全自動(dòng)節(jié)能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明書.doc

全自動(dòng)節(jié)能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 設(shè)計(jì)者：陳明偉、龔攀君、張海江、秦芍芍、喬禹 指導(dǎo)老師：王玉林 （機(jī)械工程學(xué)院、電氣工程學(xué)院）作品內(nèi)容簡(jiǎn)介 路燈是城市道路照明的重要設(shè)施，對(duì)夜間行人及車輛行駛的安全具有重要意義。 目前常用的路燈控制方式是按照規(guī)定時(shí)間亮滅，而不能根據(jù)天氣條件對(duì)路燈的亮滅時(shí)間及明暗程度進(jìn)行合理的調(diào)整。另外，對(duì)于車流量和人流量均少的街道，控制方式任與繁忙街道一樣，采用統(tǒng)一的控制方式。因此，這種傳統(tǒng)的控制方式不但不能滿足現(xiàn)代社會(huì)的照明需求，同時(shí)也造成了大量的資源浪費(fèi)。針對(duì)以上不足，本設(shè)計(jì)提出了一種光線控制節(jié)能路燈，并且能根據(jù)交通情況自動(dòng)調(diào)節(jié)亮燈狀態(tài)；該路燈能夠根據(jù)自然光的強(qiáng)弱，自動(dòng)控制路燈開(kāi)關(guān)及明暗程度，對(duì)于車流量和人流量少的街道，該街道的路燈會(huì)根據(jù)有無(wú)車或行人來(lái)控制路燈的亮滅。在滿足人類生活的前提下實(shí)現(xiàn)“綠色照明”。 1 研制背景及意義我國(guó)現(xiàn)有的路燈70以上使用的都是高壓鈉燈，在電力緊張的背景下，我國(guó)政府出臺(tái)了一些文件，要求在后半夜，采取“亮一隔一”或“亮一隔二”的措施，關(guān)閉部分光源。這只能作為緩，照度均勻度將不同程度、甚至是嚴(yán)重的下降，對(duì)交通、行人安全、對(duì)維護(hù)社會(huì)治安產(chǎn)生不利影響。高壓鈉燈其設(shè)計(jì)壽命為24000小時(shí)(5年)。但是由于我國(guó)城市電網(wǎng)技術(shù)落后，造成線路的電壓波動(dòng)大大超過(guò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，許多地區(qū)的波動(dòng)甚至超過(guò)額定電壓的左右15，特別是在后半夜，由于采取“亮一隔一”或“亮一隔二”的措施，電負(fù)荷減少使得電網(wǎng)電壓有時(shí)接近245V，致使路燈燈泡的實(shí)際使用壽命平均不到一年。因?yàn)?，“亮一隔一”或“亮一隔二”不僅減小照度，同時(shí)區(qū)別于不同的燈桿布置方式。還有調(diào)壓技術(shù)，傳統(tǒng)調(diào)壓節(jié)電方法包括晶閘管斬波型節(jié)能和自我禍壓式調(diào)控兩種方法。其中晶閘管斬波型節(jié)能方法具有對(duì)路燈照明系統(tǒng)電壓調(diào)整速度快速，精度非常高，并可實(shí)現(xiàn)分時(shí)段的實(shí)時(shí)調(diào)整的優(yōu)點(diǎn)，另外體積小和成本低也是其另外主要優(yōu)點(diǎn)。美中不足的是這種節(jié)電節(jié)能方式會(huì)在工作時(shí)產(chǎn)生大量諧波，危害電網(wǎng)運(yùn)行安全，因此在照明電路中并不適宜運(yùn)用。另一種自我禍壓式調(diào)控節(jié)能方法可以有效避免產(chǎn)生諧波，可靠性非常高，但是只能夠進(jìn)行固定的降壓而不能穩(wěn)壓和升壓，所以也不適宜大量運(yùn)用推廣。 在國(guó)外，智能光源降壓穩(wěn)壓調(diào)光技術(shù)是國(guó)際上流行的全數(shù)字智能路燈節(jié)能控制技術(shù)。它充分考慮了城市道路照明的實(shí)際狀況，依據(jù)人體工程學(xué)中的視覺(jué)理論，采用現(xiàn)代控制論中的最優(yōu)控制方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)路燈電壓及照度的動(dòng)態(tài)智能化管理。此項(xiàng)技術(shù)的基本思路就是：在繁忙的時(shí)段，控制路燈保持較強(qiáng)的照度，接近午夜時(shí)分，開(kāi)始自動(dòng)調(diào)光，在后半夜車稀人少時(shí)，則控制路燈保持較低照度的照明。它的主要優(yōu)點(diǎn)就是在調(diào)光的同時(shí)也大幅降低了電耗，節(jié)約有功電耗達(dá)30以上。但是，其未能充分考慮到路燈在不同自然環(huán)境下亮燈的時(shí)機(jī)，按照傳統(tǒng)思維在固定時(shí)間亮燈極易浪費(fèi)能源并且造成人們生活上的不便。即我國(guó)城市一般天還亮著的時(shí)候路燈便打開(kāi)了（打開(kāi)過(guò)晚影響交通及人們正常生活治安），但沒(méi)有但沒(méi)有相應(yīng)的控制措施進(jìn)行節(jié)能控制。 2 設(shè)計(jì)方案2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)根據(jù)調(diào)查，我國(guó)現(xiàn)有的路燈耗電情況比較嚴(yán)重，主要是沒(méi)有考慮到在不同的環(huán)境亮度來(lái)調(diào)整路燈的亮度，比如我國(guó)大部分城市在天還沒(méi)完全黑的情況下就開(kāi)路燈，這樣就造成資源的浪費(fèi)。通過(guò)我們所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，能夠讓路燈根據(jù)外界環(huán)境的光線強(qiáng)度和時(shí)間段來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)路燈的亮度，同時(shí)根據(jù)路段的繁忙狀況控制路燈的亮滅，這樣能夠避免資源的浪費(fèi)，也能夠使資源得到充分的利用。根據(jù)計(jì)算，應(yīng)用我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)每年可以為我國(guó)城市公共照明節(jié)省約25億元資金，并且有效的提高了高壓鈉燈的壽命，這樣也為我國(guó)節(jié)省了資金。2.2設(shè)計(jì)內(nèi)容 如今在節(jié)約型社會(huì)的倡導(dǎo)下，國(guó)內(nèi)外在路燈的節(jié)能方面做了大量工作，例如由節(jié)能燈、高壓鈉燈替代普通燈泡，由夜間全亮轉(zhuǎn)變?yōu)椤傲烈桓粢弧?、“亮一隔二”等方法都取得了較好的節(jié)能效果。本課題在此基礎(chǔ)上，對(duì)路燈的控制方式進(jìn)行研究，力求達(dá)到更好的節(jié)能效果。主要研究?jī)?nèi)容如下： (1)通過(guò)光電傳感器感知外界環(huán)境的光強(qiáng)變化。本作品在現(xiàn)有節(jié)能燈的基礎(chǔ)上加入光電傳感器，通過(guò)光電傳感器的感光作用將光能模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，從而感知外界光線強(qiáng)度的變化情況。 (2)根據(jù)光線強(qiáng)度變化對(duì)路燈亮度的調(diào)節(jié)。本作品首先將路燈的亮暗程度大致的規(guī)定在一定范圍內(nèi)，并且將變化的電信號(hào)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)電信號(hào)的變化，選擇電路中不同的控制路線，從而做出對(duì)路燈的相應(yīng)調(diào)整。 (3)根據(jù)時(shí)間段調(diào)節(jié)路燈的亮度。本作品能實(shí)現(xiàn)：在繁忙的時(shí)段，控制路燈保持較強(qiáng)的照度，接近午夜時(shí)分，開(kāi)始自動(dòng)調(diào)光，在后半夜車稀人少時(shí)，則控制路燈保持較低照度的照明。 (4)根據(jù)街道的繁忙程度控制路燈的亮滅。本作品對(duì)某些車流量和人流量少的冷清街道，實(shí)施當(dāng)有物體快進(jìn)入給街道時(shí)開(kāi)啟該街道的路燈，當(dāng)物體離開(kāi)該街道一定距離時(shí)關(guān)斷該街道路燈。2.3 擬采取的設(shè)計(jì)方法及技術(shù)路線設(shè)計(jì)方法：本作品主要采取的設(shè)計(jì)方法主要為文獻(xiàn)法和個(gè)案研究法。本小組首先確立了研究光線控制節(jié)能路燈方向,在此礎(chǔ)之上搜集有關(guān)資料，在進(jìn)行了一系列系統(tǒng)全面的調(diào)查之后，總結(jié)了各方面的技術(shù)，找出了現(xiàn)階短節(jié)能路燈的不足之處-目前實(shí)際生產(chǎn)生活中路燈亮起和熄滅時(shí)間無(wú)法做出細(xì)化的控制，造成一定的資源浪費(fèi)的實(shí)際情況，本小組針對(duì)這一點(diǎn)展開(kāi)詳細(xì)的研究。本小組擬在現(xiàn)階段節(jié)能路燈的基礎(chǔ)之上，加以光電傳感器、超聲波傳感器、單片機(jī)、電壓控制裝置、整流器等一系列的電氣元件。在一天當(dāng)中，根據(jù)不同時(shí)刻的自然光線強(qiáng)度的不同，通過(guò)采光元件對(duì)光線進(jìn)行采集，然后將采集到的光信號(hào)利用光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以識(shí)別的電信號(hào)，此電信號(hào)的強(qiáng)弱大小將直接影響單片機(jī)執(zhí)行不同的程序，從而控制不同的電路，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生不同的電壓，經(jīng)過(guò)后期整流器的調(diào)整，從而減小電壓的突變對(duì)路燈器件的損害，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的穩(wěn)壓控制，最終可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)每天不同時(shí)刻外界自然光線強(qiáng)弱程度的不同，光敏原件的采光量不同，達(dá)到對(duì)路燈施加不同的電壓，同時(shí)配合穩(wěn)壓器的作用，實(shí)現(xiàn)路燈的亮度變化隨外界光線強(qiáng)弱的變化而變化的功能。用單片機(jī)根據(jù)各個(gè)時(shí)間段的需求，設(shè)置亮燈的亮度。對(duì)于某些冷清街道，采用超聲波傳感器判斷有無(wú)人或車進(jìn)入該街道來(lái)控制該街道的路燈亮滅。 技術(shù)路線：本作品旨在研究全自動(dòng)節(jié)能路燈控制系統(tǒng)，改變現(xiàn)有的路燈沒(méi)有達(dá)到合理節(jié)能的現(xiàn)狀，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的節(jié)約。在本次探索過(guò)程中，組長(zhǎng)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)組織，組員各有分工，如實(shí)地調(diào)查，資料搜集，電路設(shè)計(jì)，模型制作等等，實(shí)現(xiàn)了組員之間的協(xié)同配合。對(duì)于實(shí)驗(yàn)方案，小組成員之間進(jìn)行了討論，確定了實(shí)驗(yàn)的方向，方法，步驟，并期望在今后的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不斷改進(jìn)。另外，通過(guò)市場(chǎng)及實(shí)地調(diào)查，對(duì)實(shí)驗(yàn)所需原件進(jìn)行了調(diào)查，并且對(duì)此次科技創(chuàng)新的成本及是否具有可行性進(jìn)行了充分的估測(cè)，在綜合了各方面的信息和數(shù)據(jù)之后，本小組采取了最經(jīng)濟(jì)最有效的技術(shù)路線，將在今后的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中體現(xiàn)出來(lái)。預(yù)計(jì)最后成果將以模型的形式展現(xiàn)。2.4實(shí)驗(yàn)方案一、對(duì)我國(guó)城市照明情況進(jìn)行調(diào)查，收集路燈類型、壽命參數(shù)、照明時(shí)間、不同地域不同環(huán)境下路燈的工作狀況及照明程度、用電狀況等數(shù)據(jù)。二、對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并對(duì)我國(guó)路燈節(jié)能所面臨的主要問(wèn)題及已有成果進(jìn)行研究。三、全自動(dòng)節(jié)能路燈控制系統(tǒng)可行性研究，成本及節(jié)省電能的分析，并討論方案可行性。四、根據(jù)以上分析成果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)總體設(shè)計(jì)，包括實(shí)驗(yàn)原理圖的繪制，應(yīng)用元件的確定及采購(gòu)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的確定等等。五、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目板塊的確定，初步確定為五個(gè)板塊：光電傳感器采光處理、超聲波傳感器識(shí)別物體、單片機(jī)編程及設(shè)計(jì)、電壓調(diào)節(jié)、穩(wěn)壓設(shè)備的設(shè)計(jì)。六、各個(gè)板塊的設(shè)計(jì)及五個(gè)板塊的結(jié)合，模擬實(shí)驗(yàn)，可行性、可靠性實(shí)驗(yàn)，項(xiàng)目的修改及完善等。七、根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行實(shí)物模型的設(shè)計(jì)制作，調(diào)節(jié)及完善等，主要解決模擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)際元件設(shè)備的差別問(wèn)題。八、模型在實(shí)際路燈系統(tǒng)中的應(yīng)用問(wèn)題的解決，本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不足點(diǎn)的定義研究及解決構(gòu)想等。九、設(shè)計(jì)構(gòu)想圖如光敏傳感器路燈系統(tǒng)AC - AC 變流電路電網(wǎng)系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換直流電源人工控制超聲波傳 感器模塊D/A轉(zhuǎn)換PWM波單片機(jī)圖一：系統(tǒng)方框圖3 理論設(shè)計(jì)計(jì)算自然界的波長(zhǎng)范圍非常廣，但人眼看到的范圍只有390nm - 780nm。通過(guò)光敏三極管把光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過(guò)放大電路，用AD進(jìn)行采樣，通過(guò)STM32單片機(jī)控制調(diào)節(jié)路燈的亮度。 3.1 光敏三極管為在接收微弱光信號(hào)時(shí)有較大的光電流輸出,光敏三極管的 值必須要求大, 才能將微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換成較強(qiáng)的電信號(hào), 因而 值的設(shè)計(jì)尤為重要。我們知道, 晶體管共發(fā)射極的電流放大倍數(shù)為 = Inc/Ipb = Inc/(Ipe + Ine + Inc )1/ = Ipe/Inc + (Ine - Inc)/Inc =DpeWbNb /DnbLpeNe + W2b/2L2nb=QeWb/QbLpe + W2b/2L2nb (1)式中: Inc 為集電極電流, Ipb 為基極電流, Ipe 為發(fā)射極電流, Ine為發(fā)射區(qū)電子電流, Dpe 和 Dnb分別為空穴在發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散系數(shù)和電子在基區(qū)的擴(kuò)散系數(shù),Lpe為空穴在發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散長(zhǎng)度, Lnb為電子在基區(qū)的擴(kuò)散長(zhǎng)度, Nb 和Ne 分別為基區(qū)和發(fā)射區(qū)的摻雜濃度, Qe 和 Qb 分別為發(fā)射區(qū)和基 區(qū)的電阻率, Wb為基區(qū)寬度。設(shè)光電二極管的漏電流為 ib, 則光敏三極管的暗電流 ID 為ID = ib (2)要使光敏三極管的漏電流很小, 必須選擇載流子壽命長(zhǎng)、 無(wú)缺陷的襯底材料; 工藝制作中應(yīng)控制好基區(qū)- 集電極之間的漏電流, 此外 值不宜過(guò)大。 3.2 超聲波傳感器超聲波測(cè)距原理是通過(guò)超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波,在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí),超聲波在空氣中傳播時(shí)碰到障礙物就立即返回來(lái),超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為v,而根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差t,就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離S,即:S=vt /2 (3)這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。由于超聲波也是一種聲波,其聲速C與溫度有關(guān),表1列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時(shí),如果溫度變化不大,則可認(rèn)為聲速是基本不變的。常溫下超聲波的傳播速度是334米/秒,但其傳播速度V易受空氣中溫度、濕度、壓強(qiáng)等因素的影響,其中受溫度的影響較大，如溫度每升高1,聲速增加約0.6米/秒。如果測(cè)距精度要求很高,則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕū鞠到y(tǒng)正是采用了溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ǎＲ阎F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度T時(shí),超聲波傳播速度V的計(jì)算公式為：V=331.45+0.607T (4)4 工作原理及性能分析 4.1 光敏三極管 光敏三極管和普通三極管相似，也有電流放大作用，只是它的集電極電流不只是受基極電路和電流控制，同時(shí)也受光輻射的控制。 通?；鶚O不引出，但一些光敏三極管的基極有引出，用于溫度補(bǔ)償和附加控制等作用。 光敏三極管又稱光電三極管，它是一種光電轉(zhuǎn)換器件，其基本原理是光照到P-N結(jié)上時(shí)，吸收光能并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。?dāng)光敏三極管加上反向電壓時(shí)，管子中的反向電流隨著光照強(qiáng)度的改變而改變，光照強(qiáng)度越大，反向電流越大，大多數(shù)都工作在這種狀態(tài)。 光電三極管特性曲線：圖三：波長(zhǎng)特性圖二：照度特性曲線 4.2 超聲波傳感器 超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是指頻率高于20kHz的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽(yáng)光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。 超聲波傳感器及其測(cè)距原理:超聲波是指頻率高于20khz的機(jī)械波。為了以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。5本項(xiàng)目的創(chuàng)新之處針對(duì)目前實(shí)際生產(chǎn)生活中路燈亮起和熄滅時(shí)間無(wú)法做出細(xì)化的控制，造成一定的資源浪費(fèi)的實(shí)際情況，本項(xiàng)目在綜合了各類節(jié)能路燈的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上做出了相應(yīng)的改革與創(chuàng)新。本項(xiàng)目利用光敏元件、超聲波傳感器、光電轉(zhuǎn)換元件、單片機(jī)以及穩(wěn)壓的配合作用，根據(jù)每天不同時(shí)刻外界自然光線強(qiáng)弱程度的不同，光敏元件的采光量不同，達(dá)到對(duì)路燈施加不同的電壓，通過(guò)單片機(jī)對(duì)不同時(shí)段對(duì)路燈的亮度作相應(yīng)的調(diào)整，根據(jù)路段的繁忙程度不同，超聲波傳感器檢測(cè)是否將有物體進(jìn)入街道，來(lái)控制那些冷清街道路燈的亮