帶遠程監控的路燈照明 節電控制系統設計

0 引言
??? 照明是城市基礎設施的組成部分，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，并發揮著不可替代的作用，也標志著城市實力和成熟的程度。現有的城市路燈70％以上使用的都是高壓鈉燈，其設計壽命為24 000小時(5年)。但是，由于電壓波動大，許多地區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，在供電電源端節能的方式主要有兩種，一是采用半夜燈，二是采用調壓方式。并夜燈是通過在下半夜關掉一部分照明燈的方法來達到節能，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、學校這些室內場所。而通過降低供電電壓的方法不但可以節能，還可延長光源的壽命，是一種較好的節能方式。
??? 為此本文提供了一種基于C8051F310單片機的節電控制系統的設計方案，該系統能針對電網電壓偏高和波動現象，并根據用戶現場的實際需求，實時在線調控輸出最佳照明工作電壓，以將其穩定在允許的范圍內，從而提高電力質量，節約照明用電，延長燈泡的使用壽命，十分適用于路燈、學校、商場等室內和室外的照明節電控制。

1 基本設計思路
??? 本文所設計的路燈控制器采用自耦變壓器形式調整負載路燈的電壓，自耦變壓器的一、二次側線圈不僅有磁的聯系，還有電的聯系，所以，在輸出電壓調節范圍不大時，它的容量比較小，所以消耗的材料小，造價低，效率高，其最大的優點是克服了可控硅斬波型產品產生諧波的缺陷，實現了電壓的正弦波輸出，其結構和功能都很簡單，可靠性也比較高。
??? 圖1所示是一個路燈照明節電系統的基本框圖。該路燈節電控制器要實現的基本設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，使路燈兩端電壓在電網電壓變化時(主要是夜間電網電壓偏高時)能夠自動穩定在一預設值。

??? 熒光燈是一種利用汞放電產生紫外輻射來激發熒光粉層而發光的低氣壓放電燈，是目前工廠、大廈、商場、機關、學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、壽命與電壓的關系(令額定電壓下的壽命為1)。

??? 由表1可知，若電網電壓為額定電壓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％。從人體視覺學可知，人的眼睛對光強度變化的感覺是按對數關系計算的，照度衰減7％，人的視覺能夠感覺到光線變暗1．6％，此時節約電能19％，可以達到最佳能效比。如電網電壓超過220 V，則節能率一般在20％以上。所以，90％額定電壓為室內照明供電最優運行與節能電壓。
1．1 觸點開關設置方案
??? 由以上分析可知，90％的額定電壓為路燈或室內照明最優運行與節能電壓，即200伏。我國電網電壓標準為220 V(-15％~+10％)，即電網電壓的波動范圍為187～242 V。假設電網電壓在以上電壓范圍內波動，并設自耦變壓器各路開關變比分別為a0、a1、a2、a3，那么，可以取電網波動的四個電壓點來計算設定自耦變壓器的變比，以使電網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。

?設旁路變比為1，即當電網電壓為200 V時，其變比a0=1，則其他各路開關的變比為：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。設電網電壓為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。根據電壓觀測的結果，電網電壓通常應穩定在220 V左右，但在半夜0：00至次日6：00，由于電網負荷小，電網電壓會逐漸攀升至230 V。據此可以計算出節電率。其電壓調整前的耗電量：
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??? 通過計算可知，其節電率可達21％。
1．2 電壓控制方案
??? 設輸入電壓為X，輸出電壓為Y；t時刻的電網輸入電壓為X(t)，觸點開關跳變值為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：
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??? 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。設定電壓跳變值為P，即電壓上升到P+2時。觸點開關跳變。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，若設定電壓跳變值為P，即電壓下降到(P-2)時，觸點開關跳變。
??? 其中，可以設定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。設置該回差是為了保證觸點開關在輸入電壓波動頻繁時不會隨之出現頻繁跳變。
1．3 采樣方案
??? 針對該系統的電網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轉換器本身的精度就能滿足系統要求。信號經過AD轉換之后，再由微處理器計算相應電壓的有效值，并進一步進行判斷即可。該設計結構簡單、成本低，且足夠滿足采樣速度和采樣精度的要求。
??? A/D轉換器的轉換精度，是由其參考電壓和輸出字段長度共同決定的。所謂轉換精度是指一個A/D轉換器可以對最小電壓變化的監測能力。實際上，轉換精度就是A／D轉換器的最小步進電壓，只需將MD轉換器的參考電壓與該轉換器轉換值的數量相除，就可以得到該電壓值。
??? 由于C8051F330采用3．3 V作為基準電壓，故其轉換精度為3．3／1024，即3．22 mV，完全可以滿足本系統的精度要求。
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進行監控，本系統通過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信息傳給上位機(如電網的電壓，A、B、C各相的電流，以及路燈控制器所處的各個狀態等等)，而用戶則可根據上位機的軟件來選擇要監控的路燈控制器，然后根據其狀態來發出各種控制命令，如旁路或者選擇節能所處的檔位。
??? 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定其通信協議，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。這樣，用戶就可方便地對任何一臺控制器進行監控。
??? 綜合考慮總線的傳輸距離和抗干擾能力等因素，本設計在控制板上采用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。

2 硬件設計
??? 本節電控制系統的硬件部分主要包括微處理機、電壓檢測電路、電流檢測電路、觸點開關驅動電路、時鐘及通訊接口電路等。當電網電壓經整流濾波電路被采集到微控制器后，微控制器將通過自帶的AD轉換電路進行AD轉換，然后通過運算來確定此時需閉合的變壓器副邊開關位置，同時發出命令使相應繼電器驅動與其對應的觸點開關閉合，從而實現其基本功能。KEY電路包含外部的一些手動邏輯控制。圖3所示是本系統的硬件電路框圖。

2．1 電壓檢測電路
??? 本系統中的電壓檢測電路框圖如圖4所示。該電路中包括有各種信號調理電路。其電網電壓經220 V／7．5 V變壓器之后，再通過運放組成的比例放大器調整其幅值，然后通過全波整流電路將其變成直流，再經過RC濾波電路之后進入微控制器進行AD采樣。

??? 電流檢測電路的結構與電壓檢測電路基本相同，只不過電流是通過電流互感器之后，再轉換成電壓信號，其信號調理過程基本一致。

2．2 觸點開關驅動電路
??? 圖5所示是觸點開關驅動電路的示意圖。在圖5中，微控制器的輸出可通過驅動電路接到三極管，以控制其通和斷，并由此來控制繼電器線圈的通和斷，再通過繼電器控制自耦變壓器觸點開關的通和斷。

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2．3 通信接口電路
??? 本節電器和PC機的通信采取串口通信，使用的是微控制器的UART口，其中RX0為微控制器接收信號，Txo為微控制器發送信號。UART口通過專用的RS485芯片將信號發送到總線或從總線上接收信號。其電路圖如圖6所示。

??? 圖中的光耦起到了隔離作用，用于防止微控制器被其它信號干擾，防雷一般采用的是瞬態二極管。

3 軟件設計
??? 圖7所示是本系統的軟件結構流程圖。當系統開機之后，微控制器首先初始化，然后啟動內部定時器進行電流和電壓采樣。如果電流過流，控制器將使整個系統旁路，以免燒毀元器件，之后，微控制器再對采集到的電網電壓進行分析，以判斷自耦變壓器應該處在什么檔位。并結合PC機傳給控制器的命令來綜合分析應該采取的動作。

??? 通信程序應保障計算機與單片機之間的聯系暢通并能實現多機通信。當開機之后，連接在總線上的每一臺設備都將分配一個通信地址。計算機要與哪一臺設備通信，可以通過控制界面進行選擇，從而監控每臺設備的信息，并可通過遠程發送控制命令。此時，總線上的每臺設備都接收到計算機發出的信息，而只有通信地址與信息中包含的地址相匹配的設備才可以做出相關的動作，同時獲得向計算機發送自身狀態信息的權利。

4 結束語
??? 實驗表明，該節電裝置實現起來簡單方便，可靠性較好，通過在重慶機務段的廣場照明實驗，其節電率可達20％以上，基本符合理論計算的結果，可以滿足節電照明的商業化要求，能實現長期安全可靠的運行。