)節(jié)。電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)電路主要以PWM斬波技術(shù)為核心，設(shè)計(jì)實(shí)際電路，調(diào)試獲得成功，達(dá)到了降壓的目的。針對(duì)在該種降壓電路中開關(guān)管的工作頻率較高，會(huì)產(chǎn)生高次諧波，為了抑制高次諧波，通過具體計(jì)算設(shè)計(jì)了濾波電路，并調(diào)試成功。

　　2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　如圖1所示：首先，是建立一個(gè)交流調(diào)壓系統(tǒng)，系統(tǒng)的被控對(duì)象為電網(wǎng)電壓，控制器通過交流斬波技術(shù)對(duì)電網(wǎng)電壓波形進(jìn)行斬波，達(dá)到調(diào)壓的效果，并且通過電壓采集電路對(duì)輸出電壓進(jìn)行采集，控制器得到電壓的采樣值并對(duì)其進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行下一步的調(diào)節(jié)，直到輸出電壓達(dá)到理想的狀態(tài)；其次，通信接口的設(shè)計(jì)，RS-232串口通信功能傳輸數(shù)據(jù)的接口電路的設(shè)計(jì)，形成完整的通信功能；再次，對(duì)系統(tǒng)的通用性，交互性及人性化設(shè)計(jì)，通過鍵盤接口對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)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(jì)

　　3.1 脈寬調(diào)制降壓設(shè)計(jì)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(dá)到降壓的目的，PWM的頻率在180KHz—200KHz，可以無級(jí)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娦裕梢耘袛郃點(diǎn)的電壓始終高于B點(diǎn)的電壓。在A、B之間接三極管，利用三極管的開關(guān)特性對(duì)橋式電路的輸出進(jìn)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(duì)各脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，便可以得到相應(yīng)的輸出電壓。此時(shí)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(duì)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(gè)電抗器進(jìn)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(duì)來講較低，并且輸出的是標(biāo)準(zhǔn)的正諧波。[!--empirenews.page--]

　　在IGBT的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：

　?。?）IGBT柵級(jí)耐壓一般在±20V左右，因此驅(qū)動(dòng)電路輸出端應(yīng)設(shè)有柵極過電壓保護(hù)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(dòng)電流，本文選擇后者。

　?。?）盡管IGBT所需驅(qū)動(dòng)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(duì)電容充電放電，因此驅(qū)動(dòng)電路的輸出電流應(yīng)該足夠大，假定開通驅(qū)動(dòng)時(shí)，在上升時(shí)間rt內(nèi)線性地對(duì)MOSFET的輸入電容inC充電，則驅(qū)動(dòng)電流為GEinGSrI=CUt，其中可取2.2rint=RC，其中R為輸入回路電阻。

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

　　3.2 信號(hào)采樣電路設(shè)計(jì)

　　對(duì)電網(wǎng)電壓、電流信號(hào)的采集的實(shí)時(shí)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(duì)Atmega128單片機(jī)的集成ADC性能的分析，綜合考慮了其轉(zhuǎn)換時(shí)間、分辨率、線性誤差、量程和對(duì)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(jì)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(duì)于對(duì)電網(wǎng)信號(hào)采集的前端信號(hào)變換模塊，主要考慮一下幾個(gè)因素：首先是采樣信號(hào)的質(zhì)量，既能夠真實(shí)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(hào)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(jì)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(hào)的參數(shù)，并且可能燒毀ADC的輸入端口。

　　由于單片機(jī)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(shí)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(gè)電容抗干擾，在串聯(lián)一個(gè)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(jī)組成多機(jī)系統(tǒng)最簡(jiǎn)單的連接是零調(diào)制三線經(jīng)濟(jì)型。這是進(jìn)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(jī)的數(shù)據(jù)通信，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，本設(shè)計(jì)選用的芯片為MAX232，將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232電平。同時(shí)也因?yàn)镽S-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：

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　　3.4 時(shí)鐘芯片電路設(shè)計(jì)

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

　　3.5 LCD電路設(shè)計(jì)

　　在下位機(jī)工作的過程中，要對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)要進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。對(duì)于顯示模塊，采用LCD液晶顯示器，其型號(hào)為CM19264。與LED比較，它的工作電流小，顯示容量大，可實(shí)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(dú)立的控制器及內(nèi)部存儲(chǔ)器，其顯示能夠被內(nèi)部的控制器所存，因此并不需要?jiǎng)討B(tài)掃描，節(jié)省了系統(tǒng)的時(shí)間。

　　3.6 鍵盤設(shè)計(jì)

　　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(jì)采用15個(gè)鍵，共用了單片機(jī)的6個(gè)I/O端口。共設(shè)置了10個(gè)數(shù)字鍵，4個(gè)方向選擇鍵和一個(gè)確認(rèn)鍵，使得鍵盤接口設(shè)計(jì)的人性化。相對(duì)于行列式鍵盤節(jié)省了2個(gè)I/O端口。

　　3.7 電源電路設(shè)計(jì)

　　在系統(tǒng)工作現(xiàn)場(chǎng)電源可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)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(gè)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(duì)其進(jìn)行散熱，提高電源效率，并且右超載或短路保護(hù)，技術(shù)成熟，成本低廉。ADC基準(zhǔn)電壓采用LM336-5.0芯片，同時(shí)更加保證了ADC的量程及其采樣精度。

　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　前述硬件電路的各個(gè)模塊是本系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電壓采樣的基礎(chǔ)，微控制器的程序編寫是整個(gè)下位機(jī)系統(tǒng)的核心，能夠協(xié)調(diào)各個(gè)模塊高效準(zhǔn)確的工作。單片機(jī)程序設(shè)計(jì)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(hào)處理子程序、控制輸出子程序、串行通信子程序六個(gè)主要的部分。

　　系統(tǒng)上電后，先對(duì)單片機(jī)的內(nèi)部資源進(jìn)行初始化，包括設(shè)置堆棧指針、中斷的禁止及優(yōu)先級(jí)的決定、設(shè)置各個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作方式等；然后對(duì)單片機(jī)的外部設(shè)備進(jìn)行初始化，包括LCD、時(shí)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(jìn)行計(jì)算，根據(jù)相應(yīng)的算法控制電網(wǎng)電壓；對(duì)鍵盤和LCD顯示器接口進(jìn)行查詢，顯示各設(shè)定值，并且進(jìn)行設(shè)定；適時(shí)讀取時(shí)間芯片的時(shí)間值，并且根據(jù)不同的時(shí)間段對(duì)電網(wǎng)分等級(jí)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(yùn)行在復(fù)雜的環(huán)境中，容易運(yùn)行失控，使得程序進(jìn)入死循環(huán)，甚至發(fā)出錯(cuò)誤的執(zhí)行動(dòng)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(jì)過程中把抗干擾問題放在重要的位置來考慮。在本設(shè)計(jì)中主要運(yùn)用了以下幾種硬件抗干擾的措施：

　?。?）獨(dú)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(jì)了獨(dú)立電源對(duì)數(shù)字電路部分進(jìn)行供電。因此系統(tǒng)數(shù)字部分采用獨(dú)立的電源供電，這樣不僅可以使模擬部分和數(shù)字部分進(jìn)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(duì)系統(tǒng)數(shù)字部分的影響，從而保證了檢測(cè)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(diǎn)接地，如果采用多點(diǎn)接地，多個(gè)接地點(diǎn)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(hào)傳輸?shù)恼_性在設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)PCB的信號(hào)走線時(shí)，按照以下原則設(shè)計(jì)了信號(hào)線：走線盡可能短而粗，拐彎時(shí)走45°斜線或弧線，絕對(duì)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(hào)線盡量靠近地線，必要時(shí)采取電容濾波。

　　6 總結(jié)

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