智能路燈節(jié)電器的研制與應(yīng)用論文

1、智能路燈節(jié)電器的研制與應(yīng)用摘要：介紹了一種基于atmega64單片機為核心設(shè)計的路燈節(jié)電器。本文分析了節(jié)電器自耦降壓的工作原理、主回路控制電路工作方式。然后詳細的介紹了實現(xiàn)節(jié)電器控制的硬件設(shè)計和軟件編程設(shè)計，對節(jié)電工作的優(yōu)先級進行了論述。通過實驗測試，節(jié)電效果明顯。同時，該節(jié)電器具有原理簡單、控制方便、具有較高的性價比等優(yōu)點。 關(guān)鍵詞：路燈節(jié)電器；單片機；節(jié)能1 引言隨著各地經(jīng)濟和交通的的快速發(fā)展，道路照明質(zhì)量不斷提高，照明路燈設(shè)施規(guī)模越來越大，數(shù)量也越來越多，這對改善各地區(qū)的投資環(huán)境,促進經(jīng)濟快速發(fā)展，方便群眾生活、美化城市起了很大作用，但是伴隨而來的是能耗的大幅度提高，特別是近年來能源價格

2、大幅度提升，使城市照明的電力耗費成為各地政府部門的一大經(jīng)濟負擔(dān)；此外，經(jīng)多方測試發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)城市路燈在夜間22：00以后，供電電壓因用電負荷減少而升高15%左右，此時用電設(shè)備在高于設(shè)備額定電壓狀態(tài)下運行，將會導(dǎo)致設(shè)備過度發(fā)熱，既縮短了燈源壽命，又增加了維護費用 。另據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，目前城市照明用電量接近發(fā)電量的15%，且照明耗能一直呈上升趨勢，隨著我國能源短缺，供電緊張。同時，許多地方存在用電效率低下、浪費嚴重之問題。所以，很有必要采用一種方便又經(jīng)濟的節(jié)電器來解決以上問題。經(jīng)過理論分析和反復(fù)實踐并多次電路改進，研制出了一種用單片機作為控制核心的智能型路燈節(jié)電裝置（以下簡稱路燈節(jié)電器），經(jīng)過實際應(yīng)用

3、其運行穩(wěn)定、節(jié)電效果顯著的特點得到了使用者的肯定。2節(jié)電器主要功能：1） 自動穩(wěn)壓功能：根據(jù)設(shè)定輸出電壓值自動跟蹤調(diào)壓，使節(jié)電效率達到最佳。 2） 顯示功能：采用觸摸屏顯示，操作簡易外形美觀。3） 定時起停功能：可實現(xiàn)：按經(jīng)緯度控制開關(guān)燈；按固定時間表控制開關(guān)燈；按特定日期段的時間表控制開關(guān)燈；經(jīng)緯度設(shè)定是根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度來判斷日出日落時間，以便節(jié)電器準(zhǔn)確的節(jié)電。4） 控制功能： 6路輸出，每路均可實現(xiàn)獨立開關(guān)燈控制，可自動實現(xiàn)半夜燈等功能。5） 遠程監(jiān)控：可通過有線、無線（gprs）方式進行遠程監(jiān)控。6） 保護功能：可設(shè)置電壓、電流極限值，自動實現(xiàn)過壓和過載及超溫保護。7） 旁路功能:：可根

4、據(jù)設(shè)定的電流變化率自動實現(xiàn)旁路全壓啟動。8） 補償功能：七級自動補償，可根據(jù)設(shè)定值自動投切電容器組，保持最佳功率因數(shù)。9） 擴展功能：系統(tǒng)設(shè)計多路開關(guān)量輸入，開關(guān)量輸出和模擬量輸入。3 節(jié)電器的原理及主回路結(jié)構(gòu)31 節(jié)電原理圖1變壓器原理圖 節(jié)電器調(diào)壓有多種方式，如調(diào)相方式、磁飽和穩(wěn)壓方式、可控硅斬波方式等，調(diào)相方式存在波形畸變，對其他設(shè)備有干擾，不能滿足要求；磁飽和方式在大功率時因其體積龐大也不能滿足要求；可控硅斬波方式諧波大，實現(xiàn)正弦輸出困難；自耦降壓方式實現(xiàn)簡單，可靠性也高，故本設(shè)計采用自耦降壓方式。根據(jù)自耦降壓的原理，通過自耦變壓器的機芯，根據(jù)不同的電壓輸出要求，引出不同的接線抽頭，將

5、電網(wǎng)降為幾檔，從而實現(xiàn)降壓節(jié)能。該方式的變壓器原理圖如圖1，根據(jù)理論計算和實驗測試，降壓節(jié)能不但是一種切實可行的方法，而且可以延長燈的壽命，具有雙重意義上的節(jié)能。合適的照明亮度是節(jié)電過程要十分重視的，節(jié)電的基本原則是保證不降低工作場所的視覺要求，保證照度標(biāo)準(zhǔn)和照明質(zhì)量的前提下，盡量減少照明系統(tǒng)中的能量損失，達到最有效的節(jié)能。根據(jù)有關(guān)研究和實驗，亮度與電壓的關(guān)系，電壓降低在一定范圍內(nèi)，照度質(zhì)量和效果沒有顯著的變化，肉眼無法覺察到變化。圖2 電壓與照度、燈具壽命的關(guān)系曲線圖2是電壓與照度、壽命的關(guān)系，由圖可見，燈具電壓超過額定電壓10%時，燈具壽命降低一倍，燈具電壓為額定90%時，燈具壽命提高一倍

6、，亮度降低7%，此時與過壓10%相比壽命適長4倍，而且亮度值與額定狀態(tài)相比僅衰減7%，人眼對光線的感覺成對數(shù)關(guān)系，即光線亮度增加10倍時，人能夠感覺到亮度增加1倍，而當(dāng)光線亮度減少7%時，人眼很難覺察到，因此，燈具電壓為額定值90%時為最優(yōu)照明電壓。路燈節(jié)電器是一種智能化設(shè)備，它應(yīng)用其獨特的控制方式，采用最先進微型計算機，對照明系統(tǒng)電壓自動進行處理，使照明系統(tǒng)始終工作于最佳狀態(tài)，32 節(jié)電器結(jié)構(gòu)與控制圖3 結(jié)構(gòu)示意圖電源液晶顯示調(diào)壓、穩(wěn)壓節(jié)電模塊控制模塊數(shù)據(jù)采集微處理模塊輸出模塊功率因數(shù)補償模塊數(shù)據(jù)傳輸圖4 主回路控制系統(tǒng)圖節(jié)電器結(jié)構(gòu)示意框圖如圖3，其主回路電路如圖3，接觸器有：km0為旁路接

7、觸器、km1和km2為節(jié)電主回路接觸器，kmr為過渡電阻控制接觸器，km7為封零接觸器，km3、km4、km5、km6為降壓接觸器。啟動時，繼電器km0先閉合，km1和km2吸合，先全壓啟動，（因為感性負載充電，啟動電壓大，否則燈不亮）；一定時間后進入節(jié)電狀態(tài)，根據(jù)設(shè)置值逐步進行調(diào)壓穩(wěn)壓，其換檔時有嚴格的動作順序，如從km7切換至km6動作順序如下：kmr閉合km7斷開km1閉合kmr斷開，為了解決檔位切換時出現(xiàn)燈閃現(xiàn)象，每次調(diào)壓切換時先接通過度電阻，因此在一次檔位轉(zhuǎn)換過程中有三個繼電器動作。根據(jù)一定的節(jié)電要求，這些接觸器的動作都由單片機來控制，實現(xiàn)簡單、便于操作。4控制電路的硬件設(shè)計控制電路

8、是以單片機為核心，其硬件系統(tǒng)圖如圖4所示，其外圍電路包括：顯示、鍵盤、數(shù)字量輸入、采樣電路等。4.1單片機 采用atmel公司生產(chǎn)的價格便宜、資源豐富、功能強大的avr單片機atmega64來控制電路。該單片機具有64k的flash、2k的eeprom，擦寫次數(shù)可達10萬次，可以用來存儲狀態(tài)信息、4個定時器/計數(shù)器，可用來設(shè)置溢出中斷、53個i/o引腳， 具有較大的電流驅(qū)動能力，可以直接驅(qū)動液晶顯示器而省去驅(qū)動電路、面向字節(jié)的twi串行接口，可以外掛其它設(shè)備節(jié)省i/o口、2個可編程串行usart接口支持全雙工通用同步/異步串行通信、8通道10位a/d通道等。 4.2繼電器驅(qū)動電路 繼電器驅(qū)動電

9、路如圖5，由單片機引腳pe0來控制繼電器j1通斷，當(dāng)pe0發(fā)出高電平時，二極管q1導(dǎo)通，繼電器j1線圈也隨之通電，使長開觸點k1閉合，從而控制中間繼電器來控制主回路繼電器的開合，此時發(fā)光二極管ds1發(fā)光以顯示繼電器j1動作，二極管起續(xù)流作用。圖5 單片機控制系統(tǒng)4.3電壓電流采樣電路為了判斷控制節(jié)電檔位及節(jié)電與否，必須對電壓電流進行采樣，其采樣電路如圖6，通過電流互感器采出電壓，共模電感提高對共模干擾的影響，電容c1、c2進行濾波，再通過電壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為直流型信號，最后通過放大器隔離為單片機提供采樣信號。圖6采樣電路4.4其它電路 時鐘電路采用時鐘芯片，通過單片機的i2c總線來通訊，同時為了斷

10、電造成芯片停止計時，需另加一個電池；數(shù)字量輸入電路通過光耦隔離把信號送給單片機；顯示電路采用串行方式，接上數(shù)據(jù)線、時鐘線、復(fù)位線、片選線等信號線，來控制液晶顯示；鍵盤可由單片機直接卻驅(qū)動。5控制電路的軟件設(shè)計軟件編程采用模塊化設(shè)計，以主程序為核心，子程序分為幾個模塊：鍵盤檢測模塊、液晶顯示模塊、時鐘模塊 、通訊模塊等，實現(xiàn)相應(yīng)的功能。程序系統(tǒng)程序流程圖為圖7，先初始化單片機的i/o口、定時器/計數(shù)器t1和t2、通訊串口uart、模數(shù)轉(zhuǎn)化a/d等外設(shè)，接下來把時鐘芯片中的時間通過i2c總線讀到芯片中，以便顯示出當(dāng)?shù)貢r間；同時把電壓、電流通過互感器采到ad口經(jīng)ad轉(zhuǎn)換程序顯示，液晶顯示程序是程序的

11、主要模塊，是控制器的人機接口界面，具有兩級菜單，可以設(shè)置各種不同的功能，如經(jīng)緯度設(shè)定、固定節(jié)電時間設(shè)定、時鐘設(shè)定、通訊參數(shù)設(shè)定等。各種功能的編寫都有一定的算法，根據(jù)需要改變繼電器的動作順序及狀態(tài)。經(jīng)緯度設(shè)定輸入經(jīng)緯度系統(tǒng)會根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度計算出日出日落時間，從而確定開燈延遲時間及關(guān)燈提前時間。其流程圖如圖7，已知：日出日落位置h=，經(jīng)度long，緯度glat，時區(qū)zone，第一次計算時的日出日落時間ut0=，其中days是格林威治時間2000年1月1日到計算日的天數(shù)，t為格林威治時間2000年1月1日到計算日的世紀(jì)數(shù)，l為太陽的平黃徑，g為太陽的平近點角，q為太陽的黃道經(jīng)度，k為地球的傾角，d

12、為太陽的偏差，gha為 太陽的時間角，e為修正值，流程圖中公式中的“”，“+”表示計算日出時間，“-”表示計算日落時間。上面計算的單位為度，即=12小時，故最后轉(zhuǎn)化為小時表示的時間為t=ut/15+zone。時空方式有按經(jīng)緯度設(shè)定工作、按固定時間設(shè)定工作、按特定節(jié)假日工作三種方式，功能設(shè)置中應(yīng)處理好優(yōu)先級的順序，檔位的選擇和回路的選擇應(yīng)以手工操作為第一級，次級以穩(wěn)壓功能的設(shè)定來確定最優(yōu)檔位，最后根據(jù)三種工作方式的優(yōu)先級來確定。而節(jié)電時間則以特定日期段設(shè)定為優(yōu)先級最高，次之是特定時間段最后為經(jīng)緯度設(shè)定。圖7 系統(tǒng)程序流程6成功案例根據(jù)設(shè)計圖紙由中能惠天節(jié)能科技(北京)有限公司進行加工生產(chǎn)并投入使

13、用，與2007年8月份安裝于西北某市，圖8為外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖： 圖8 節(jié)電器結(jié)構(gòu)圖柜體用2mm冷軋鋼板靜電噴塑，牢固而耐腐蝕；規(guī)格：600*700*1800，采用防雨設(shè)計，前后開門便于操作和維修，門內(nèi)有密封條，嚴密性較好，門四周設(shè)流水槽，如有雨水侵入便從流水槽內(nèi)排出，不會危害電器元器件；上蓋內(nèi)安裝兩臺小型排氣扇，四周留有散熱孔，邊緣有滴水沿，在內(nèi)部溫度超過75時排氣扇自動啟動，從上蓋四周排出，柜體下側(cè)兩邊有進氣孔，其進氣孔內(nèi)部貼有過濾網(wǎng)，防止小蟲及雜物進入。主回路接觸器及繼電器使用“正泰”系列產(chǎn)品，聯(lián)結(jié)導(dǎo)線端頭全部做涮錫處理，使用線槽配線，整齊美觀。圖9 安裝于某市節(jié)電器分布圖此次在西北某市安

14、裝18臺，其市區(qū)中心各路段安裝位置見圖9：經(jīng)過一段時間的運行與觀察，其性能穩(wěn)定，節(jié)電效果顯著，具體工作實測參數(shù)如下表位置編號節(jié)電器容量運行時間（小時）穩(wěn)壓設(shè)置值（%）旁路時工作電流（a）節(jié)電時工作電流（a）節(jié)電率（%）1單相100a3501280.955322單相100a32015441626.5403單相100a26015986434.74單相150a33015100.7864.5365單相150a27015133.380406單相150a26015130.78634.27單相150a26012121.485308單相150a3601594.8460.7369單相300a25015121753810三相100a501547.895.765.2326745平均3111三相100a1601564.52141.94613.927平均3312三相100a1101564.129.229.841.71920平均3413三相100a190153.922.919.32.715.113.1平均3214三相100a2001522.8686415.545.348.8平均3415三相100a901518.621.720.213.114.613.4平均3216三相150a801550.551.28633.733.759.1平均3317三相150a1401526