城市路灯自动控制系统毕业设计

题目： 城市路灯自动控制系统硬件设计摘要：随着中国经济的快速发展，人类对电力能源的需求日益增大，电力资源日益缺乏。因此如何节能降耗已成为近几年来人们关注讨论和研究的话题。本文研究的路灯控制系统是针对我国城市在路灯照明的控制方面产生的巨大能源消耗和浪费而开发出的新的智能型的路灯控制系统。本文详细介绍了该系统的设计与实现。本文详细介绍并分析了以 GPRS 技术、电力载波技术、单片机芯片 AT89S52、光敏传感器为主要部件的硬件电路。通过时间控制和环境参数控制相结合的方法去控制路灯。实现随着光照强度的大小和在一定时间段内路灯都有着的不同表现，午夜路灯间隔开以节省电源，光照很足时路灯全部自动断开不工作等功能。该路灯控制系统是一种智能型控制系统，电力资源既能够得到合理利用。随着社会的发展，路灯控制系统会得到更广泛的应用，具有非常光明的前景。关键词:GPRS、PLC、单片机、光敏传感器Abstract: With Chinas rapid economic development, human power energy demand increases day by day, the power increasing scarcity of resources. So how to saving energy and reducing consumption has become in recent years people pay more attention to the discussion and the research topic.This paper studies the street lamp control system is in view of our country city in street lighting control enormous energy consumption and waste and to develop a new type of intelligent lighting control system. This paper introduces the system design and implementation. This paper introduced and analyzed with GPRS technology, PLCtechnology, the single chip AT89S52, photosensitive sensor for the main components of the hardware circuit. By the time control and environmental parameters control combination method to control the street lamp. Achieve with the light intensity of the size and within a certain period of time lights have different manifestations, midnight lamps spaced to save power, illumination is enough when the street lights automatically disconnect function does not work.The street lamp control system is a kind of intelligent control system, electric power resources to rational use. With the development of society, street lamp control system will be more widely used, has a very bright future.Key words: GPRS、PLC 、single chip 、Photosensitive sensor目 录第一章 绪论 .11、路灯自动控制系统设计的前景 .12、路灯自动控制系统节能方式探讨 .11.2.1 照明稳压调光控制装置 .21.2.2 半夜路灯交替亮灯方式 .23、无线网络的优点 .2第第二章 路灯自动控制系统设计的总体方案 .42.1 系统总体结构 .42.2 中央控制室 .42.3 集中控制器 .42.4 路灯控制器 .4第三章 路灯自动控制系统硬件设计 .63.1 GPRS 通信 .63.1.1 GPRS网络概述 .63.1.2 GPRS网络的协议和结构 .63.2 电力载波通信简介 .73.2.1 工作频段 .83.2.2 传输速率 .83.2.3 双向通信 .83.2.4 调制解调方法 .93.2.5 扩频通信原理 .93.3 PLC 技术可行性研究 .103.4 路灯控制整体实现 .11第四章 系统各部件详细说明 .124.1 GPRS 模块的硬件设计 .124.2 电力线载波模块的硬件设计 .134.2.1耦合电路 .134.2.3接收电路 .154.2.4陶瓷滤波电路 .154.2.5 存储电路 .164.2.6 直流电源电路 .164.3 路灯控制器的硬件设计 .174.3.1 AT89S52的介绍 .174.3.2 光照信号测量电路的设计 .204.3.4时钟电路 .224.3.5复位电路的设计 .234.3.6 显示电路的设计 .23第五章 心得体会 .25参考文献 .26第 1 页 共 26 页第一章 绪论1、路灯自动控制系统设计的前景跟传统的路灯控制系统相比，传统路灯控制系统就是采用人工控制，到了一定时间就开启路灯，到了一定时间关闭路灯，完全是人工控制路灯的开关。一个国家路灯市场规模与当地道路长度与种类、国民生活水平有关。理论上道路长度愈长、愈宽、重要道路(如高速公路)比率愈高，路灯需求数量将随之增长。不过路灯需求与实际装置数量，会受到国民生活水平影响。国民生活水平愈高国家，民众对于道路使用频率与道路安全要求越高，相对的路灯装置数量也较多。中国基本上是能源缺乏国家，随着经济发展，能源供给问题更加严重。2008年 10月中国政府启动“公共机构节能条例” ，要求各级政府单位应当将节能产品、设备纳入政府集中采购目录，并严格监控能源消耗状况。同时，也公布了“民用建筑节能条例”规定建设单位应当选择合适的可再生能源，用于采暖、制冷、照明和热水供应等。正因为这两项法规的实行，提供地方政府采购 LED等相关节能产品的法源依据。虽然国家积极地在倡导节能环保也采取了许多措施，例如采用人工控制手动进行开关灯的工作，还有采用定时控制的措施：天天定时开定时关不论气候季节变化，还有的在夜晚降低路灯的供电电压使其变暗来减小能源消耗。这些控制方式明显存在着较大的问题，人工控制不仅浪费了人力资源，而且还容易引起不必要的安全隐患。定时控制存在着在天气不好或季节变化天黑的早或晚的情况下光照条件没得到及时改善。降低供电电压会影响路灯的使用寿命和出行安全。所以说，设计出一个智能型的路灯控制系统在社会会有个广泛的应用前景。2、路灯自动控制系统节能方式探讨绿色照明是当今照明界发展的一种趋势。目前，在道路照明工程中，电网电压受负荷的影响较大，在负荷高峰时偏低，在负荷低谷时偏高。每当傍晚，道路上交通量高峰时，恰值电网负荷高峰，由于电网电压偏低，光源发出的光通量低，路面照度低；而接近午夜时，道路上交通量处于低谷，此时电网负荷也是低谷，由于电网电压偏高，因此光源发出的光通量高，路面照度高。而人眼在黑暗中经过一定时间就有了适应黑暗的能力,深夜时亮度只需刚刚天黑的70%就有相同的“感觉亮度”。因此,路灯在深夜过高电压下运行会大大浪费电能。所以,科学第 2 页 共 26 页地控制路灯,不仅能满足人们行路行车的安全,还能节约电能及延长灯具的使用寿命,从而减轻维修工作量和减少运行费用。为改变这种现象，一般采用如下几种方法：1.2.1 照明稳压调光控制装置在负荷不变的情况下，电能的消耗与电压的平方成正比，与用电时间成正比，电压越高，时间越长，耗能越大。稳定照明电压可以节省大量电能的消耗。稳定调光控制装置的基本性能是在黄昏时分将低于220V 的电压调到220V ，在午夜电源电压高到某值时，可按设定的电压180V(高压钠灯 )将光源电压调下来，从而有效地降低路灯的电流、有功功率、无功功率，大量节省能源和资金。由于此装置具有稳压软启动功能，可以克服因气体放电灯低压启辉失败而严重影响路灯寿命的不利因素，同时克服了光源电压升高10时光源冷启动大电流冲击烧灯现象。目前，常用的调光控制装置有两种，分别为可控硅调压系统和扼流圈调压系统。可控硅调压系统通过控制器发出相应的电脉冲，控制可控硅导通角，对供电电压做出模拟调节，使可控硅电源按设定值输出电压，供路灯照明使用；扼流困调压系统也是通过微控制器采集电压值，启动调压系统，按预设调压百分比进行电压调整。1.2.2 半夜路灯交替亮灯方式在路灯系统中增铺一到两条电缆，对线路上的路灯分别控制，在接近午夜交通量小的时候，熄灭部分电缆控制路灯，以达到节能的目的。但这样做也有缺点，道路照明的均匀度差且灯光零乱,对城市交通及道路景观有一定的负面影响。系统中重点考虑如何在控制方面进行节能设计。3、无线网络的优点从功能从可靠性来说，没有一个无线网可以与移动通信网相比拟，总体来说，有以下优点：1、覆盖域广，目前移动通信网全国覆盖率 95%以上，非边远区覆盖率几乎100%。GPRS 用户可随意分布和移动自己网络点，无须担心线路维护或有线移机时导致通讯中断。建设新监控点无需进行拉线，埋线等工作。较光纤，或专线系统投资较少，设备安装方便。通信距离远，任何场合都可以设中心站。覆盖较好，比较很多无线数据网络（集群，双向传呼，CDPD，CDMA）而言，其网络覆盖是最好。2、GPRS 网络接入速度快，提供了与现有数据网无缝连接。GPRS 网本身就是第 3 页 共 26 页一个分组型数据网, 支持 TCP/IP、X.25 协议，无需 PSTN 等网络转接，直接与分组数据网（IP 网或 X.25 网）互通，接入速度仅几秒钟，快于电路型数据业务。采用 TCP/IP 协议，较以前无线数据网络（集群，双向传呼，GSM 短信息）而言，网络接入更加直接方便。3、网络可靠性高。首先网络有较大冗余设备及信道；其次设备复用；再次，一旦基站特殊情况下损坏，移动公司抢修非常及时。4、稳定性好，抗自然干扰能力强；另频段专用，不会受到人为干扰。GPRS 能最好支持频繁、少量突发型数据业务。通信质量稳定可靠，永不掉线。5、GPRS 资费便宜，计费合理。GPRS 资费包月比有线电话网络资费还便宜。路灯监控数据采集业务没有大数据量信息传输，不必要采用资费很高专线（DDN、帧中继） 。GPRS 还可通信数据量和提供服务质量进行计费。GPRS 网中，用户只需与网络建立一次连接，就可长时间保持这种连接，并只传输数据时才占用信道并被计费，保持时不占用信道不计费。这样，营业点即不用频繁建立连接，必支付传输间隙时费用。GPRS 是移动通信网中一种新技术，完成了无线Internet接入，这种技术数据传输时，将数据进行分组（TCP/IP）传送，并提供透明通道。网络容量仅需要时才分配，一旦分组完成发送任务，信道容量立即释放，提供了即时连接和高效传输，实现了实时线功能。 ，它是一种经济高效分组数据技术。组网方面主站和从站设备均可使用动态 IP和固定 IP两种工作方式，当组成小规模监测网时，主站和从站均采用动态 IP方式，用动态域名解析使用公网，可节省费用（不用专门租用 DDN等专线） ；组成大网时，主机可采用固定IP，并用专网，以提高系统效率，但条件不具备时仍可使用动态 IP和公网，此时效率仅比固定 IP低 0.2%。第 4 页 共 26 页第二章 路灯自动控制系统设计的总体方案2.1 系统总体结构按照路灯远程测控系统的设计要求和要实现的功能，将系统大体分为中央控制室、集中控制器和路灯控制器 3层网络结构。系统的总体结构如图 2.1所示。Inter路 由 器监 控 中 心 计 算 机GPRS模 块 天 线中 心 服 务 部模 块微 控 制 器 电 力 载 波 模 块指 示 灯 变 压 器20V电 力 载 波模 块 微 控 制 器路 由 器继 电 器 路 灯中 央 控 制 室集 中 控 制 器 路 灯 控 制 器时 钟 电 路 时 钟 电 路图 2.1 系统的整体结构2.2 中央控制室中央控制室是整个系统的最高控制中心，它的硬件主要包括监控中心计算机、路由器、中心服务器、Internet 接入设备、与集中控制器通信模块（本系统通过GPRS模块与集中控制器通信）等。2.3 集中控制器集中控制器在整个系统中起到桥梁作用，它通过电力线磁感线与路灯控制器第 5 页 共 26 页通信，还通过 GPRS模块与中央控制室通信。所以它的硬件组成部分主要有控制器 CPU、GPRS 模块、电力线载波模块、晶体振荡电路、时钟电路等。它主要是负责信息的采集和发送，控制命令的传递等。2.4 路灯控制器路灯控制器直接实现路灯开关控制以及路灯控制状况信息的反馈，并且在发送的信号不能到达目标路灯控制器时，要有路灯控制器在其中作中继传递，以保证信号顺利传输。同时，当路灯控制器无法给电力载波调制解调器反馈信息时，也要有路灯控制器作中继传递。这样就要求路灯控制器有这样几部分组成：控制器 CPU、电力线载波模块、陶瓷滤波电路、晶体振动电路、直流电源电路、继电器以及电流电压检测电路。第 6 页 共 26 页第三章 路灯自动控制系统硬件设计系统的通信方式采用 GPRS与电力磁感线通信相结合。中央控制室与电力载波调制解调器之间采用 GPRS通信，电力载波调制解调器与路灯控制器的通信是电力磁感线通信的方式。路灯控制器之问的通信采用 PLCC通信方式，实现电力载波调制解调器与目标路灯控制器之间的可靠通信，其实质就是中继通信。下面进行通信方式的比较选择。3.1 GPRS 通信3.1.1 GPRS网络概述GPRS是第二代移动通信技术 GSM向第三代移动通信演讲的过度技术，因此也称 2.5G通信技术，是由英国 BTCellnet公司早在 1993年提出的，是 GSM Phase2+（1997 年）规范实现的内容之一，是一种基于 GSM的移动分组数据业务，面向用户提供有移动分组的 IP或者 X.25链接。GPRS在现有的 GSM网络基础上叠加了一个新的网络，同时在网络上增加了一些硬件设备和软件升级，行程了一个新的网络逻辑实体，提供端到端的、广域的无线 IP连接。GPRS 采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，资源被有效的利用。GPRS 技术 160Kbps的高速传送速度几乎能让无线上网达到公网 ISDN的效果，实现“随身携带互联网”。使用 GPRS，数据实现分组发送和接受，用户永远在线而且按流量、时间计费，迅速降低了服务成本。通俗地讲，GPRS 是一项高速数据处理的科技，它以分组交换技术为基础，在移动用户和数据网络之间提供一种链接，给移动用户提供高速无线 IP和 X.25服务，用户通过 GPRS可以再移动状态下使用各种高速数据业务，包括收发 E-mail、进行 Internet浏览等。 3.1.2 GPRS网络的协议和结构GPRS通信是基于 TCP(Transmission Control Protocol)/IP(Internet 第 7 页 共 26 页Protocol)协议的网络通讯，它支持两种不同的传输层协议，分别是面向连接的TCP协议和无线连接的 UDP(User Datagram Protocol)协议。TCP 和 UDP的主要区别在于：从对系统资源的要求上看，TCP 较多，UDP 少。UDP 程序结构较简单。TCP 是基于流模式的，UDP 是基于数据报模式的。TCP 能够保证数据正确性和数据的顺序，而 UDP可能会丢包，数据顺序也没有保证。另外，结合网络的情况具体