单灯路灯管理系统

无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） 1 单灯路灯管理系统 摘 要：本文对基于模糊控制算法的智能路灯节能控制系统的研制进行了分析和研究。讨论了智能路灯节能控制系统的构思、设计方案，介绍了该装置的系统设计、工作原理，详细分析了由智能控制器和功率变 换单元的智能节能路灯控制系统。对路灯端电压的控制进行了简单的 设计，采用了模糊控制思想。 关键词 ： 软启动； 声学光学传感器检测设计；功率变换单元；模糊控制 1 引言 近年来，随着经济的发展和汽车的逐渐普及，城市道路照明的重要性日益增大。研 究表明，良好的道路照明可减少约 30%的夜间交通事故 l。所以，保证道路照明设备的有效性与安全性，得到了越来越多的重视。此外，城市亮化工程也是城市现代化建设的重要内容，为营造优美舒适的投资环境，提升城市形象，我国城市照明工程发展迅猛，从而大大增加了城市的用电量，导致政府承担巨额的财政支出，同时也加剧了我国日趋紧张的能源供需矛盾。随着国家 “ 节能法 ” 的颁布实施和我国 “ 十一五 ” 规划的要求，节约能源已纳入社会可持续发展战略的重要内容，利在当代，功在千秋。随着路灯照明规模的不断扩大，传统的技术方式下管理部门的维护成本 也高速增长。因此，提高路灯系统的管理水平，在满足城市道路照明要求的同时，实现智能化的节能照明，在客观上有迫切要求，也是解决城市美化与能源紧张最佳选择。 目前，我国大部分城市的路灯都采用 “ 全夜灯恒照度 ” 的方式进行照明，控制方式仍然是简单的光控、时控等传统方式，这类照明方式普遍存在以下几个不足 :第一，系统难以反馈路灯运行状态信息、不能进行远程控制，只能采用传统的人工巡检。不仅增加了路灯管理部门的工作量，也增加了运行维护的费用。第二，采用 “ 全夜灯恒照度 ” 的方式浪费太大。后半夜车流量较小，但路灯依然保持前半夜车流量 较大时的照度，浪费了大量能源，不利于环保。第三，后半夜行人稀少，应该降低路灯的照度，以避免光源污染，影响居民的晚间休息。但由于后半夜是用电低谷期，电力系统电压升高，路灯反而比白天时更亮，不仅造成能源浪费，还大大影响了设备和灯具的使用寿命。目前，路灯照明广泛使用的高压钠灯，其设计寿命在 12000 小时以上，在正常情况下至少可用 3 年，但是由于超压使用，现在路灯灯泡的实际寿命只有 1 年左右，有的甚至只有几个月，造成维护和材料的浪费极大。较高的电压不仅不能让负载设备更有效地工作，而且会引起发热及过早损坏，还会产生不必要 的电费开支。第四，在电力供电输送过程中，为了避免送电过程中供电线路的损耗，要以较高的电压传送以确保用电设备达到额定电压。因此，路灯系统实际的承受电压通常会高于本身的额定电压。一般情况下，如果不装路灯节电器，则电源向设备供应的电能会部分消耗在设备上。设备真正发挥作用的能量只有有效电能，另一部分无效电能则以发热等形式消耗掉，以发热等形式消耗的能量减损设备寿命，同时给用户造成不必要的损失 23。 近年来，国际节电研究界提出了一种叫 “ 在保证照明效果一下点着灯节电 ”的新概念，这样的概念才是科学的，合理的，这是发 达国家道路照明系统的重要设计思想 4。 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 年无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） 2 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 35%。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 5。 一个国家的民众、经济和能源情况均有所区别，所以在节能的措施上也有所差异。电费的高低是决定能效因素的首要 考虑内容。日本电费在发达国家中最贵，约美国的 2.5 倍，因此，在日本推进节能工作既早又容易，只要提供相应产品的信息就可以使他们购置节能产品，当然像税收上的一些鼓励政策也会起点作用，但远没有电费价格的驱动力。倘若有些消费者在推进采用节能产品时不那么积极的话，那么使用立法和宣传活动就能鼓励消费者购买节能产品，这就取决于采用的方式方法了。总之电费是起到推动该国家节能产品使用的有力杠杆。 国外照明节能技术的发展具有以下特点 6： (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。 (3)积极推广节能奖励政策，鼓励民众节能，节电，建立了完善有效的奖励机制。 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 ： 采用自祸变压器及磁饱和电抗器的降压技术。其不足是扫于反应速度较慢，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 78。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，国家相关规定己明令禁止使用这种无功补偿技术设备 9。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。 一个较为理想的智能路 灯节能控制系统一般应如下具备性能 ： (l)软启动软过渡性能。稳定的高质量软启动功能大大缓减灯具启动过程中冷启动大电流对光源的冲击，从而延长光源的使用寿命 10。 (2)稳压性能。避免灯具由于上述原因产生的高压冲击或灯具熄火，同时不产生高次谐波，不污染电网 11。 (3)降压和补压性能。通常条件下，为了节约能源，我们会采取降压的方式来达到节能 ;补压功能则可以使得当路灯电压低于设定值时，微处理器迅速反应给予补偿，避免了灭灯现象。 (4)绿色环保性能。智能路灯节能控制系统自身不应产生谐波畸变，并对路灯电器产生 的谐波具有抑制功能，不对电网造成污染 ;同时能避免闪烁、眩光等光污染对人类的危害 1213。 2 智能路灯节能控制系统设计方案 2.1 智能路灯节能控制系统的构思 2.1.1 传统节能方法 无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） 3 (1)控制节能方法 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 14。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)光源节能方法 近年来我国节能电光源产量发展迅猛，各类节能卤钨灯、荧光灯和高强度气体放电灯年产量已达 4.5 亿只，节能光源已经开始大量代替原有的路灯光源。使用节能灯具可以在获得相同照度的情况下大幅降低能耗，同时节能光源具有较长的使用寿命，一可以节省大量的灯具成本消耗。但光源节能方法也存在许多的不足 ： 首先我国还没有建立统一的、指令性的照明节能法规，节能光源标准不一 ；其次节能光源与环境保 护存在一定矛盾，主要是汞污染的防治问题还有待解决 ；同时在产品结构上，节能型产品所占比例仍很低，仅占电光源总产量的 12%左右，其质量水平和生产技术装备水平与国际先进水平还有一定差距。 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1 所示。 图 1 路灯节能控制系统结构框图 此方法利用了人眼在夜晚行进时对光照要求不敏感的特点改变了路灯的端无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） 4 电压，在不同的时段根据实际要求获得相应的照度，实现路灯亮度的智能化调节。 其基本思想是 :将可变电抗变换器的一次绕组直接与路灯负载相接，在变换器中增加二次线圈，将二次线圈与功率变换器以及智能控制器连接。通过智能控制器与电力电子功率变换单元来控制可变电抗器的二次绕组，达到改变可变电抗变换器一次阻抗的目的，进而改变路灯的输入电压，使路灯 既可实现软起动又可以对其进行调节。 其工作过程为 :首先，通 过对光照信号的采集，由智能控制器判断路灯 照明系统是否需要开启，如需要运行则由功率单元 来完成路灯的软启动 (一般情况下是由数十、甚至上百盏路灯组成一条街道的照 明系统 )。路灯打开后，根据路面安装的声学传感器采集到的路面车流量与行人 流量所发出的声信号由智能控制器来发出控制信息，通过功率变换单元来控制 可变电抗变换器来决定路灯输出电压的大小，如果实时车辆与行人的流量较大， 即需要路灯的照度较高，系统根据需求自动调高路灯的输出电压 ;如果实时车辆与行人的流量较小，即路灯的照 度不需要很高，系统就会自动降低路灯的输出电 压。 子夜 时分，街道上车辆与行人寥寥无几，这时路灯 的照度可以调低，满足最低限度的照明即可，而这一时段通常为 4-5 个小时，在这段时间内合理的控制路灯的照度，减少其功率消耗，不仅可以节约大 量的电能，同时也能提高灯具的利用率，增长其使用寿命，从物资的损耗上节约 其成本，以达到更高效率的节约 15。 智能控制器作为整套系统的核心部分其控制方 式选取的为模糊控制算法，采集的外部信号通过放大、转换后输入到控制器 的微处理器中，这里我们采集的信号为光信号与声音信号两种，其中光信号用来 控制整套系统的启停，而声音信号则用来实时反映外部环境 的要求，通过模糊控制的方式将采集的数据进 行处理比对，选取最优化 的控制信号加以输出。 2.2 智能路灯节能控制系统方案设计 本文设计的路灯节能控制系统所遵循的基本原则有 ： l)稳压控制 :任何功率电器在使用过程中都应处于其稳定的电压范围内，作为与我们日常生活密切相关的路灯照明设备就更应该稳压工作，保持路灯电压平稳从节能和功效两方面来说都具有十分重要的意义 16。所以无论在用电的高峰还是低谷始终将供电电压稳定在规定范围内是路灯控制首要解决的问题。 2)软起动功能 :由于路灯并联后属于大功率电器，而现在所使用的启动方 式均为直接启动，这种启动方式会造成启动电流过大，对灯具的耐用性有一定的损害，而且该起动电流还会引起电网电压急剧下降，电压频率也会发生变化，这会破坏同电网其它设备的正常运行，因此使用软启动功能来点亮路灯可以防止起动时大电流对照明设备的不良影响 1718。 3)自动启停 :路灯作为我们日常生活必被的公共设施，它的启停跟道路上行人与车辆的需求有着直接的关系，只要是环境需要无论是在雷雨将至的暑天午后还是日常状况下的夜幕之时，它都会根据外部环境的明暗程度来自动判断系统是否需要开闭。 4)具有较高的使用效率 :现代大 功率器件的控制理论中所遵循的一条基本原则是使大功率器件在运行使用过程中尽量不受电网中谐波的影响，使其电压调节平稳，这样就可以大大提高负载的使用寿命。因一条或多条街道上的路灯数量从几十盏到数百盏不等，并联后可视为大功率电器，所以使之具有较高的使用效率也是我们要考虑到的重要因素之一。 除上述基本原则外，本文采用的路灯节能控制方案的特点也是其关键之处在表 1 几种路灯节能方式比较 无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） 5 于添加了智能调压控制部分，基于模糊控制算法的该智能控制器可根据交通道路上车人流量的大小 (子夜后 )自动调整路灯供电电量的高低。通过控制路灯输出电压大小，降低其在人车 流量稀少时的照度 (该照度的降低不会影响此时段人车的正常通行 )，这种节能方式的提出，与传统的路灯节能方法相比较具有本质上的突破，其综合性能如 表 1 所 示。 由上表可知，智能路灯节能控制系统与目前市场上常用的控制节能方法、光源节能方法相比较，具有明显的技术优势，从产品的成本和其消耗使用效率上来看也具有较强的价格优势。所以，综合来讲，智能路灯节能控制系统在路灯照明节能领域应该很有前途的产品。 2.3 智能路灯节能控制系统结构设计 本系统的主要结构由可变电抗变换器、功率单元、智能控制器组成。其中可变电抗变换器与功 率单元共同组成本文所提出可变电抗器，其变换原理图如图 2所示。 将可变电抗变换器的一次线圈与路灯负载串接，构成一次阻抗串联电路，其二次线圈与功率变换单元构成二次阻抗变换电路，通过改变二次阻抗来改变一次阻抗与负载阻抗的比例关系，实现负载调节，从而改变路灯端电压。 功率变换单元由电力电子功率器件、触发控制器、信号检测与处理器等组成。通过对晶闸管控制角的调整来控制可变电抗变换器二次线圈电流的大小，进而使得路灯的端电压发生变化来改变路灯的照明亮度，它的基本工作原理如图 3 所示。 表 1 几种路灯节能方式比较 无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） 6 图 3 功率单元工作原理图 图中，触发装置收到来自于智能控制器的控制信号，触发板输出脉冲信号则使功率变换单元按要求改变晶闸管的导通情况，晶闸管的导通情况不同直接决定了可变电抗变换器二次线圈的电压或电流发生变化，由于电磁感应，使电抗器一次侧电抗值发生变化（即可变电抗变换器），进而改变路灯的输入电压，使路灯不仅可以实现软起动，也可以按要求进行自行调压 控制其照度。 智能控制器通过对采集信号的处理，输出实时需要的控制信号。与控制器相连的传感器有光学传感器和声学传感器两种，光线的明暗经过光学传感器转变成模拟信号，智能控制器通过对该信号的处理输出对路灯是否开启或关断的控制决策 ;而现场的声音情况通过声学传感器的采集和处理也得到相应的模拟信号，将此信号输入至智能控制器中，由智能控制器依据模糊控制算法来调整路灯的输入电压，将路灯的照度与实时街道上人车流量相对应，使其亮度效果达到最佳。智能控制器控制流程图如图 4 所示。 图 4 智能控制器控制流程图 图 2 可变电抗器阻抗变换原理图 _ .-() o( )_-_ 无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） 7 3 硬件设计 3.1 硬件结构设计 智能路灯节能控制系统的硬件部分由智能控制器和功率变换单元组成。其中功率变换单元由电力电子功率器件、触发控制器、信号检测与处理器等组成。智能控制系统硬件主要由声学传感器、光学传感器、信号变送器、微处理器、 A/D和 D/A 转换器等组成。 硬件系统的工作原理为 :光信号通过光电传感器转变成模拟信号，经变送器输入至 A/D 转换器，实现系统的开启和关闭。噪声信号通过噪声传感器转变成电信号，通过模糊控制算法实时处理人车流量信息，动态调节灯光强弱度，实现节能控制。其系统框图如图 5 所示。 图 3-1 硬件结构框图 3.2 光学信号的采集与检测设计 3.2.1 光源检测原理 光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件 3部分组成。其基本原理是以光电效应为基础，把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电效应是指用光照射某一物体，可以看作是一连串带有一定能量的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，并且是一图 5 硬件结构框图 无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） 8 个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化从而使受光照射的物体产生相应的电效应。通常把光 电效应分为3类 ： (l)在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，如光电管、光电倍增管等 ; (2)在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应，如光敏电阻、光敏晶体管等 ; (3)在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，如光电池等。 3.2.2 检测装置所需器件及选型 在本系统的设计过程中，光源检测用于整套系统的开启和关闭，因此只需要具有内光电效应的光敏器件即可。 光敏器件包括光敏电阻、光敏二极管及光敏三极管等。光敏电阻的工作原理是用光电导体制成的光电器件又称光导管，它是 基于半导体光电效应工作的。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时可加直流偏压，也可以加交流电压。当无光时，光敏电阻值 (暗电阻 )很大，电路中电流很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值 (亮阻值 )急剧减少，因此电路中电流迅速增加 19。 光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积， PN 结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小 (uA)，称为光敏二极管的暗电 流 ;当有光照时，载流子被激发，产生电子空穴，称为光电载流子。在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。 光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能，其符号如图 6 所示。光敏三极管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极 发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被 基区吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流： Ieco 一 (l+p)Iebo(很小 )， 比一般三极管的穿透电流还小 ;当有光照时，激发大量的电子空穴对，使得基极产生的电流 Ib 增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流： Ie=(l+p)Ib， 可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。 由于本系统涉及的光源采集为系统启停提供控制信息，所以采用光敏电阻即可满足系统需求。光敏电阻和其它半导体光电器件相比有以下特点 : l)光谱响应范围相当宽。根据光电导材料的不同，光谱响应可从紫外光 、可见光、近红外扩展到远红外，尤其对红光和红外辐射有较高的响应度。 2)工作电流大，可达数毫安。 3)所测光强范围宽。既可测强光也可测弱光。 4)灵敏度高。光导电增益大于 l。 5)偏置电压低，无极性之分，使用方便。 无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） 9 图 7 所示是利用光敏电阻控制的路灯自动启停电路。该电路由两部分组成。电阻 R、电容 C 和二极管 D 组成半波整流电路。 CdS 光敏电阻和 J 组成光控继电器。路灯接在继电器常闭触点上，光控继电器控制灯的 l从燃到熄灭。工作原理是 :晚上光线很暗， CdS 光敏电阻阻值很大，流过 J 的电流很小，使继电器 J 不动作，路 灯接通电源点亮。早上，天渐渐变亮，即照度逐渐增大， CdS 光敏电阻受光照后，阻值变小，流过 J 的电流逐渐增大，当照度达到一定值时，流过继电器的电流足以使 J 动作，使其闭合，其常闭触点断开，路灯熄灭。 3.3 声学信号的采集与检测设计 3.3.1 声学检测原理 声音测量结构如图 8 所示。其中，外部声音信号传播到传声器，并通过运算放大器将输入的微弱音频信号转换为一信号电平 (电压信号 )，此电压信号则由AD 转换器转换成数字信号发送至单片机，单片机根据输入的数字信号进行处理，并经量纲转换出所对应的 DB 值，最后在单片机控制 下由 LCD 实时显示出来。 图 6 光敏三极管符号示意图 图 7 采用光敏电阻控制的路灯自动点熄电路 无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） 10 图 8 声音检测结构框图 3.3.2 检测装置所需器件及选型 本系统选用传声器作为路面声音信号的采集装置。传声器 (microphone)俗称话筒，是将声源通过空气振动产生的声波转换成电信号的换能设备，是一种重要的电声器件。传声器作为音频系统的第一环节，应具备结构坚固、性能稳定的品质，能满足在特 定使用条件下的基本要求。其基本技术特性为： (l)传声器的灵敏度 传声器的灵敏度表示传声器的声一电转换效率，当传声器的振膜受到声压的作用时，在负载上所产生的电动势或电压的数值，称为传声器的灵敏度。视负载情况不同，分为开路 (空载 )灵敏度和带载灵敏度。 (2)传声器的响应频率 传声器的频率响应指传声器灵敏度依从频率的关系，简称频响，灵敏度与频率之间的关系曲线叫频响曲线。在给定的频率范围内，频响的不均匀度以 dB 来度量。响特性是评价传声器音质的最重要的标准，如果频响曲线从低端到高端都很平坦，则说明它能真实地再现原声 ，而事实上即使是最高级的传声器也存在高频提升、低频下降的情况。因此，在一定频带宽度内频响的不均匀度越小，其有效频率范围就越窄。为获得良好的音质，要求传声器的频响应具有宽而平直特性。 (3)传声器的指向性 传声器的指向性是传声器的灵敏度随声波入射方向变化的特性，又称为方向性。不同的声波入射角所得入射 角频率曲线，就是传声器的指向频响曲线。通常以传声器与声源同声轴 0。 (正向 )90。 (侧向 )和 180。 (背向 )这二种角度来测定其频响，从中确定其频率特性 .正背相差越大，指向性就越强。传声器的输出阻抗指传声器的交流内阻， 又称源阻抗。通常的测定方法是 :在声频为 1000Hz、声压为 1pa声场中，调节传声器输出端可变电阻的阻值，使传声器的输出电压值为不接可变电阻时开路输出电压值的 1/2，此时电阻的阻值即为传声器的输出阻抗。 (4)传声器的最大声压极 在强声压作用下，传声器输出产生非线性谐波失真达到 0.5%-l%时的声压级称为最大声压级。它是衡量传声器性能优劣的一项重要指标。 (5)传声器的等效噪声级 传声器的等效噪声级也称固有噪声。在理想情况下 ，当声压等于零时，传声器的输出电压也应等于零。事实上由于传声器的内部或外部导线中分子的 热 .运动，周围空气气流的微弱变化，使传声器在无声压作用于振膜时仍有一定的电压输出，这个电压称为传声器的固有噪声或固有噪声电压。通常用等效噪声声压级来衡量传声器固有噪声的大小。传声器的等效噪声级与灵敏度有关，在固有噪声相同时，传声器灵敏度越高，等效噪行级越小。通常高保真传声器的等效噪声级小于等于 26dB 无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） 11 (6)传声器的失真度 传声器的失真度的含义是声源信号经传声器拾音以后声频畸变的程度。当传声器的振动波形与声源不同，某些频率与谐波出现增减，便产生了非线性谐波失真。虽然有的传声器的振动波形与声源相同，但一些频率 或谐波的强度与声源不同，就产生了线性失真，也称之为频率失真。当作用于传声器的声压超过最大声压级时，传声器输出信号的非线性畸变会超过允许范围而不能校正。 (7)传声器的动态范围 传声器所能拾取声音音量的大小，上限受到线性失真 (最大声压级 )的限制，下限受到等效噪声级的限制，因此，传声器的动态范围是最大声压级与等效噪声级之差。显然，最大声压级越高则等效噪声级越低。传声器的动态范围就越大，越能适应获取音量变化范围大的声音的需要。 传声器的种类很多，按换能原理可分为电动式、电容式、电磁式、压电式、半导体式传声器 ;按接 收声波的方向性可分为无指向性和有方向性两种，有方向性传声器包括心形指向性、强指向、双指向性等 ;按用途可分为立体声、近讲、无线传声器等。 (l)动圈传声器 动圈传声器是一种最常用的传声器。 主要由振动膜片、音圈、永义磁铁和升压变压器等组成。它的工作原理是当人对着话筒讲话时，膜片就随着声音前后颤动，从而带动音圈在磁场中作割磁力线的运动。根据电磁感应原理，在线圈两端就会产 感 应音频电动势，从而完成了声电转换。为了提高传声器的输出感应电动势和阻抗，还需装置一只升压变丈五器。 动圈传声器结构简单、稳定靠、使用方便、固有 噪声小，被广泛用于语言广播和扩声系统中。但缺点是灵敏度较低、频率范围窄。近几年己有专用动圈传声器，其特性和技术指标都较好。 (2)电容传声器 电容传声器是靠电容量的变化而工作的。它的结构如图 3-8 所示，主要由振动膜片、刚性极板、电源和负载电阻等组成。它的工作原理是当膜片受到声波的压力，并随着压力的大小和频率的不同而振动时，膜片极板之间的电容量就发生变化。与此同时，极板上的电荷随之变化，从而使电路中的电流也相应变化，负载电阻上也就有相应的电压输出，从而完成了声电转换。电容传声器的频率范围宽、灵敏度高、失真小、 音质好，但结构复杂、成本高，多用于高质量的广播、采音、录音、，扩音中。 (3)驻极体电容传声器 这种传声器的工作原理和电容传声器相同，所不同的是它采用一种聚四氟乙烯材料作为振动膜片。由于这种材料经特殊电处理后，表面被永久地驻有极化电荷，从而取代了电容传声器的极板，故名为驻极体电容传声器。其特点是体积小、性能优越、使用方便，被广泛地应用在盒式录音机中作为机内传声器。 (4)无线传声器 无线传声器实际 !几是一种小型的扩声系统。它由一台微型发射机组成。发射机又由微型驻极体电容式传声器、调频电路和电源三部分组成，无 线传声器采用了调频方式调制信号，调制后的信号经传声器的短开线和发射出去，其发射频率的范围按国家规定在 100MHz-120MHz之间，每隔 2MHz为一个频道，避免互相干扰。 无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） 12 无线传声器与接收机应一一对应，配套使用，不得张冠李戴，出现差错。接收机是专用调频接收机，但是一般的调频收音机只要使其调谐频率调整在无线传声器发射的频率上，同样能收听到无线传声器发出的声音。 无线传声器体积小、使用方便、音质良好、话筒与扩音机间无线、移动自如、且发射功率小，因此在教室、舞台、电视摄制方面得到了广泛的应用。 由于本系统采集的声 音信号为道路上行人与车辆所发出，则需要灵敏度高、非线性失真小、频响范围宽的传声器。通过上文的阐述，可选用电容式传声器作为路面声音信息的采集装置，优质电容式传声器的频响可达到声频的范围是20Hz-20KHz，适合于高质量的识音。国产电容式传声器用 CRX-X表示，如 CRI-6，CRGI-2 等。 3.4 功率变换单元设计 方案中已经阐明，功率单元处于可变电抗器低压控制绕组侧，我们采用晶闸管交流调压方式，控制改变电抗器低压侧电压，使高压侧电抗可变。功率变换单元由电力电子功率器件、触发控制器、信号检测与处理器等组成。 通过对晶闸管控制角的调整来控制可变电抗变换器二次线圈电流的大小，进而使得路灯的端电压发生变化来改变路灯的照明亮度。 当路灯开始起动时，电网三相交流电经可变电抗变换器高压侧 (即 AX、 BY、CZ)后达路灯，可变电抗器低压侧线圈将产生感应电动势，三相低压绕组相当于三相电源。交流调压原理就是，在交流电源和负载之间，用两个晶闸管反并联后串联到交流电路中，通过对晶闸管的控制来改变交流电力，这种电路不改变交流电的频率，称为交流电力控制电路。在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，可以方便的调节输出电压的有效值，实现三相 交流调压。 根据三相联结形式不同，三相交流调压电路具有多种形式。包括星形联结、线路控制三角形联结、支路控制三角形联结、中点控制三角形联结。这里采用了星形电路三相四线制连接，此时，相当于单相交流调压电路的组合，三相互错开120。 工作。 由于路灯是阻感性负载，从电力电子学中可以知道，当晶闸管交流调压电路带有阻感性负载时，移相角 只有在 180。 范围，才能起到调压作用。 为负载阻抗角。 为了便于分析，我们预先假定 ： (l)电源为三相对称的正弦电压源，电源的内阻抗为零 ； (2)各晶闸管的特性一致，对称触发，关 断状态时，其阻抗为无穷大 ； 导通状态时，其阻抗为零 ； (3)路灯为理想负载，稳态运行时，功率因数恒定。 在调压时，路灯上所得到的电压与电流波形在不同 角时是不同的。例如晶闸管调压器在电机起动时，随着控制角 由大到小变化时，路灯所得的电压也随之升高的，而路灯上电流变化的一般趋势是从大减小到额定值。由于调压控制在实质上是改变一个周期内电压波形导通角的大小，所以输出的不是正弦波，但由于晶闸管是对称触发，所以每一相负载上所得到的电压及稳态时的相电流是三相对称的。其中 角为触发角， 角为续流角， 为晶闸管真正导通角， U1 为路灯相电压。 角决定了晶闸管的输出电压，故改变 角的大小就可以调节电抗器低压侧电压 U1。 3.5 智能控制器硬件设计 3.5.1 AD 转换电路 无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） 13 微处理器只能识别和处理数字量，因此信号检测模块输出的模拟信号必须经过模 /数转换成为数字量，才能完成软起动信号的采集，所以设计中采用 AD 转换电路完成这一信号转换。 AD 转换器是 AD 转换电路的核心，本设计中采用的是美国 T1 公司生产的 12 位串行 A/D 转换器 TLC2543。 TLC2543 是 CMOS、 12 位开关电容逐次逼近式 AD 转换器。它有三个输入端和一个三态输出端 :片选 (CS)、输入 /输出时钟 (FOCLK)、地址输入 (ADDRESS)和数据输出 (DATAOUT)。这样通过一个直接的四线接口与主处理器通信。片内含有 14 通道多路选择器可以选择 11 个输入中的任何一个或三个内部自测试电压中的一个。片内设有自动采样保持电路。系统时钟由片内产生并与 FOCLK 同步。片内转换器设计使器件具有高速 (10uS 转换时间 )、高精度 (12 位分辨率、最大正负 1LSB 线性误差 )和低噪声的特点。 一般地， TLC2543 与微处理器之间的数据传送仅需将 CS、 FOCLK 、ADDRESS、 DATAOUT 一与处理器的 FO 口相连，通过软件合成控制时序即可。在本系统中，为了防止工业现场的干扰，采用了光电隔离电路切断了处理器与模拟量输入通道 (包括传感器、信号调理电路和 AD 转换电路 )之间的电气联系。电路原理图设计中使用光电祸合器 6N137 对 TLC254)和单片机之间的线路进行光电隔离，从而大大提高了系统的可靠性和抗干扰能力 20。 3.5.2 D/A 转换电路 本设计中，需要由微处理器系统提供控制信号给触发控制模块，该信号为0-10V 直流电压信号。为了把控制信号由数字量转换成 符合触发控制模块需要的模拟电压信号，设计了 DA 转换电路。 电路中使用 D/A 转换器 TLC56 巧进行 D/A 转换， TLC5615 是一个串行 10 位DAC 芯片，性能优于早期电流性输出的 DAC。只需要通过 3跟串行总线就可以完成 10 位 数据的串行输入，易于和工业标准的微处理器或微控制器接 。其主要特点为 :单 5V 电源工作 ； 3线串行接口 ； DAC 输出的最大电压为 2倍基准输入电压 ；转换速率快，更新率为 1.2lMHz。 本系统中， TLC5615 的数据输入端 (DIN)、始终信号端 (SCLK)分别与P89V5lRDZ 单片机的 SPI 接口的 MOsl 和 SCK 端相连，利用单片机的 SPI 接口完成对 TLC5615 的控制，提高了转换速度，降低了软件的复杂程度。 TLC56 巧转换输出为 0-5V 直流电压，为把该输出电压转化为 0-10V 直流电压，使用运算放大器 LM348 组成同相比例放大电路，经比例放大后，输出 0-10V直流信号输入触发板作为该模块的给定信号 。 3.5.3 开关量输入 /输出电路 (l)开关量输入电路 开关量输入电路主要用于接受各设备状态信号和工作人员的操作命令，包括 ： 电机起动、警报接触、急停、故障报警、开关和断路器的反馈信号等。开关量输入电路原 理图如图 9 所示。 开关量输入电源由 +24V 直流电源提供。输入的开关量通过光祸 TLP521 隔离后输送到微处理器，微处理器根据输入开关量进行相应的操作。 (2)开关量输出电路 开关量输出信号主要用于控制微型继电器，微型继电器用于控制指示灯、蜂鸣器和中间继电器的状态，以完成对应开关设备的动作。开关量输出电路原理图如图 10 所示。 无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） 14 电路中的 I/O 并不足以直接驱动继电器，因此需要经过驱动电路进行转换，使输出的驱动电压、电流能够适应继电器的要求。还需要解决在负载动作时，对电源的干扰以及断开电流时线圈电感在线 圈两端产生的极高的感应电压等问题。所以，设计使用了光电祸合器 TLP521 进行了光电隔离，输出信号通过控制三极管的开关来控制继电器的状态。同时，在继电器线圈两端并联续流二极管，使继电器线圈产生的感应电流由二极管流过，从而使三极管得到保护。在继电器的触点加入阻容消弧电路，用以消除继电器触点断开使产生的电弧。 4 软件设计 4.1 软件结构设计 在软件开发的过程中，我们采用了了结构化程序设计方法，使得软件系统具有了模块化的特点。结构化程序设计是在 70 年代逐渐被采用的一种新型的程序设计方法，它具有易读、易查、易调试 、编程效率高等优点。软件系统的结构模块如图 11 所示。 图 9 开关量输入电路原理图 图 10 开关量输出电路原理图 无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） 15 图 11 软件系统结构框图 智能路灯节能控制系统软件分成通信模块、数据管理模块、数据处理与分析模块和 LCD 显示。服务功能为 :将传感器采集到的实时现场声音信号通过 A/D 转换发送到单片机中，在单片机的系统中先设置好声音级别对应的控制数据，将传送进来的实 时音频数据与设定的好的数据进行比较，判断该实时音频数据应对应的控制数据并将数据输出，通过 D/A 转换来控制路灯的亮度，并在 LCD 上显示出实时的声音分贝。 4.2 数据采集与处理程序设计 街道路面信息数据的采集与处理是系统的主要任务之一，要正确而高效的完成数据的采集与处理首先必须解决以下两个问题： 1)数据采集与处理首先必须处理好标度变换问题。由于系统采集的各种参数都有不同的量纲和数值，被测信号转换成数字量之后，往往还要转换成操作人所熟悉的工程量，这种转换就是标度变换。 2)在微机测控系统中，存在大量的现场干扰 ，采集的数据都存在不同程度的信号污染，因此应根据数据受干扰性质和干扰后果的不同，采取相应的软硬件措施清除干扰。采用软件的方法方便灵活，成本低。常用的软件抗干扰的方法有：有效性检查、数字滤波、数字调零和自动校正等都是应用广泛的数据处理技术。 4.2.1 标度变换技术 由于实际测量到的各个参数都有不同的量纲和数值，这些参数首先由测量仪表转换成模拟信号，再经过 A/D 转换后成为一系列数字量。这些数字量仅仅代表参数值的大小，并不一定等于原来带有量纲的参数值，为了能直接显示被测工程量值，必须把它们转换成有量纲的数值。标 度变换主要有线性和非线性两种变换。 l)线性参数的标度变换技术 该标度变换的前提是参数值与 A/D 变换结果之间为线性关系，其变换公式为： Y=Y0+(Ym-Y0)(X-N0)/Nm-N0 上式中， Y 表示参数的测量值 ； Ym 表示参数量程最大值； Y0 表示参数量程最小 值； Nm 表示对应的 A/D 转换后的输入值 ； N0 表示 Y0 对应的 A/D 转换后的输入值； X 表示侧量值 Y 所对应的 A/D 转换值。 一般情况下，在编写程序时， Ym、 Y0、 Nm、 N0 都是已知的，因而可以把 无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） 16 上式写成： Y=a0+a1*X 这是一个一次多项式， a0、 a1 为两个系数。在编程前，应根据 Ym、 Y0、 Nm、N0 先算出 a。、 a1，然后按上式编写程序来计算 Y。 2)非线性参数的标度变换技术 当传感器输出的数据与实际被检测的参数之间不是线性关系，而是由传感器和测量方法所决定的某种函数关系时，则需要采用非线性标度变换。此时的标度变换式应根据具体问题具体分析，本文将音频信号在短时间内采集到的参数值与A/D 变换结果视为线性关系，故在此对非线性参数的标度变换不作详细介绍。 4.2.2 有效性检查 为避免测量元件、信号线路的开路，确保单片机采集到的数据的真实性，通常都要对输入数据 进行有效性检查，这是保证系统可靠性措施之一。在系统设计时总是使被测量的模拟信号处于某个标准电压或电流范围内，如果测量仪表或信号传送线路出现故障，其信号便会达到甚至超过信号标准的上下限值，单片机便可发出报警信号，提醒维修人员进行处理。 4.2.3 数字滤波 数字滤波就是通过一定的计算机程序减少干扰信号在有用信号中的比重，故实际上是一种程序滤波。数字滤波能够克服模拟滤波器的不足，它与模拟滤波器相比有以下优点： (l)由于数字滤波是用程序实现的，因而不需要增加硬件设备，可以多个输入通道 “ 共用 ” 一个滤波程序。 (2)由于数字滤波不需要硬件设备，因而可靠性高，稳定性好，各回路之间不存在阻抗匹配等问题。 (3)数字滤波能对频率很低的干扰信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷，而且通过改写数字滤波程序可以实现不同的滤波方法，这比改变模拟滤波器的硬件要灵活、方便。 常用的数字滤波方法为程序判断滤波法： 当采样信号由于随机干扰而引起失真时，可采用程序判断滤波。该方法是根据生产经验，确定出两次采样的输入信号可能出现的最大偏差 Y，如果超过此偏差值，则表明该输入信号是干扰信号，就用上次的采样代替本次采样 ： 如果小于此偏差值，可将信号作 为本次采样值。其算法为： Yn=Yn Yn-Yn-1 Y 或 Yn=Yn Yn-Yn-1 Y 式中 Yn 为第 n 次采样值 ； Y 为两次采样值所允许的最大偏差，其大小取决于采样周期和 Y 值的变化范围，由被测量值的实际情况决定。这种方法的关键问题是 Y 的选择， Y 选得太大，干扰信号无法滤除， Y 选得太小，会将某些有用信号也滤除。 4.2.4 程序设计 本系统数据采集主要是光信号和声音信号的采集，而光信号则是直接用来控制整套系统的启停，通过模拟电路即可实现其控制。对声音信号的采集处理则采用软、硬件结合的方式，其 程序流程图如图 12 所示。 无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） 17 根据程序流程图我们设计出了相应的控制程序，其中数据采集和处理的部分程序如下： unit ad2543(uchar port) unit ad; unit I; uchar al =0,ah = 0; CLOCK = 0; -CS = 0; /片选 nop(10); for(i = 0;i8;i+); /把通道号打入 2543 ADDRESS =(bit)(port & 0*80); /取最高位输出 nop(5); CLOCK =1; /高电平，产生一个上升沿，此时输入一位地址 nop(5); CLOCK =0; nop(5); port = port1; /左移一位，使下一位地址至最高位 图 12 数据采集程序流程图 无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） 18 for(i=0;i4;i+); /填写 4 个 CLOCK，此时正在进行 AD 转换 CLOCK=1; nop(5); CLOCK=0; nop(5); -CS = 1; nop(10); -CS = 0; /等待 AD 转换 nop(10); for(i=0;i4;i+); /取 D9,D8 CLOCK = 1; nop(5); ah = ah 1; if(D-OUT) ah = ah 0*0 ; CLOCK = 0; nop(5); for(i=0;i8;i+); /取 D7-D0 CLOCK = 1; nop(5); al = al 1; if(D-OUT) al = al 0*0 ; CLOCK = 0; nop(5); -CS = 1; nop(10); /得到 AD 值 ad = (uint)ad; ad = ad8; ad = ad (uint)al; return ad; 算术平均滤波方法的部分程序为： #define N 10 char filter() 无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） 19 int sum = 0; for(count=0;countN;count+) sum + = get-ad(); delay(); return(char)(sum/N); 标度变换子程序是将声音信号转换为声音值，以便于显示或与设定值在相同的量纲进行比较。由于街道路面的环境情况较为复杂，声音的采集在一段时间内呈现为非线