智能化路燈產(chǎn)品設(shè)計

軟件主要完成:根據(jù)比較所得的結(jié)果控制硬件切換檔位以達(dá)到路燈定時工作的要求;檢測實時電網(wǎng)電壓以控制是否要改變檔位以達(dá)到電網(wǎng)實時監(jiān)控的目的;最后則是配合主控室完成多機通信。整個智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)被分為了分時分段模塊(主要通過時鐘芯片DS1302和鐵電存儲芯片AT24C02配合完成)、電壓監(jiān)控調(diào)檔模塊(由電工參數(shù)測量芯片ATT7028加以軟件判斷來實現(xiàn))、遠(yuǎn)程通信模塊(由LM1893完成)以及實時顯示模塊組成。

將一年大致分為三個季節(jié)段來對路燈進(jìn)行控制，每個季節(jié)段有著不同的開關(guān)燈時間。從開燈到關(guān)燈根據(jù)當(dāng)?shù)亟煌ㄓ挚纱笾路譃槿齻€階段來對路燈進(jìn)行控制，分別為交通高峰期、交通正常期和交通低谷期。這三個階段加上避免電網(wǎng)電壓過低的全壓運行檔，就構(gòu)成了全壓、高峰、正常、低谷四個工作時間段，根據(jù)本地區(qū)的實際情況進(jìn)行劃分。系統(tǒng)通過對日歷時鐘芯片DS1302

讀出來的當(dāng)前與鐵電存儲器芯片AT24C02中存儲的開、關(guān)燈時間進(jìn)行比較，在各檔開啟的時刻就切換至相應(yīng)檔位，在關(guān)閉的時段關(guān)閉，其余時段進(jìn)行監(jiān)控。在交通高峰時段，保證路燈有足夠的照明度。于是正常情況下，路燈應(yīng)投入第1檔運行。此時，當(dāng)電網(wǎng)電壓過低(低于208 V)，則路燈應(yīng)全壓運行;如果電網(wǎng)電壓過高(高于236 V)，路燈可以跳過第1檔，直接投入第2檔運行。在交通正常階段，要兼顧照度和節(jié)電效果，正常情況下，路燈應(yīng)該投入第2檔運行。在電網(wǎng)電壓低手205 V時，返回第1檔運行;在電網(wǎng)電壓高于242 V時，則投入第3檔運行。在交通低谷階段，重點考慮節(jié)電效果。正常情況下投入第3檔運行，只有當(dāng)電網(wǎng)電壓過低(低于195 V)時，路燈才會返回第2檔運行。但是由于電網(wǎng)的波動或干擾，可能會出現(xiàn)電壓偶爾的不正常，若一旦檢測到電壓超限就切換檔位，很容易造成誤操作，從而導(dǎo)致頻繁的切換。設(shè)計中采用了以下方法來避免檔位的頻繁切換:當(dāng)路燈運行于1~2檔時刻之間，需使電壓維持在208~236 V之間，這里采用COUNT，COUNT_H，COUNT_L三個計數(shù)器來監(jiān)測電壓。COUNT從0開始，每分鐘加1，加到5，即5 min后清零。COUNT_H從0開始，每min比較當(dāng)前電壓與電壓上限值的大小，若超過上限則將COUNT_H加1，在每次COUNT清零之前，若COUNT H值等于5，則認(rèn)為連續(xù)5 min電壓超出上限運行，相應(yīng)地將路燈運行檔位切換至低一檔運行;若COUNT_H值小于5，則認(rèn)為是電網(wǎng)的波動，不進(jìn)行切換。電壓下限監(jiān)測同理。每5 min將三個計數(shù)器同時清零。

從SPI總線上獲取ATT7028檢測的電工參數(shù)的計量結(jié)果，再對檢測值進(jìn)行校表，即可對校表寄存器賦值來進(jìn)行軟件校表。

顯示模塊主要是在控制室內(nèi)顯示當(dāng)前時間及檢測到的路燈的運行情況。

主程序與各個子模塊之間采用定時中斷聯(lián)系，每隔1 min中斷一次，在每次中斷時均要完成四大任務(wù)，即讀出實時時間發(fā)送至主控室，決定是否換檔，根據(jù)電網(wǎng)波動實際情況控制決定是否改變檔位，以及將原邊電網(wǎng)電壓根據(jù)實際情況發(fā)送至監(jiān)控室。軟件流程圖如圖3所示。

1 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計

1.1 智能路燈控制系統(tǒng)

該智能路燈節(jié)能系統(tǒng)主要由電量檢測電路、實時時鐘、自耦變壓器電路、顯示電路及載波通信等電路組成。將一年大致分為三個季節(jié)段來對路燈進(jìn)行控制，使其在不同的季節(jié)有不同的開關(guān)燈時間。而從開燈到關(guān)燈根據(jù)當(dāng)?shù)亟煌ㄓ挚纱笾路譃槿齻€階段(高峰、正常、低谷)來對路燈進(jìn)行控制。從實時時鐘芯片中將當(dāng)前的路燈工作狀況進(jìn)行相應(yīng)的歸類，由單片機輸出控制接觸器的線圈的斷合，而其觸點的輸出分別控制自耦變壓器的三個觸頭，對應(yīng)著四個檔位，每個檔位對應(yīng)著相應(yīng)的路燈電壓。由于電力傳輸中有諧波干擾造成電力不穩(wěn)，要時刻檢測路燈的電量，以電量芯片ATT7028檢測出電流或者電壓過高或者過低，將得到的信息傳給AT89C51單片機，單片機同時與鐵電存儲器的信息相比較，如果發(fā)現(xiàn)電流或者電壓過高或者過低，單片機馬上做出調(diào)整，適當(dāng)?shù)亟档突蛘呱唠妷海詫崿F(xiàn)對路燈過載、過壓等各種功能進(jìn)行控制，用電力載波通信技術(shù)將現(xiàn)場情況傳送至監(jiān)控室。原理框圖如圖1所示。

1.2 電量檢測電路的設(shè)計

電量采集模塊主要完成路燈電流和電壓的數(shù)據(jù)采集。將采集到的信號轉(zhuǎn)換為ADC電路可采集處理的模擬信號，通過電量芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送到單片機中，檢測電壓和電流是否超載，依據(jù)此來控制電路負(fù)載的電壓。設(shè)計中采用三相電能專用計量芯片ATT7028A，適用于三相三線和三相四線應(yīng)用，能夠測量各相以及合相的有功功率、有功能量，同時還能測量各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)，充分滿足三相復(fù)功率多功能電能表的需求。同時將電量信號存入到鐵電存儲器AT24C24里，該存儲器數(shù)據(jù)不易丟失，以便有功電能歷史記錄的查詢。ATT7028A提供一個SPI接口，方便與外部單片機之間進(jìn)行計量參數(shù)以及校表參數(shù)的傳遞。設(shè)計中應(yīng)用ATT7028A測量電流和電壓有效值，采用軟件校表，通過SPI接口與外部單片機之間進(jìn)行計量參數(shù)的傳遞，以此來檢測路燈電壓電流的有效值。另外對檢測到的過載、過壓等故障進(jìn)行報警。

1.3 路燈控制電路

路燈控制電路由譯碼電路、開關(guān)電路與變壓器控制電路組成。為了使路燈分時控制取得優(yōu)良的節(jié)能效果，除了要根據(jù)時間段來開啟不同檔位電壓外，還需要實際考慮到電網(wǎng)電壓在不同時段的電壓波動情況。故將單片機檢測到的電量信號與處理的實時時鐘芯片DS1302信號作為74LS155二-四譯碼器譯碼地址輸入端，譯碼器的四個端輸出經(jīng)三極管放大后分別驅(qū)動四個接觸器的線圈，而其四個觸點分別對應(yīng)自藕變壓器的三個觸頭，亦即路燈四種檔:全壓(220 V)、高峰期檔(額定電壓的93%)、正常期檔(額定電壓的88%)、低峰期檔(額定電壓的83%)。從而達(dá)到既兼顧路燈亮度又達(dá)到節(jié)能的效果。KM4接在母線上還能關(guān)閉路燈，原理如圖2所示。

1.4 電力載波通信

為了實現(xiàn)控制室能夠方便及時了解現(xiàn)場路燈運行情況，采用電力線載波通信技術(shù)將現(xiàn)場路燈檢測運行的狀況傳送至控制室。以LM1893集成芯片實現(xiàn)電力載波通信，LM1893是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的FSK制式的調(diào)制解調(diào)芯片。能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的串行數(shù)據(jù)的半雙工電力線通信，具有發(fā)送和接收數(shù)據(jù)兩種工作模式，能夠與51單片機相兼容。LM1893調(diào)制解調(diào)數(shù)據(jù)輸入端DATAIN與AT89C51單片機的串行輸出口TXD相連，輸出端DATAOUT與AT89C51的串行輸入口RXD相連。LM1893的TX/RX發(fā)送接收控制端由單片機的P1.O端控制，高電平為發(fā)送狀態(tài)，低電平為接收狀態(tài)。路燈控制器接收到外部數(shù)據(jù)信息后，先要對所收數(shù)據(jù)的報文頭和地址進(jìn)行判斷。當(dāng)報文頭正確，地址為本機地址時，它才執(zhí)行相應(yīng)的燈控命令，執(zhí)行完后進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)。

Mni 智能電感技術(shù):

⑴ 采用電力電子技術(shù)，將工頻自藕變壓器高頻化，實現(xiàn)超大功率的高效率小體積化。

⑵ 利用電力電子器件，實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)的無觸點化。

⑶ 采用 10 位數(shù)字電位器，實現(xiàn)電壓電壓調(diào)節(jié)步進(jìn)值 0.25 伏。

⑷ 電磁兼容，輸出純正弦波，電壓平滑連續(xù)調(diào)節(jié)。

⑸ 在調(diào)壓過程中，能量四象限流通，因此適應(yīng)阻性、容性、感性等一切負(fù)載。

⑹ 采用 ARM 7TDMI 32 位工業(yè)嵌入控制，移植其它芯片也容易。

⑺ 具有全方位的智能電感保護功能。

⑻ 可制作功率不限，目前加工條件可制作 3X 6000A 。

⑼ 采用 C/C++ 開發(fā)，移植方便。

⑽ 具有 RTU 軟硬件接口。

⑾ 具有無條件保障照明功能。

采用 Mni 智能電感技術(shù)，由于電壓的高度平滑調(diào)節(jié)，大大降低 " 半老化 HID 燈 " 的熄火電壓，燈內(nèi)電弧更穩(wěn)定，降壓調(diào)亮節(jié)能空間更大，節(jié)電率更高，更能極大保護燈具和延長燈具的使用壽命，實現(xiàn) " 按需調(diào)亮 " ， " 實時調(diào)亮 " ， " 鈉燈、金鹵燈寬范圍調(diào)亮 " ， " 一切燈光負(fù)載調(diào)亮 " 。

· 基本電氣功能

① 能適應(yīng)阻性、容性、感性及一切電力負(fù)載:照明負(fù)載的復(fù)雜性和混合性。

② 對電網(wǎng)無污染，不增加電流諧波:對電網(wǎng)的環(huán)保要求。

③ 實現(xiàn)實時動態(tài)電壓調(diào)節(jié):調(diào)壓調(diào)光，以人為本。

④ 電壓調(diào)節(jié)步進(jìn)值小于 2 伏: HID 燈電壓突變 3 伏以上，容易導(dǎo)致燈滅。

⑤ 電壓調(diào)節(jié)時，不能出現(xiàn)電流切斷現(xiàn)象: HID 燈斷流，引起燈電弧熄滅。

⑥ 電壓調(diào)節(jié)范圍為 140V 至輸入電壓:正常點亮的 HID 電感鎮(zhèn)流器燈，降壓在 140V 以下時容易熄滅。

⑦ 通電時，要有預(yù)熱功能:保障 HID 燈的充分點燃。

⑧ 有用戶可編程按時段調(diào)節(jié)電壓功能:根據(jù)照明環(huán)境需要，個性化保護節(jié)能方案。

· 保護功能

① 欠壓、過壓設(shè)備保護功能。

② 過流設(shè)備保護功能。

③ 過熱設(shè)備保護功能。

④ 溫度傳感器，電腦外部設(shè)備自檢保護功能。

⑤ 主變壓設(shè)備檢測與故障保護功能。 ⑥ 主變壓輔助設(shè)備檢測與故障保護功能。

⑦ 防水、防破壞檢測，異常狀態(tài)檢測，安全檢測報警。

· 通訊接口及 RTU 功能

① 硬件上有 RS232 口， USB 口或 SPI 口等資源，以便連接 GPRS/GMS/ 電臺等，實現(xiàn) RTU 。

② 軟件上有通訊接口。

③ 電腦主板能采集輸入輸出電壓，輸出電流，功率因數(shù)，設(shè)備溫度，等基本設(shè)備狀態(tài)參數(shù)，以及設(shè)備安全，照明情況等相關(guān)參數(shù)，并上傳上位機。

④ 電腦主板能接受上位機的數(shù)據(jù)傳輸以及執(zhí)行各種實時命令。

⑤ 制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議并公開。

· 無條件保障照明功能 照明可靠性，事關(guān)重大，寧可不節(jié)能，也要首先保障照明。

① 有機械旁路功能。

② 檢測到設(shè)備出現(xiàn)可恢復(fù)性故障時，保障本次照明，不節(jié)能，下次照明，故障恢復(fù)正常進(jìn)入節(jié)能。

③ 檢測到設(shè)備出現(xiàn)不可恢復(fù)性故障，如器件損壞等，強制機械旁路。

④ 當(dāng)電源、電腦控制板出現(xiàn)故障，設(shè)備旁路保障照明不節(jié)能。

1. 恒定調(diào)節(jié)輸出電壓，對較高電網(wǎng)電壓(通常在 230V 以上，電極過渡損傷，高溫)，可實現(xiàn)燈具的保護，延長燈具壽命，同時也有較大節(jié)電空間。

2. 對照明現(xiàn)場的照度調(diào)節(jié)，以滿足環(huán)保和綠色照明指標(biāo)，同時節(jié)能。

3.根據(jù)場所的情景變化，"以人為本"， "按需調(diào)亮"，"實時調(diào)亮"。

理想節(jié)電控制器模型與電氣、通訊協(xié)議規(guī)范 照明節(jié)能控制器負(fù)載假設(shè):

⑴ 一切電感鎮(zhèn)流器燈具，包括電感啟動日光燈、霓虹燈，電感啟動水銀燈、鈉燈、金鹵燈等。

⑵ 一切阻性負(fù)載光源，包括白熾燈，碘鎢等、鹵素?zé)舻取?/p>

⑶ 一切電子鎮(zhèn)流器節(jié)能燈和電子鎮(zhèn)流器 HID 燈。

⑷ 帶功率因數(shù)補償電容的電感鎮(zhèn)流器燈具，帶集中或分散電容補償?shù)恼彰骶€路。

⑸ 以上照明負(fù)載的混合負(fù)載線路。

⑹ 允許少量動力負(fù)載(降壓節(jié)能不顯著)，辦公自動化設(shè)備(內(nèi)部開關(guān)電源自動穩(wěn)壓，外部降壓不能節(jié)電)，內(nèi)含功率因數(shù)校正( PFC 實現(xiàn)內(nèi)部穩(wěn)壓)的電子鎮(zhèn)流器光源。

以1kw路燈為例，設(shè)當(dāng)路燈電壓為205V時，單位時間耗電量為0.87kWh;當(dāng)路燈電壓為193V時，耗電為O.77 kWh;在滿足行人車輛運行需要的情況下，適當(dāng)降低路燈的端電壓，可節(jié)能20%左右。在深夜行人稀少時，可將路燈的端電壓降至170~180 V，路燈1 h內(nèi)耗電O.55 kWh左右，除去其他損耗，可節(jié)約電能近40 %。

該智能路燈節(jié)能裝置采用分時換擋方法，在保證照明的情況下兼顧到了用電低谷期節(jié)能效果。實驗表明該智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)可明顯地提高路燈的用電效率，延長路燈使用壽命。在節(jié)約能源、電力資源合理利用的前提下，該裝置有著十分廣闊的社會和商業(yè)前景。

LED智能化路燈充分考慮了城市道路照明的實際狀況，采用單片機控制技術(shù)對路燈照度進(jìn)行動態(tài)智能化管理，實現(xiàn)路燈人性化。由于LED路燈具有其它路燈所沒有的瞬態(tài)響應(yīng)極快的特性，電路上極易實現(xiàn)使用KHZ級的脈寬調(diào)制(PWM)方式對LED路燈的亮滅進(jìn)行占空比調(diào)節(jié)，(例如1ms內(nèi)亮0.5ms亮0.5ms滅此時其亮度為全亮?xí)r的50%)即調(diào)節(jié)了整體燈具亮度。工作于如此高的頻率下不會存在頻閃現(xiàn)象。通過對燈具設(shè)定,可在繁忙的時段使路燈保持較強的照度，在后半夜車稀人少時開始自動調(diào)光，使路燈保持較低照度的照明。還可通過內(nèi)在編程器根據(jù)不同城市繁華度、照明實況、車流量情況人為強制性設(shè)定照度等級、設(shè)定強弱照度時間長度比控制,以后路燈便可按照新設(shè)定周期性地執(zhí)行的程序。即實現(xiàn)了地方道路照明個性化。

具有發(fā)明專利的模化塊光源，透鏡與防水罩一體化設(shè)計。防護等級達(dá)IP68.散熱系統(tǒng)熱阻小，在持續(xù)點亮?xí)r，整體溫度不超過60度;獨創(chuàng)的科學(xué)的長方形配光設(shè)計，首創(chuàng)路燈專用光學(xué)透鏡;獨創(chuàng)的智能化電源技術(shù): AC85-264V輸入下功率不變，照度不變。軟啟動設(shè)計，避免電流對LED的沖擊，有效的保護LED，增長使用壽命，減少光衰;智能時控設(shè)計，亮燈6小時后，功率自動減半，發(fā)揮更大的節(jié)能效果。光也比其他的燈明亮。

根據(jù)我國路燈照明現(xiàn)狀，小城市在晚上9點后，大中城市在凌晨2點以后，道路上行人、車輛已逐漸稀少。從這一時段直至清晨6點，在如此低交通流量的道路上仍然保持較高照度顯然沒有必要。據(jù)了解，城市公共照明在我國照明耗電中占30%的比例，約439億kWh，以平均電價0.65元/kWh計算，一年開支285億元。在市政開支極度緊張的今天，國內(nèi)絕大部分的城市和地區(qū)幾乎不約而同地采用了的路燈隔盞關(guān)燈的省錢方法，不僅導(dǎo)致了路面照度分布不均，給治安及交通安全埋下了隱患，而且后半夜電網(wǎng)電壓升高對路燈壽命造成損害，每年需更換大量燈具,因此不能稱作是真正意義上的節(jié)能。節(jié)能是在保證照明效果下點著燈節(jié)電。

以上智能控制的主要優(yōu)點是大幅降低了耗電，節(jié)約耗電達(dá)40%以上，避免了隔盞關(guān)燈的隱患。對于推廣高效、節(jié)能智能照明器具，配合照明實際情況有效進(jìn)行光能利用，節(jié)約照明用電具有極其深遠(yuǎn)的意義。