帶遠程監(jiān)控的路燈照明節(jié)電控制系統(tǒng)設(shè)計

0 引言

　　照明是城市基礎(chǔ)設(shè)施的組成部分，在城市的交通安全、社會治安、人民生活和市容風貌中居于舉足輕重的地位，并發(fā)揮著不可替代的作用，也標志著城市實力和成熟的程度。現(xiàn)有的城市路燈70％以上使用的都是高壓鈉燈，其設(shè)計壽命為24 000小時（5年）。但是，由于電壓波動大，許多地區(qū)的波動甚至超過額定電壓的15％，特別是在后半夜，由于電負荷減少，使得電網(wǎng)電壓有時接近245 V，高電壓不但浪費了電能，還縮短了燈泡的使用壽命，事實上，現(xiàn)在城市路燈的實際使用壽命平均不到一年。

　　目前，在供電電源端節(jié)能的方式主要有兩種，一是采用半夜燈，二是采用調(diào)壓方式。并夜燈是通過在下半夜關(guān)掉一部分照明燈的方法來達到節(jié)能，它具有簡單易行的特點，缺點是道路照明不均勻，且無法解決下半夜電壓高而影響光源壽命的問題，也不適用于商場、學(xué)校這些室內(nèi)場所。而通過降低供電電壓的方法不但可以節(jié)能，還可延長光源的壽命，是一種較好的節(jié)能方式。

　　為此本文提供了一種基于C8051F310單片機的節(jié)電控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，該系統(tǒng)能針對電網(wǎng)電壓偏高和波動現(xiàn)象，并根據(jù)用戶現(xiàn)場的實際需求，實時在線調(diào)控輸出最佳照明工作電壓，以將其穩(wěn)定在允許的范圍內(nèi)，從而提高電力質(zhì)量，節(jié)約照明用電，延長燈泡的使用壽命，十分適用于路燈、學(xué)校、商場等室內(nèi)和室外的照明節(jié)電控制。

　　1 基本設(shè)計思路

　　本文所設(shè)計的路燈控制器采用自耦變壓器形式調(diào)整負載路燈的電壓，自耦變壓器的一、二次側(cè)線圈不僅有磁的聯(lián)系，還有電的聯(lián)系，所以，在輸出電壓調(diào)節(jié)范圍不大時，它的容量比較小，所以消耗的材料小，造價低，效率高，其最大的優(yōu)點是克服了可控硅斬波型產(chǎn)品產(chǎn)生諧波的缺陷，實現(xiàn)了電壓的正弦波輸出，其結(jié)構(gòu)和功能都很簡單，可靠性也比較高。

　　圖1所示是一個路燈照明節(jié)電系統(tǒng)的基本框圖。該路燈節(jié)電控制器要實現(xiàn)的基本設(shè)計思路是通過閉合在自耦變壓器二次邊不同變比的四個觸點開關(guān)，使路燈兩端電壓在電網(wǎng)電壓變化時（主要是夜間電網(wǎng)電壓偏高時）能夠自動穩(wěn)定在一預(yù)設(shè)值。

　　熒光燈是一種利用汞放電產(chǎn)生紫外輻射來激發(fā)熒光粉層而發(fā)光的低氣壓放電燈，是目前工廠、大廈、商場、機關(guān)、學(xué)校和家庭照明的一種主要電光源。表1給出了熒光燈的照度、壽命與電壓的關(guān)系（令額定電壓下的壽命為1）。

　　由表1可知，若電網(wǎng)電壓為額定電壓220 V，采用90％額定電壓供電時，燈具壽命可延長一倍，照度衰減7％。從人體視覺學(xué)可知，人的眼睛對光強度變化的感覺是按對數(shù)關(guān)系計算的，照度衰減7％，人的視覺能夠感覺到光線變暗1．6％，此時節(jié)約電能19％，可以達到最佳能效比。如電網(wǎng)電壓超過220 V，則節(jié)能率一般在20％以上。所以，90％額定電壓為室內(nèi)照明供電最優(yōu)運行與節(jié)能電壓。

　　1．1 觸點開關(guān)設(shè)置方案

　　由以上分析可知，90％的額定電壓為路燈或室內(nèi)照明最優(yōu)運行與節(jié)能電壓，即200伏。我國電網(wǎng)電壓標準為220 V（-15％~+10％），即電網(wǎng)電壓的波動范圍為187～242 V。假設(shè)電網(wǎng)電壓在以上電壓范圍內(nèi)波動，并設(shè)自耦變壓器各路開關(guān)變比分別為a0、a1、a2、a3，那么，可以取電網(wǎng)波動的四個電壓點來計算設(shè)定自耦變壓器的變比，以使電網(wǎng)電壓在這四個點的時候，變壓器輸出均為200V，這四個點為200V，210V，220V，230V。

　　設(shè)旁路變比為1，即當電網(wǎng)電壓為200 V時，其變比a0=1，則其他各路開關(guān)的變比為：a1=0．95，a2=0．90，a3=0．87。以這四個點為中心，我們可以把電壓波動的范圍分成4個段，如圖2所示。設(shè)電網(wǎng)電壓為X，輸出電壓為Y，變比為ax。

　　由圖2可知，其輸出電壓值的精度至少可達到94．3％。

　　現(xiàn)以冬季為例需要為道路照明的時間為17：00至次日6：00。根據(jù)電壓觀測的結(jié)果，電網(wǎng)電壓通常應(yīng)穩(wěn)定在220 V左右，但在半夜0：00至次日6：00，由于電網(wǎng)負荷小，電網(wǎng)電壓會逐漸攀升至230 V。據(jù)此可以計算出節(jié)電率。其電壓調(diào)整前的耗電量：

　　通過計算可知，其節(jié)電率可達21％。

　　1．2 電壓控制方案

　　設(shè)輸入電壓為X，輸出電壓為Y；t時刻的電網(wǎng)輸入電壓為X（t），觸點開關(guān)跳變值為P，那么，可以先通過下式判斷輸入電壓X處于上升階段還是下降階段：

　　若某路在t時刻的輸入電壓大于（t-1）時刻的輸入電壓，則輸入電壓處于上升階段。設(shè)定電壓跳變值為P，即電壓上升到P+2時。觸點開關(guān)跳變。反之，若某路t時刻的輸入電壓小于（t-1）時刻的輸入電壓，則輸入電壓處于下降階段，若設(shè)定電壓跳變值為P，即電壓下降到（P-2）時，觸點開關(guān)跳變。

　　其中，可以設(shè)定4 V的回差，以使電壓在上升和下降兩個階段有兩個不同的閾值。設(shè)置該回差是為了保證觸點開關(guān)在輸入電壓波動頻繁時不會隨之出現(xiàn)頻繁跳變。

　　1．3 采樣方案

　　針對該系統(tǒng)的電網(wǎng)電壓幅值變化不是很快的特點，該路燈控制器的采樣速度和采樣精度的要求都不需要很高。而微控制器C8051F310自帶的10位AD轉(zhuǎn)換器本身的精度就能滿足系統(tǒng)要求。信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換之后，再由微處理器計算相應(yīng)電壓的有效值，并進一步進行判斷即可。該設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、成本低，且足夠滿足采樣速度和采樣精度的要求。

　　A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度，是由其參考電壓和輸出字段長度共同決定的。所謂轉(zhuǎn)換精度是指一個A/D轉(zhuǎn)換器可以對最小電壓變化的監(jiān)測能力。實際上，轉(zhuǎn)換精度就是A／D轉(zhuǎn)換器的最小步進電壓，只需將MD轉(zhuǎn)換器的參考電壓與該轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換值的數(shù)量相除，就可以得到該電壓值。

　　由于C8051F330采用3．3 V作為基準電壓，故其轉(zhuǎn)換精度為3．3／1024，即3．22 mV，完全可以滿足本系統(tǒng)的精度要求。

　　1．4 遠程通訊控制方案

　　遠程通信是指多臺路燈控制器與PC機之間的通信，便于用戶對分布在各處的路燈控制器的狀態(tài)進行監(jiān)控，本系統(tǒng)通過C8051F310自帶的UART口和PC機的串口進行通信，以將檢測到的各種狀態(tài)信息傳給上位機（如電網(wǎng)的電壓，A、B、C各相的電流，以及路燈控制器所處的各個狀態(tài)等等），而用戶則可根據(jù)上位機的軟件來選擇要監(jiān)控的路燈控制器，然后根據(jù)其狀態(tài)來發(fā)出各種控制命令，如旁路或者選擇節(jié)能所處的檔位。

　　鑒于采用的是一臺PC機對多臺路燈控制器的方式，故可采用偵聽方式來規(guī)定其通信協(xié)議，即給每一臺控制器分配一個通信地址。通信開始之前，主機先發(fā)送通信地址，每一臺控制器都接收這個地址，然后與自身的地址相比較，地址匹配的路燈控制器開始與主機通信，其它的保持偵聽狀態(tài)。這樣，用戶就可方便地對任何一臺控制器進行監(jiān)控。

　　綜合考慮總線的傳輸距離和抗干擾能力等因素，本設(shè)計在控制板上采用RS-485接口，并采用差分方式傳輸信號，故其抗共模干擾的能力很強。