单片机课程设计报告-路灯节能控制器的设计及应用.doc

你学校的名称单片机课程设计报告题目：学院：专业：班级：姓名：学号：指导老师：摘要路灯是城市照明工程的主要组成部分，在夜晚，路灯的照明起到非常重要的作用。但是路灯在起着重要作用的同时，也在消耗着大量的能源。目前一般的传统路灯，主要是高压钠灯，一盏路灯的功率约为100W400W，一些大型路灯功率可以达到1000W以上。我们以一盏路灯200W来计算，一个晚上照明12个小时(从晚上7点到第二天早上7点），那么一盏路灯就要消耗200×12/10002.4度电能。假设路灯之间的间距是20米，一条长2公里的街道就有2×2000/20200盏路灯（道路两边各有一盏路灯，所以要乘2），那么这条街道一晚上消耗的电能就有200×2.4480度，1年消耗的电能是480×36517.52万度。在一个城市中，除了主干道外，还有很多次干道和小的路段，这些街道在夜晚的人流量和车流量都比较小。特别是一些郊区和比较偏僻的路段，在半夜1点钟以后，人流量和车流量一般非常少。但是即使没有人或车经过，这些路灯也是长期点亮的，这时电能就被白白浪费掉了。很多路段真正有效的照明时间只占到整个照明时间的20%30%，也就是说大部分电能被浪费掉了。如果有效照明时间是30%，那么一条街道浪费的电能就有17.52×0.712万度。一个中等规模的城市这样的街道可能就有100个以上，一个大城市往往有数百个这样的街道，那么就是说一个城市每年在路灯上浪费的电能就有数百到数千万度以上。考虑到全国有数百个大型城市，中小规模的城市更多，总的浪费电能是非常巨大的。据统计，杭州市一年用于城市照明的费用就高达3亿元以上。如果我们采取一定的节能措施，比如说在没有人和车经过时自动关闭路灯，就可以收到明显的节能效果。在能源日益紧张的今天，特别是很多城市存在电力不足的矛盾，这无疑是非常有意义的。目录1绪论。11.1课题概述。11.1.1课题的题目。11.1.2课题研究的背景。11.1.3课题研究的目的及意义。11.2课题的国内外研究现状。11.2.1国外研究现状。11.2.2国内研究现状。21.3论文的主要研究内容。22系统方案设计。32.1节能方法。32.1.1传统节能方法。32.1.2具有智能控制的节能方法。32.2智能路灯节能控制系统方案设计。42.3智能路灯节能控制系统结构设计。52.3.1设计思路。52.3.2总体设计框图。63硬件设计。73.1硬件结构设计。73.2光学信号的采集与检测设计。83.2.1光源检测原理。83.2.2检测装置所需器件及选型。83.3红外检测信号的采集与单片机的处理。103.3.1红外检测原理。103.3.2热红外传感器的结构和原理。104软件设计。124.1软件结构设计。124.2程序设计。134.2.1设定时间程序。135总结与体会。17参考文献。181绪论1.1课题概述1.1.1课题的题目课题的题目:路灯节能控制器的设计及应用1.1.2课题研究的背景随着社会的发展，能源问题己经成为全球最为关注的问题之一，能源危机已经成为全人类所面临的主要危机，特别是我国的电力能源近年来显得十分吃紧，电力紧张阻碍着我们的日常生产、生活，甚至严重影响到我国经济的发展与社会文明的进步。在城市亮化、美化大潮的趋势下，城市景观照明耗电也吞噬着我们的电力资源。而发电企业投资和建设需要一个较长的周期，快速的经济发展需要更多更充足的电力供应和消耗，电力的供求之间矛盾重重。电力供应缺口很难在短期内得以缓解，发展与节约并重，已经成为经济建设的必然选择。此时，灯光照明行业节电也成为了我们的必然选择!1.1.3课题研究的目的及意义路灯是我国经济发展和国家建设中必需的用电设备，它在我国的整体用电量中所占比例巨大，如果通过节能装置对其进行有效控制，就能够降低电力损耗，达到节约能源，降低生产安装成本，有助于我国经济的快速发展。本文研究的智能路灯节能控制器是通过运用MCS51单片机设计的，通过配套的功率变换组件，可在路灯的启停和运行中，有效的调节路灯的端电压，控制路灯的照明亮度，从而改变了路灯在不同时段的耗电量，改善了功率因素，到了节约电能的目的。1.2课题的国内外研究现状1.2.1国外研究现状近20年来，美国和日本照明节能集中在使用紧凑型荧光灯(CFL)和荧光灯采用镇流器两个方面，两个国家中用新技术替换老产品的过程有点不同:2001年美国销售的镇流器中电子的占53%，而日本只有36%。而两个国家在销售CFL灯占白炽灯的比例中，美国只占3%，日本占了15%。两个国家的国家、省和地方都在立法，鼓励和普及活动这三方面做文章，旨在推动节能产品的广泛使用。国外照明节能技术的发展具有以下特点.(1)大力推动绿色照明，在光源的材料，使用规范上加以有效管理，出台了一系列的标准和管理要求，将照明节能推广到全民范围；(2)不断提高功率器件性能要求，主要体现在镇流装置上技术提高。通过对镇流器技术改进来提高照明设备的功率因素。1.2.2国内研究现状目前我国市场上有多种路灯节能控制产品，能达到一定节能效果，但就功能和效果上还不能尽如人意，主要有以下几类情况:采用自耦变压器及磁饱和电抗器的降压技术。其不足是由于反应速度较慢，用电高峰时电压降到非稳定区，容易造成灯光闪灭，不能自动调节，同时如果电压突然升高，则不能避免灯具受到市电的瞬时高压冲击，对灯具的保护能力较差；相对来说稳压功能较差。.针对于磁饱和电抗器来说，除了上述不足外，其效率也普遍偏低。采用电子器件构成的可控硅式设备。该设备主要采取简单的相控技术，不足之处是元件易发热烧坏，由于采用相控技术产生谐波污染电网，使荧光灯及气体灯小停闪动，减损灯具寿命及相关附件的使用寿命，降低照明质晕，不绿色不环保，国家相关规定已明令禁止使用这种无功补偿技术设备。以系统节电滤波形式，主要是净化电网，补充无功功率，补偿电网，而对于有功电度表计量系统，缺少实际节电效果。1.3论文的主要研究内容本文结合国内外最新研究成果，比较几种常用的路灯节能控制方法。讨论了基于可变电抗技术的功率单元的结构和系统构建。详细描述了路灯智能控制系统的硬件结构、电路设计，并应用模糊控制算法进行了控制算法设计，最后对系统进行了仿真和调试，并对试验结构进行了分析。论文研究的主要内容:（1）基于可变电抗技术的调压节能系统结构设计；（2）基于MCS51单片机设计的路灯节能控制器；（3）路灯节能控制系统硬件设计；（4）路灯节能控制系统的仿真和试验研究。2系统方案设计2.1节能方法2.1.1传统节能方法长期以来，国内大多数城市路灯照明控制广泛采用传统控制方式，其节能方法主要有以下几种:人工控制节能方式:根据开关灯时间表由值班人员负责手动进行开/关灯操作。时控节能方式:以时间为唯一的开关灯依据，不论气象条件如何变化，均只能在规定时刻开关灯，随季节变化人工干预调整开关时间。光控节能方式:按光照度的差异来控制路灯开关。这些节能方式存在着较为明显的缺憾，国内大多数城市路灯的开/关灯控制由各变压器(配电箱)分散控制，尽管城市路灯运行有专门控制线，只有控制功能而无法实现监测。由于不能严格按照室外自然光照度进行控制，不仅实时性差，故障率高，而且浪费严重。另外，传统控制方式要求人不离岗，及时控制灯光的开启和关闭，由于人工控制误差而造成电能浪费很是惊人。比如采用定时器控制方式时，由于一年四季的时差，要经常对定时器进行人工调整，从夏至到冬至，日出时间推迟、日落时间提前；从冬至到夏至，日出时间提前、日落时间推迟，据此天气现象，要求路灯开关时间根据日出日落时间进行调整。这样不仅消耗大量人力资源，还可能由于调整不及时而造成浪费。2.1.2具有智能控制的节能方法该节能方法是通过智能控制器对功率单元进行控制，进而操控可变电抗变换器来改变路灯的输出电压，通过改变路灯的光照来实现节能。其系统结构图如图2-1所示。图2-1路灯节能系统结构图