基于X1227S8I的路燈節(jié)電控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

　　隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人民生活水平的日益提高，電力短缺問(wèn)題尤顯突出，已逐漸成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。路燈照明占城市用電量較大。為了節(jié)約城市用電，一般采用路燈節(jié)電控制器。它是利用不同時(shí)段的電壓波動(dòng)，在保證照度標(biāo)準(zhǔn)和照明質(zhì)量的前提下，采用降壓方法力求減少照明系統(tǒng)中的能量損失，最有效地利用電能。一般系統(tǒng)大都采用單片機(jī)內(nèi)部計(jì)時(shí)方式進(jìn)行軟件定時(shí)，但需要采用計(jì)數(shù)器，這不僅占用硬件資源，而且不具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，只能進(jìn)行簡(jiǎn)單控制，節(jié)電效果也不能實(shí)現(xiàn)最大化。而采用X1227S8I可以解決系統(tǒng)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，還可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的掉電保存。利用X1227S8I作為核心器件并與單片機(jī)技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)按日出、日落時(shí)間自動(dòng)開(kāi)啟路燈，以致最大程度地縮短路燈的開(kāi)關(guān)時(shí)間，獲取最大的節(jié)電效果。

2 X1227S8I簡(jiǎn)介

　　X1227S8I是一款帶有時(shí)鐘、日歷、CPU監(jiān)控電路和兩路查詢報(bào)警的實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)，它采用低成本的32.768 kHz晶體作為輸入，可精密到秒、分鐘、小時(shí)、日期、星期、月、來(lái)顯示時(shí)間，并能自動(dòng)調(diào)整閏年至2096年。X1227S8I還提供一個(gè)備用電源的輸入引腳(VBACK)，該引腳可使器件采用不可充電的電池作為備用電源。X1227S8I具有一個(gè)4 K位的EEPROM陣列，可保存系統(tǒng)配置參數(shù)，并具有安全、保密性。該存儲(chǔ)器在主電源和備用電源全都失效時(shí)不受影響。另外，X1227S8I還具有2.7～5.5 V單電源；其工作溫度范圍為-40℃～+85℃；采用小型8引腳SOIC封裝等特點(diǎn)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)

　　由于氣體放電燈消耗的功率取決于輸入電壓，根據(jù)高壓鈉燈的工作特性隨電源電壓的變化規(guī)律，當(dāng)工作電壓上升至額定電壓的106％時(shí)，鈉燈的功耗將上升至額定功率的115％；當(dāng)工作電壓上升至額定電壓的110％時(shí)，鈉燈的功耗將上升至額定功率的130％。若以額定功率為400 W的鈉燈為例，當(dāng)電源電壓上升至額定電壓的108％時(shí)，燈泡的功耗將上至480 W，這將造成用電量的大幅度上升。 由于設(shè)計(jì)道路亮度時(shí)已考慮了正常的亮度需要，所以不應(yīng)以降低亮度來(lái)節(jié)約電能消耗，但考慮到后半夜車(chē)輛人流大為減少，此時(shí)供電電壓因用電負(fù)荷減少而升高，此時(shí)采用降低供電電壓，而適當(dāng)降低光源的光通量也是可行的。假設(shè)后半夜的供電電壓升高10％，此時(shí)再降低供電電壓為額定電壓的90％來(lái)運(yùn)行，則光通量減少為額定值的70％，而消耗功率可減少55％。

　　路燈照明節(jié)能的基本原則應(yīng)以保證不降低場(chǎng)所的視覺(jué)要求為原則，在保證亮度標(biāo)準(zhǔn)和照明質(zhì)量的前提下，依據(jù)路燈電壓與功率的非線性關(guān)系，力求減少照明系統(tǒng)中的能量損失，最有效地利用電能。系統(tǒng)采用降壓調(diào)功節(jié)電，即利用時(shí)控自動(dòng)投切及跟壓調(diào)功等技術(shù)，自動(dòng)跟蹤電網(wǎng)電壓，自動(dòng)調(diào)節(jié)照明功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)燈具自動(dòng)、準(zhǔn)確地開(kāi)關(guān)及電壓和照度輸出的智能化模糊調(diào)節(jié)，解決了光控自動(dòng)投切方式的干擾。智能化地調(diào)整路燈的實(shí)際供電電源，使輸出電壓相對(duì)穩(wěn)定，保證燈具的輸入功率與實(shí)際照度要求達(dá)到最佳匹配，從而實(shí)現(xiàn)了高效節(jié)電，使其節(jié)電率達(dá)15％～38％，且延長(zhǎng)了燈具的使用壽命。

3.2系統(tǒng)框圖

　　圖1為系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖。其系統(tǒng)硬件主要由處理器(CPU)時(shí)鐘電路、顯示鍵盤(pán)電路、電流電壓信號(hào)處理電路、通訊接口電路、電源自動(dòng)切換電壓穩(wěn)定輸出控制電路等5部分組成。其中，時(shí)鐘電路負(fù)責(zé)提供鐘，保存系統(tǒng)配置參數(shù)；顯示鍵盤(pán)電路負(fù)責(zé)完成參數(shù)的設(shè)置和顯示；電流電壓信號(hào)處理電路用于完成三相電流、電壓的測(cè)量信號(hào)處理轉(zhuǎn)換；通訊接口電路負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)升級(jí)，并采用GPRS通訊方式遠(yuǎn)程控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)三相電壓、電流，以及設(shè)置遠(yuǎn)程開(kāi)燈、關(guān)燈控制參數(shù)等，以減輕路燈管理員的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)城市照明管理的現(xiàn)代化；電源自動(dòng)切換電壓穩(wěn)定輸出控制電路用于完成節(jié)電方案中電壓的分段調(diào)節(jié)控制。

3.3時(shí)鐘、參數(shù)存儲(chǔ)器電路

　　圖2示出X1227S8I應(yīng)用電路。由于P89V51RD2復(fù)位引腳RESET與X1227S8I輸出復(fù)位RESET的電平不同，所以采用74HC02轉(zhuǎn)換電平。X1227S8I的VBACK接一個(gè)3 V鋰電池，VCC電源失效時(shí)可為器件提供電源，以保證實(shí)時(shí)時(shí)鐘準(zhǔn)確。X1227S8I中SCL串行時(shí)鐘輸入端用來(lái)對(duì)所有輸入和輸出器件的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)時(shí)。串行數(shù)據(jù)端(SDA)是一個(gè)雙向引腳，用于向器件輸入或輸出數(shù)據(jù)。漏極開(kāi)路輸出需要使用上拉電阻輸出。

　　單片機(jī)采用Philips公司生產(chǎn)的一款P89V51RD2型80C51微控制器。它的主要特點(diǎn)是包含有64 KB的非易失性Flash程序存儲(chǔ)器和1 024字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM存儲(chǔ)器。前者支持并行和串行在系統(tǒng)編程(ISP)，屬低EMI方式(ALE禁能)；具有4個(gè)8位I／O端口，3個(gè)高電流P1端口(每個(gè)I／O端口的電流為16 mA)，可兼容TTL和CMOS邏輯電平。該微控制器性價(jià)比高，可簡(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)電路，降低系統(tǒng)成本，通過(guò)串行接口通訊方式既可完成系統(tǒng)升級(jí)，也可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1存儲(chǔ)器地址分配

　　X1227S8I器件中存儲(chǔ)器地址0x35～0x30用于定義年、月、日、時(shí)、分、秒。地址0x3f為狀態(tài)寄存器(SR)，用來(lái)控制寫(xiě)使能鎖存(WEL)和寄存器寫(xiě)使能鎖存(RWEL)的寫(xiě)使能鎖存。地址0x80～0x93為自定義的3種工作方式，方式1為整夜工作，它根據(jù)經(jīng)緯度自動(dòng)計(jì)算太陽(yáng)日出和日落時(shí)間，完全由日出和日落時(shí)刻控制開(kāi)關(guān)；方式2為半夜工作，在日落時(shí)刻開(kāi)，用戶定時(shí)關(guān)；方式3為自設(shè)工作，用戶可自設(shè)定開(kāi)和關(guān)時(shí)刻、節(jié)電方案(正常、夜燈、半夜燈)、開(kāi)燈時(shí)間、夜燈時(shí)間、半夜燈時(shí)間、關(guān)燈時(shí)間、經(jīng)度、緯度、偏差及電壓波動(dòng)偏差。其中，節(jié)電方案有3種不同大小的降壓檔。經(jīng)度和緯度用于計(jì)算日出和日落時(shí)間。由于大氣層的散射作用，日落時(shí)，天還未完全黑，還要持續(xù)一段時(shí)間，因此需要對(duì)日落時(shí)間進(jìn)行修正，以最大程度地降低路燈的電力損耗。偏差用于調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)燈的早晚。當(dāng)偏差為±5為正時(shí)，數(shù)字越大，開(kāi)燈越晚，關(guān)燈越早；當(dāng)偏差為負(fù)時(shí)，數(shù)字越大，開(kāi)燈越早，關(guān)燈越晚；當(dāng)偏差為零時(shí)，則為標(biāo)準(zhǔn)日出日落時(shí)刻(俗稱(chēng)黃昏)。偏差每一級(jí)日出時(shí)刻和日落時(shí)刻相差大約5 min。電壓波動(dòng)偏差用于自動(dòng)調(diào)節(jié)電壓與設(shè)定值的偏差。

4.2程序設(shè)計(jì)流程圖

　　圖3給出系統(tǒng)主程序流程圖。它采用C語(yǔ)言編程。圖4給出節(jié)電檔位控制流程圖。圖中，t為當(dāng)前時(shí)間，t1為開(kāi)燈時(shí)間，t2為夜燈時(shí)間，t3為半夜燈時(shí)間，t4為關(guān)燈時(shí)間，tf為工作狀態(tài)標(biāo)志，用以防止同一檔位重復(fù)調(diào)節(jié)。圖5給出通訊接口流程圖，通訊采用中斷方式。

5結(jié)語(yǔ)

　　由于路燈節(jié)電控制器系統(tǒng)采用了X1227S8I時(shí)鐘器件，軟件定時(shí)占用CPU硬件資源大大減少；使用I2C總線，占用接口資源也大大減少，系統(tǒng)成本低，定時(shí)準(zhǔn)確，不受系統(tǒng)掉電影響，穩(wěn)定可靠；系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)時(shí)時(shí)鐘利用日出和日落時(shí)間自動(dòng)開(kāi)啟路燈，從而最大程度地縮短路燈的開(kāi)關(guān)時(shí)間，使系統(tǒng)更智能化，節(jié)電效果更理想。