智能路燈節(jié)電器的研制與應(yīng)用

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(jī)為核心設(shè)計(jì)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(xì)的介紹了實(shí)現(xiàn)節(jié)電器控制的硬件設(shè)計(jì)和軟件編程設(shè)計(jì)，對(duì)節(jié)電工作的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行了論述。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，節(jié)電效果明顯。同時(shí)，該節(jié)電器具有原理簡(jiǎn)單、控制方便、具有較高的性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：路燈節(jié)電器；單片機(jī)；節(jié)能引言隨著各地經(jīng)濟(jì)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(lái)越大，數(shù)量也越來(lái)越多，這對(duì)改善各地區(qū)的投資環(huán)境,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)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(lái)的是能耗的大幅度提高，特別是近年來(lái)能源價(jià)格大幅度提升，使城市照明的電力耗費(fèi)成為各地政府部門的一大經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)；此外，經(jīng)多方測(cè)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(fù)荷減少而升高15%左右，此時(shí)用電設(shè)備在高于設(shè)備額定電壓狀態(tài)下運(yùn)行，將會(huì)導(dǎo)致設(shè)備過(guò)度發(fā)熱，既縮短了燈源壽命，又增加了維護(hù)費(fèi)用。另?yè)?jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，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(shì)，隨著我國(guó)能源短缺，供電緊張。同時(shí)，許多地方存在用電效率低下、浪費(fèi)嚴(yán)重之問題。所以，很有必要采用一種方便又經(jīng)濟(jì)的節(jié)電器來(lái)解決以上問題。經(jīng)過(guò)理論分析和反復(fù)實(shí)踐并多次電路改進(jìn)，研制出了一種用單片機(jī)作為控制核心的智能型路燈節(jié)電裝置（以下簡(jiǎn)稱路燈節(jié)電器），經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用其運(yùn)行穩(wěn)定、節(jié)電效果顯著的特點(diǎn)得到了使用者的肯定。2．節(jié)電器主要功能：自動(dòng)穩(wěn)壓功能：根據(jù)設(shè)定輸出電壓值自動(dòng)跟蹤調(diào)壓，使節(jié)電效率達(dá)到最佳。顯示功能：采用觸摸屏顯示，操作簡(jiǎn)易外形美觀。定時(shí)起停功能：可實(shí)現(xiàn)：按經(jīng)緯度控制開關(guān)燈；按固定時(shí)間表控制開關(guān)燈；按特定日期段的時(shí)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(lái)判斷日出日落時(shí)間，以便節(jié)電器準(zhǔn)確的節(jié)電?？刂乒δ埽?路輸出，每路均可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立開關(guān)燈控制，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)半夜燈等功能。遠(yuǎn)程監(jiān)控：可通過(guò)有線、無(wú)線（GPRS）方式進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。保護(hù)功能：可設(shè)置電壓、電流極限值，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)過(guò)壓和過(guò)載及超溫保護(hù)。旁路功能:：可根據(jù)設(shè)定的電流變化率自動(dòng)實(shí)現(xiàn)旁路全壓?jiǎn)?dòng)。補(bǔ)償功能：七級(jí)自動(dòng)補(bǔ)償，可根據(jù)設(shè)定值自動(dòng)投切電容器組，保持最佳功率因數(shù)。擴(kuò)展功能：系統(tǒng)設(shè)計(jì)多路開關(guān)量輸入，開關(guān)量輸出和模擬量輸入。節(jié)電器的原理及主回路結(jié)構(gòu)3．1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(duì)其他設(shè)備有干擾，不能滿足要求；磁飽和方式在大功率時(shí)因其體積龐大也不能滿足要求；可控硅斬波方式諧波大，實(shí)現(xiàn)正弦輸出困難；自耦降壓方式實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可靠性也高，故本設(shè)計(jì)采用自耦降壓方式。根據(jù)自耦降壓的原理，通過(guò)自耦變壓器的機(jī)芯，根據(jù)不同的電壓輸出要求，引出不同的接線抽頭，將電網(wǎng)降為幾檔，從而實(shí)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(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，降壓節(jié)能不但是一種切實(shí)可行的方法，而且可以延長(zhǎng)燈的壽命，具有雙重意義上的節(jié)能。圖1變壓器原理圖合適的照明亮度是節(jié)電過(guò)程要十分重視的，節(jié)電的基本原則是保證不降低工作場(chǎng)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(dá)到最有效的節(jié)能。根據(jù)有關(guān)研究和實(shí)驗(yàn)，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(wú)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(guò)額定電壓10%時(shí)，燈具壽命降低一倍，燈具電壓為額定90%時(shí)，燈具壽命提高一倍，亮度降低7%，此時(shí)與過(guò)壓10%相比壽命適長(zhǎng)4倍，而且亮度值與額定狀態(tài)相比僅衰減7%，人眼對(duì)光線的感覺成對(duì)數(shù)關(guān)系，即光線亮度增加10倍時(shí)，人能夠感覺到亮度增加1倍，而當(dāng)光線亮度減少7%時(shí)，人眼很難覺察到，因此，燈具電壓為額定值90%時(shí)為最優(yōu)照明電壓。圖2電壓與照度、燈具壽命的關(guān)系曲線路燈節(jié)電器是一種智能化設(shè)備，它應(yīng)用其獨(dú)特的控制方式，采用最先進(jìn)微型計(jì)算機(jī)，對(duì)照明系統(tǒng)電壓自動(dòng)進(jìn)行處理，使照明系統(tǒng)始終工作于最佳狀態(tài)，3．2節(jié)電器結(jié)構(gòu)與控制圖3結(jié)構(gòu)示意圖電源操作模塊液晶顯示調(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)圖3結(jié)構(gòu)示意圖電源操作模塊液晶顯示調(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(bǔ)償模塊數(shù)據(jù)傳輸圖4主回路控制系統(tǒng)圖4．控制電路的硬件設(shè)計(jì)控制電路是以單片機(jī)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(jī)采用ATMEL公司生產(chǎn)的價(jià)格便宜、資源豐富、功能強(qiáng)大的AVR單片機(jī)Atmega64來(lái)控制電路。該單片機(jī)具有64K的FLASH、2K的EEPROM，擦寫次數(shù)可達(dá)10萬(wàn)次，可以用來(lái)存儲(chǔ)狀態(tài)信息、4個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，可用來(lái)設(shè)置溢出中斷、53個(gè)I/O引腳，具有較大的電流驅(qū)動(dòng)能力，可以直接驅(qū)動(dòng)液晶顯示器而省去驅(qū)動(dòng)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(gè)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(dòng)電路繼電器驅(qū)動(dòng)電路如圖5，由單片機(jī)引腳PE0來(lái)控制繼電器J1通斷，當(dāng)PE0發(fā)出高電平時(shí)，二極管Q1導(dǎo)通，繼電器J1線圈也隨之通電，使長(zhǎng)開觸點(diǎn)K1閉合，從而控制中間繼電器來(lái)控制主回路繼電器的開合，此時(shí)發(fā)光二極管DS1發(fā)光以顯示繼電器J1動(dòng)作，二極管起續(xù)流作用。圖5單片機(jī)控制系統(tǒng)4.3電壓電流采樣電路圖5單片機(jī)控制系統(tǒng)為了判斷控制節(jié)電檔位及節(jié)電與否，必須對(duì)電壓電流進(jìn)行采樣，其采樣電路如圖6，通過(guò)電流互感器采出電壓，共模電感提高對(duì)共模干擾的影響，電容C1、C2進(jìn)行濾波，再通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為直流型信號(hào)，最后通過(guò)放大器隔離為單片機(jī)提供采樣信號(hào)。圖6采樣電路圖6采樣電路4.4其它電路時(shí)鐘電路采用時(shí)鐘芯片，通過(guò)單片機(jī)的I2C總線來(lái)通訊，同時(shí)為了斷電造成芯片停止計(jì)時(shí)，需另加一個(gè)電池；數(shù)字量輸入電路通過(guò)光耦隔離把信號(hào)送給單片機(jī)；顯示電路采用串行方式，接上數(shù)據(jù)線、時(shí)鐘線、復(fù)位線、片選線等信號(hào)線，來(lái)控制液晶顯示；鍵盤可由單片機(jī)直接卻驅(qū)動(dòng)。5．控制電路的軟件設(shè)計(jì)軟件編程采用模塊化設(shè)計(jì)，以主程序?yàn)楹诵?，子程序分為幾個(gè)模塊：鍵盤檢測(cè)模塊、液晶顯示模塊、時(shí)鐘模塊、通訊模塊等，實(shí)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(jī)的I/O口、定時(shí)器/計(jì)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(lái)把時(shí)鐘芯片中的時(shí)間通過(guò)I2C總線讀到芯片中，以便顯示出當(dāng)?shù)貢r(shí)間；同時(shí)把電壓、電流通過(guò)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主要模塊，是控制器的人機(jī)接口界面，具有兩級(jí)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(shí)間設(shè)定、時(shí)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(dòng)作順序及狀態(tài)。經(jīng)緯度設(shè)定輸入經(jīng)緯度系統(tǒng)會(huì)根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度計(jì)算出日出日落時(shí)間，從而確定開燈延遲時(shí)間及關(guān)燈提前時(shí)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(shí)區(qū)Zone，第一次計(jì)算時(shí)的日出日落時(shí)間UT0=，其中days是格林威治時(shí)間2000年1月1日到計(jì)算日的天數(shù)，t為格林威治時(shí)間2000年1月1日到計(jì)算日的世紀(jì)數(shù)，L為太陽(yáng)的平黃徑，G為太陽(yáng)的平近點(diǎn)角，Q為太陽(yáng)的黃道經(jīng)度，k為地球的傾角，d為太陽(yáng)的偏差，GHA為太陽(yáng)的時(shí)間角，e為修正值，流程圖中公式中的“”，“+”表示計(jì)算日出時(shí)間，“-”表示計(jì)算日落時(shí)間。上面計(jì)算的單位為度，即=12小時(shí)，故最后轉(zhuǎn)化為小時(shí)表示的時(shí)間為T=UT/15+Zone。時(shí)空方式有按經(jīng)緯度設(shè)定工作、按固定時(shí)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(jí)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(jí)，次級(jí)以穩(wěn)壓功能的設(shè)定來(lái)確定最優(yōu)檔位，最后根據(jù)三種工作方式的優(yōu)先級(jí)來(lái)確定。而節(jié)電時(shí)間則以特定日期段設(shè)定為優(yōu)先級(jí)最高，次之是特定時(shí)間段最后為經(jīng)緯度設(shè)定。圖7系統(tǒng)程序流程6．成功案例圖7系統(tǒng)程序流程根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙由中能惠天節(jié)能科技(北京)有限公司進(jìn)行加工生產(chǎn)并投入使用，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(jì)，前后開門便于操作和維修，門內(nèi)有密封條，嚴(yán)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(huì)危害電器元器件；上蓋內(nèi)安裝兩臺(tái)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(guò)75℃時(shí)排氣扇自動(dòng)啟動(dòng)，從上蓋四周排出，柜體下側(cè)兩邊有進(jìn)氣孔，其進(jìn)氣孔內(nèi)部貼有過(guò)濾網(wǎng)，防止小蟲及雜物進(jìn)入。圖8節(jié)電器結(jié)構(gòu)圖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裝18臺(tái)，其市區(qū)中心各路段安裝位置見圖9：圖9安裝于某市節(jié)電器分布圖經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行與觀察，其性能穩(wěn)定，節(jié)電效果顯著，具體工作實(shí)測(cè)參數(shù)如下表位置編號(hào)節(jié)電器容量運(yùn)行時(shí)間（小時(shí)）穩(wěn)壓設(shè)置值（%）旁路時(shí)工作電流（A）節(jié)電時(shí)工作電流（A）節(jié)電率（%）1單相100A3501280.955322單相100A3201544．1626.5403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150A1401526.4111.1116.617.