智能路灯节电器技术浅析

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　　摘要:基于ATmega64单片机为核心设计的路灯节电器,具有原理简单、控制方便、具有较高的性价比等优点。本文分析了节电器自耦降压的工作原理、主回路控制电路工作方式,详细介绍了实现节电器控制的硬件设计和软件编程设计。
　　关键词:路灯节电器;单片机;节能
　　
　　随着经济发展和交通条件的改善,道路照明质量不断提高,而能耗也随之大幅度提高,特别是近年来能源价格大幅度提升,使城市照明的电力消耗越来越高;而经多方测试发现绝大多数城市路
　　灯在夜间22:00以后,供电电压因用电负荷减少而升高15%左右,此时用电设备在高于设备额定电压状态下运行,将会导致设备过度发热,既缩短了灯源寿命,又增加了维护费用。为了有效改善这种状况,经过理论分析和反复实践并多次电路改进,研制出了一种用单片机作为控制核心的智能型路灯节电装置(以下简称路灯节电器),经过实际应用,其运行稳定、节电效果显著。
　　
　　一、节电器主要功能:
　　1)自动稳压功能:根据设定输出电压值自动跟踪调压,使节电效率达到最佳。
　　2)显示功能:采用触摸屏显示,操作简易外形美观。
　　3)定时起停功能:可实现:按经纬度控制开关灯;
　　4)按固定时间表控制开关灯;按特定日期段的时间表控制开关灯;经纬度设定是根据当地的经纬度来判断日出日落时间,以便节电器准确的节电。
　　5)控制功能: 6路输出,每路均可实现独立开关灯控制,可自动实现半夜灯等功能。
　　6)远程监控:可通过有线、无线(GPRS)方式进行远程监控。
　　7)保护功能:可设置电压、电流极限值,自动实现过压和过载及超温保护。
　　8)旁路功能::可根据设定的电流变化率自动实现旁路全压启动。
　　
　　二、节电器的原理及主回路结构
　　1.节电原理
　　节电器调压有多种方式,如调相方式、磁饱和稳压方式、可控硅斩波方式等,调相方式存在波形畸变,对其他设备有干扰,不能满足要求;磁饱和方式在大功率时因其体积庞大也不能满足要求;可控硅斩波方式谐波大,实现正弦输出困难;自耦降压方式实现简单,可靠性也高,故本设计采用自耦降压方式。根据自耦降压的原理,通过自耦变压器的机芯,根据不同的电压输出要求,引出不同的接线抽头,将电网降为几档,从而实现降压节能。
　　合适的照明亮度是节电过程要十分重视的,节电的基本原则是保证不降低工作场所的视觉要求,保证照度标准和照明质量的前提下,尽量减少照明系统中的能量损失,达到最有效的节能。根据有关研究和实验,亮度与电压的关系,电压降低在一定范围内,照度质量和效果没有显著的变化,肉眼无法觉察到变化。
　　2.节电器结构与控制
　　接触器有:KM0为旁路接触器、KM1和KM2为节电主回路接触器,KMR为过渡电阻控制接触器,KM7为封零接触器,KM3、KM4、KM5、KM6为降压接触器。启动时,继电器KM0先闭
　　合,KM1和KM2吸合,先全压启动,(因为感性负载充电,启动电压大,否则灯不亮);一定时间后进入节电状态,根据设置值逐步进行调压稳压,其换档时有严格的动作顺序,如从KM7切换至KM6动作顺序如下:KMR闭合―KM7断开―KM1闭合―KMR断开,为了解决档位切换时出现灯闪现象,每次调压切换时先接通过度电阻,因此在一次档位转换过程中有三个继电器动作。根据一定的节电要求,这些接触器的动作都由单片机来控制,实现简单、便于操作。
　　
　　三、控制电路的硬件设计
　　1.单片机
　　采用ATMEL公司生产的价格便宜、资源丰富、功能强大的AVR单片机Atmega64来控制电路。该单片机具有64K的FLASH、2K的EEPROM,擦写次数可达10万次,可以用来存储状态信息、4个定时器/计数器,可用来设置溢出中断、53个I/O引脚,具有较大的电流驱动能力,可以直接驱动液晶显示器而省去驱动电路、面向字节的TWI串行接口,可以外挂其它设备节省I/O口、2个可编程串行USART接口支持全双工通用同步/异步串行通信、8通道10位A/D通道等。
　　2.继电器驱动电路
　　由单片机引脚PE0来控制继电器J1通断,当PE0发出高电平时,二极管Q1导通,继电器J1线圈也随之通电,使长开触点K1闭合,从而控制中间继电器来控制主回路继电器的开合,此时发光二极管DS1发光以显示继电器J1动作,二极管起续流作用。
　　3.电压电流采样电路
　　为了判断控制节电档位及节电与否,必须对电压电流进行采样,通过电流互感器采出电压,共模电感提高对共模干扰的影响,电容C1、C2进行滤波,再通过电压转换器转换为直流型信号,最后通过放大器隔离为单片机提供采样信号。
　　4.其它电路
　　时钟电路采用时钟芯片,通过单片机的I2C总线来通讯,同时为了断电造成芯片停止计时,需另加一个电池;数字量输入电路通过光耦隔离把信号送给单片机;显示电路采用串行方式,接上数据线、时钟线、复位线、片选线等信号线,来控制液晶显示;键盘可由单片机直接却驱动。
　　
　　四、控制电路的软件设计
　　软件编程采用模块化设计,以主程序为核心,子程序分为几个模块:键盘检测模块、液晶显示模块、时钟模块 、通讯模块等,实现相应的功能。程序系统程序流程为,先初始化单片机的I/O口、定时器/计数器T1和T2、通讯串口UART、模数转化A/D等外设,接下来把时钟芯片中的时间通过I2C总线读到芯片中,以便显示出当地时间;同时把电压、电流通过互感器采到AD口经AD转换程序显示,液晶显示程序是程序的主要模块,是控制器的人机接口界面,具有两级菜单,可以设置各种不同的功能,如经纬度设定、固定节电时间设定、时钟设定、通讯参数设定等。各种功能的编写都有一定的算法,根据需要改变继电器的动作顺序及状态。经纬度设定输入经纬度系统会根据当地的经纬度计算出日出日落时间,从而确定开灯延迟时间及关灯提前时间。

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