毕业设计（论文）-基于单片机的智能化路灯节能装置的设计.pdf

- I - 基于单片机的智能化路灯节能装置的设计基于单片机的智能化路灯节能装置的设计基于单片机的智能化路灯节能装置的设计基于单片机的智能化路灯节能装置的设计 摘摘摘摘要要要要 近年来随着城市建设的发展，城市照明，特别是路灯的数量越来越多，随之 而来的照明耗电问题也越来越引起关注，本文也正是基于这个背景下提出的。 为 了更有效的节约能源，减少用电量，文章从合理控制线路的角度提出用补偿变压 器稳压方式和单片机进行电压控制的解决方案，设计了路灯的节能装置。 文章从两个方面对节能装置进行了设计：一、从降低供电电压的角度考虑： 根据不同时间段对路灯的照明要求调节路灯的供电电压， 这其中用到了单片机和 补偿变压器组成的控制器， 文章详细介绍了补偿变压器的工作原理、 硬件设计等。 二、从提高功率因数的角度考虑：文中采用电容组来提高功率因数。在电压控制 方面，本文采用了 ATMEL 公司生产的 AT89C52。AT89C52 是美国 ATMEL 公司 生产的低电压、高性能 CMOS 8 位单片机，与标准 MCS-51 指令系统及 8052 引 脚兼容， 片内置通用 8 位中央处理器 （CPU） 和 Flash 存储单元， 功能强大 AT89C52 单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。 此节能系统可以根据地区以及季节和天气情况的不同来调节路灯的启停时 间，并能根据天气的变化调节路灯的亮度。而且操作简单，控制方便，适合普遍 适用。 关键词关键词关键词关键词 路灯节能；补偿变压器；单片机；功率因数 哈尔滨理工大学学士学位论文 - II - DesignDesignDesignDesign ofofofof intelligentintelligentintelligentintelligent streetstreetstreetstreet lamplamplamplamp energy-conservationenergy-conservationenergy-conservationenergy-conservation controllingcontrollingcontrollingcontrolling withwithwithwith thethethethe singlesinglesinglesingle-chip-chip-chip-chip computercomputercomputercomputer AbstractAbstractAbstractAbstract Along with the urban construction development, the city illumination, specially the street light quantity more and more were in recent years many, the following illumination consumed the electricity question also more and more to arouse the interest, this article also is precisely proposes based on this background under. For a more effective frugal energy, reduces uses the electric quantity, the article from reasonably to control the line the angle to propose with compensates the transformer constant voltage way and the monolithic integrated circuit carries on the voltage control the solution, has designed the street light energy conservation installment. The article has carried on the design from two aspects to the energy conservation installment: First, from reduces the power line voltage the angle to consider that, According to the different time compartment adjusts the street light to the street light illumination request the power line voltage, this in which used the monolithic integrated circuit and compensates the controller which the transformer composed, the article in detail introduced compensated the transformer the principle of work, the hardware design and so on. Second, from enhances the power factor the angle to consider that, In the article uses the electric capacity group to enhance the power factor. In the voltage control aspect, this article has used AT89C52 which ATMEL Corporation produces. AT89C52 is the low voltage, the high performance CMOS 8 monolithic integrated circuits which American ATMEL Corporation produces, is compatible with the standard MCS-51 command system and 8,052 pins, internal sets at the general 8 central processors (CPU) and the Flash memory cell, the function formidable AT89C52 monolithic integrated circuit suits to many comparatively pluralities of controls applications situation. This street light energy conservation system can adjusts the street light according to the area and the season as well as the weather situation to open stops the time, and 哈尔滨理工大学学士学位论文 - III - operates, the control simply is convenient, very good achieves the energy conservation effect. KeywordsKeywordsKeywordsKeywords Street light energy conservation; Compensates the transformer; Single chip; Power factor 哈尔滨理工大学学士学位论文 - IV - 目目目目录录录录 摘要I Abstract.II 第 1 章 绪论. 1 1.1 课题的背景及意义. 1 1.2 智能路灯控制器功能概述. 1 1.3 系统的具体要求. 4 1.4 系统工作原理. 4 第 2 章 控制系统的硬件设计. 6 2.1 单片机芯片的选择 6 2.1.1 AT89C52 概述. 6 2.1.2 功能性概述 7 2.1.3 时钟振荡器 9 2.2 数据采集电路 10 2.2.1A/D 转换器电路.10 2.2.2 环境光线检测电路 13 2.2.3 电流、电压的采集电路 14 2.2.4 功率因数检测电路 16 2.3 步进电机驱动电路 16 2.3.1 步进电机驱动器的使用 16 2.3.2 HB304V 三相混合式步进电机驱动器介绍.17 2.4 显示及键盘电路 19 2.4.1 键盘模块 19 2.4.2 显示模块 21 2.5 辅助电路 25 2.5.1 时钟电路 25 2.5.2 继电器接口电路 26 第 3 章 控制系统的软件设计. 27 3.1 主程序. 27 3.2A/D 采样程序27 3.3 显示程序. 27 3.4 键处理程序. 28 3.5 步进电机驱动程序. 28 3.6 功率因数补偿程序. 28 结论. 30 致谢. 31 哈尔滨理工大学学士学位论文 - V - 参考文献. 32 附录 A33 附录 B39 附录 C43 附录 D45 附录 E53 哈尔滨理工大学学士学位论文 -1- 第第第第 1 1 1 1 章章章章绪论绪论绪论绪论 1.11.11.11.1课题课题课题课题的的的的背景及意义背景及意义背景及意义背景及意义 路灯是城市形象的标志，是城市的窗口，也是城市建设中必需的公用基础设 施。城市照明是关系到亿万市民切身利益的重要环节，直接反映了城市的建设水 平和市容风貌，路灯的控制和管理水平更显示出城市的现代化程度。因此，保证 城市路灯处于良好状态，不仅直接关系着人民的生活、生产发展、交通安全和社 会治安，而且对于提供良好的投资环境，吸引外商外资，促进经济腾飞等起着非 常重要的作用。 随着城市建设的发展，路灯的数量越来越多，样式也越来越新颖，而随之而 来的路灯照明的耗电问题也受到越来越多的关注。路灯照明节能已经迫在眉睫。 以往的路灯照明大多采用直接供电方式，人工送电人工关闭。这种方式有许多不 足：供电系统在不同的时间电压是波动的，在用电高峰期，电压都低于额定值， 在用电低谷期供电电压又高于额定值，当电压高时不但影响照明设备的使用寿 命，而且耗电量也大幅增加（电源电压若增加 20%，则耗电量增加 44%） ，当低谷 时，照明设备又不能正常工作；利用人工送电，增加人员开资，有时又不能及时 开闭，即影响正常照明又浪费电能。本论文正是基于这个背景下提出的。 路灯照明节能技术的实现途径有很多，归纳起来主要有一下几个方面： 1路灯隔盏关灯的方法。这种我国大部分城市都在应用而日本等发达国家 早在上个世纪 70 年代就已经抛弃的节能方法，其弊病不言而喻，不仅导致了路 面照度分布不均，给治安及交通安全埋下了隐患，而且不能避免后半夜电网电压 的升高对路灯寿命的减损，因此不能称做是真正意义上的节能。 2采用节能光源。高效的高压钠灯，与现在使用的路灯能耗相同但光照更 亮，可节约灯杆和灯具资源。太阳能和 LED 灯亮度更高，可以通过控制器达到 多种色彩和图案的变化。太阳能灯一天就可节电 90%。在同等光照面积下，LED 灯功率仅为霓虹灯的 10%20%，寿命却是它的 5-10 倍。但是首次投入成本高， 困难地区难以实现。太阳能灯光的散发性稍弱，照明效果会受影响；更换下的灯 泡也会造成浪费。 3采用整体降压调光法。安装灯光节电器，在繁忙的时段，控制路灯 保持较强的照度；接近午夜时分，开始自动调光；在后半夜，整体降压，控制路 灯保持较低照度的照明。 本设计使用了基于 AT89C52 单片机的路灯节能装置，采用的是第 3 种方法 实现路灯照明的节能控制。 1.21.21.21.2智能智能智能智能路灯控制器路灯控制器路灯控制器路灯控制器功能功能功能功能概述概述概述概述 据调查，我国小型城市晚上 21:00 以后，大中城市在 24:00 点以后，道路上 哈尔滨理工大学学士学位论文 -2- 几乎空无一人，即便是北京、上海这样的大城市，凌晨 01:00 以后道路上也罕见 行人车辆，从而造成了“人少车稀灯更亮”的不合理情况。 国际照明领域提出了 TPO（Time/Place/Occasion）科学的、合理的照明新观 念，即“按需供电，在保证照明效果的情况下亮着灯节电”。而路灯控制器就是 这种设计的具体体现， 它可根据不同地区不同季节对路灯照明的不同要求来设定 节电时间段， 在不同的时间段使用不同的电压来对路灯供电， 避免了电能的浪费。 下面一哈尔滨为例来说明智能路灯控制器功能作具体的概述： 1分时控制 智能路灯控制器能根据时间的变化来控制开关灯，并调整路灯的供电电压。 哈尔滨地处东经 126 度 38 分,北纬 45 度 45 分，大致的日出、日落时间见表 1-1。 表 1-1 哈尔滨地区日出日落时间(2007 年) 日期日出时间日落时间 1 月 1 日7 点 15 分16 点整 2 月 1 日6 点 56 分16 点 39 分 3 月 1 日6 点 13 分17 点 20 分 4 月 1 日5 点 15 分18 点 01 分 5 月 1 日4 点 22 分18 点 40 分 6 月 1 日3 点 47 分19 点 15 分 7 月 1 日3 点 47 分19 点 27 分 8 月 1 日4 点 16 分19 点 02 分 9 月 1 日4 点 54 分18 点 12 分 10 月 1 日5 点 31 分17 点 15 分 11 月 1 日6 点 13 分16 点 21 分 12 月 1 日6 点 53 分15 点 51 分 在误差允许的范围内，又将一年分为 3 个季节段来对路灯进行控制，每个季 节段有着不同的开关灯时间。同时，从开灯到关灯时间段内又成 3 个阶段对路灯 进行控制。即交通高峰期（21:0022:00 以前） ，交通正常期（22:0001:00）和交 通低谷期（01:00天亮） 。交通高峰期，为保证足够的照度，应让路灯工作在最 佳状态，此时路灯的工作电压应为其额定电压的 93%。这是因为灯具的寿命随着 工作电压的升高而减少，当路灯工作在 93%额定电压时，其寿命提高两倍，照度 只降低 5%。 而人眼对光线感觉与光线照度成对数关系， 当光线照度减少 10%时， 人的视觉感觉减少还不到 1%， 人眼很难觉察到。 所以路灯工作在额定电压的 93% （即 208V 时） ， 既能保证照度又可使路灯寿命大大延长， 是路灯的最优工作状态。 交通正常期和交通低谷期则分别将路灯工作电压控制在额定电压的 88%和 80%。 分时控制的各时段分配形式见表 1-2。 哈尔滨理工大学学士学位论文 -3- 表 1-2 路灯分时控制时间表 第一、二、三档分别为降压 7%、12%和 20%运行，对应于交通状况从忙到 闲的三个阶段。从路灯开启到投入第一档运行之间的时间为全压启动时间，即路 灯从启动至光通道输出为 80%所需要的启动时间，对高压钠灯来说，一般为 45 分钟。 2电压监控 一般情况下，路灯的分时控制可以取得不错的节电效果，在电网电压随负载 的变化而产生波动的情况下， 可用控制器对电网电压进行实时监控与分时监控配 合，会取得更好的效果。 在交通高峰阶段，路灯应保证足够的照度。正常情况下，路灯应投入第一档 运行，但如果此时电网电压偏低（236V） ，则路灯可以跳过第一档，直接投入第二档运行。 在交通正常阶段，要兼顾照度和节电效果。正常情况下，路灯应该投入第二 档运行。但如果电网电压低于 205V，则路灯可以返回第一档运行；如果电网电 压高于 242V，则路灯直接投入第三档运行。 在交通低谷阶段，重点考虑节电效果。正常情况下，路灯应该投入第三档运 行。只有当电网电压过低时（1; while(!BUSY) P0=IN8data; 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 52 - dlms(1); PC8155=0x02; while(BUSY) PC8155=0x00; void display(uchar xx,uchar yy, uint IN16data) LCDdata(0xf9); LCDdata(xx); LCDdata(yy); LCDdata(IN16data8); LCDdata(IN16data); 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 53 - 附录附录附录附录 E E E E P1.0(T2) 1 P1.1(T2EX) 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 RST 9 P3.0(RXD) 10 P3.1(TXD) 11 P3.2(INT0) 12 P3.3(INT1) 13 P3.4(T0) 14 P3.5(T1) 15 P3.6(WR) 16 P3.7(RD) 17 XTAL2 18 XTAL1 19 GND 20 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23 P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.6 27 P2.7 28 PSEN29 ALE/PROG 30 EA/Vpp 31 P0.7 32 P0.6 33 P0.5 34 P0.4 35 P0.3 36 P0.2 37 P0.1 38 P0.0 39 VCC40 U? AT89C52 VCC2 1 X1 2 X2 3 X4 4 VCC18 SCLK 7 IO 6 RST 5 U? DS1302 AIN0 1 AIN1 2 AIN2 3 AIN3 4 AIN4 5 AIN5 6 AIN6 7 AIN7 8 AIN8 9 GND 10 Vcc 20 EOC 19 I/OCLOCK 18 DATAINPUT 17 DATAOUT 16 CS 15 REF+14 REF-13 AIN1012 AIN911 U? TLC2543 LED+ 2 LED- 1 Vss 3 VDD 4 DB0 5 DB1 6 DB2 7 DB3 8 DB4 9 DB5 10 DB6 11 DB7 12 BUSY 13 REQ 14 RES 15 NC 16 RT1 17 RT2 18 U? OCMJ4X8B AC40V 11 AC40V 10 COM9 FRE-8 FRE+7 H/F- 6 H/F+5 CW-4 CW+3 CP- 2 CP+ 1 C 14 B 13 A 12 U? HB304V Y112MHz 32.768KHz V C1 6pf C2 6pf C5 10uf C3 3