（机械制造及其自动化专业论文）道路照明节能控制器设计研究.pdf

摘要 摘要 随着现代化城市的急速发展和大量新兴城镇的涌现，城市道路照明节能控制 已成为重要课题。本文通过对当前我国能源形势进行回顾，指出我国能源形势的 紧迫性。通过分析国内外道路照明现状和当前道路照明节能控制技术，提出道路 照明节能的重要性和必要性。 本文基于数字化控制技术，旨在设计一种道路照明节能控制器，包括系统总 体方案设计、硬件体系结构设计、系统软件设计和可靠性设计等。系统采用单片 机作为微控制器，结合功率测量芯片和串行通讯技术，实现了数据信号的采集、 处理和与外部其它模块的通信功能。系统设计中控制算法程序实现采用了一种较 为实用的两字节定点p i d 计算方法，并对p i d 控制参数整定进行了计算机仿真 分析，以确保系统设计的稳定性，定时功能、键盘处理、显示功能及串行通信功 能均在中断服务程序中实现，有效利用了微处理器资源，提高系统工作效率。信 号采样则采用数字滤波技术，有效避免电压瞬间波动对采样精度带来的影响。最 后从硬件和软件两个方面阐述系统设计中采用的抗干扰性措施，并对节能控制器 设计中的一些技术难点和关键问题提出了有效的解决方法。 本文的设计思路和控制方法适用于一般的单片机控制系统，其硬件和软件设 计都具有一定的通用性和实用性。 关键词节能；单片机；p i d 控制；数字滤波；电磁兼容性 a b s t r a c t w i t ht h eh i f l l - s p c e dd e v e l o p m e n to ft h er r , o t k nc i t i e sa n dm ec o m i n gf o r w a r do ft h e b u r g e o n i n gt o w n sn n dc i t i e s t h ea a e r g y - s a v i n ga n dc o n t r o lo ft h e 剐n ：c tl a m p 5h a v ea l r e a d y b e c o m e 缸i m p o r t a n tp r o j e c t t h et l a c s sf i r 鲥yg i , c sar e m , s l m to f p r e s e n ta c t u a ls t a t 皓o f e l m s , i no c o l m l l ya n di n d i c a t e s 也a tt h e 吨ys i t u a t i o l ai sv e r yp r e s s i n g , a n dt h e ne m p h a s i z 8t h e i m p o r m a e ea n dn e e i t yo fe n e r g y - s a v i n gt h r o u g ha a l y z i n gt h ea c t u a l i t ya n de n e r g y - s a v i n g t e e l m o l o g yo f t l a er o a dl i g h 血gs y s t e m t h ee n e r g y s a v i n gc o n t r o l l e ro fm a dl i g h 血gs y s t e mi sd e s i g n e dw l a i e l ab a s e do nt h e a u t o m a t i o nt t m o l o g y , i n e l u d 8s y s t e m8 1 a u c t u t ，h l i r d w s l ea n ds o 舾t * d l ed e s i g n t h es i n g l e - c h i p i sa d o p t e d 锄m i e r o e o n t r o l l e ri nt h es y s t m , a n dt h ev o l t a g ea n dc u r r e n ts i 弘a li s a c q u i r e da n d h a n d l e dw l a i c hc o m b i n ew i t ht h ep o w e r - m e a r i n gc h i p ，a n db yt h et e e l a n o l o g yo ff l 口 i l l l e o m m t m i e a t i o nt h es y s t e m e o m m t m i e a l tw i t l at h ee x t e r n a lm o d u l e t h ea l g o r i t k mr o u t i n eo f p i de o n l r o li si m p l e m e n t e da n dt h ep a r a m e t e rs e t t i n gi sa n a l y t x ab yc o m p u t e rs i m u l a t i o nw h i c h 咖t h es t a b i l i t yo ft h ec o n t r o l l e r t h ef t m e t i o mo ft i m i n g ，k e y b o a r dh a n d l i n g ，d i 印埘a n d s e r i a lc o m m u n i c a t i o n 眦i m p l e m e n t e di nt h ei a t c r r u p ts e r v i c er o u t i n ef o rm a k i n g 劬mo f 珥d s 3 0 r ，a n dt h ed i g i t a if i l t e ra v o i dt h ei m p a c to fv o l t a g es h o r t - t e r mf l u c t u a t i o n i nt h ee n d ， e l e c t r o m a g n e t i ce m p a t i b i f i t yi sr e p r e s e n t e di nt h es y s t e md e s i g n , a n dt h ec e r t a i ns o l u d o nf o r s o l n l ：t e e l m i e a ld i f l f i e t t l t i e sa n dk e yq u e s t i o na b o u tt h ee n e r g y s a v i n ge o n l r o l l e ri sa l s op r o p o s e d t h ed e s i g na n dc o n t r o li n c t l l o di nt h ea r t i c l es u i tc o m m o n l yo t h c l d e s i g n so f m i c r o p r o c e s s o r c o n t r o ls y s t e m , a n dt h eh a t d w a l - ea n dg o f t w a l e 缸ci sa l s oc u r r e n ta n dp r a c t i c a b l ei no t h e r l o j e e t 5 k e y w o r d se n e r g y s a v i n g ；s i n g l e - d a i l y ；p c o n t r o l ；d i g i t a lf i l t e r ；, l r 1 e e t r o m a g n e t i e c o m p a t i b i l i t y 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 日期：! 亟尘：笪 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：缉! 乙一导师签名：趣日期：粗 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题来源和研究意义 2 0 0 6 年，我国的单位国内生产总值能耗同比只下降了1 2 3 距。十一五” 规划的总体降耗目标2 0 ，相比分摊各年4 的目标，只完成了目标的3 0 7 5 。 由此可见，在建设节约型社会的大目标下，真正落实政策目标还需要进一步的规 划和实施。因此，除了要针对各高能耗产业进行降耗外，城市建设中的节能降耗 工作也必将成为另外一个重点。 节能技术在世界范围内已经不是新鲜名词了。西方国家经历了1 9 7 3 年和 1 9 8 0 年两次石油危机，随着大力开发节能技术和新能源技术，取得明显成效。 在中国，节能技术还有待于进一步挖掘。 本课题来源于石家庄市成功电气设备有限公司，定位于高效智能节能控制设 备。近年来我国电力负荷出现急剧增加，大中城市普遍出现了比较严重的缺电现 象，而随着城市规模的不断扩大，照明路灯越来越多，其用电比例也在不断增加。 目前我国的节能技术组织、研发、推广工作还比较薄弱，路灯照明节能技术与方 案，在国内还没有大家一致认可的成功案例和经验，明显落后于发达国家平均水 平，更不适应我国节能形势的需要，节能技术的研发迫在眉睫。 传统的道路照明系统大多采用直接供电方式，由于不同时间段电压波动的影 响，使道路照明系统能源利用率不高，为提高道路照明系统能源利用率，消除电 压波动带来的影响，延长灯具的使用寿命，研制和开发高效的道路照明节能控制 系统，具有重要意义。 1 2 课题的研究背景 随着世界经济的飞速发展，人均资源的占有和消耗也大幅上升，照明作为日 常生产生活中所不可缺少的部分，成为了世界各国的一项重要的能源消耗，日益 受到重视。而道路照明作为城市照明的框架，是现代城市建设中重要的组成部分， 它为行人及车辆驾驶人员提供良好的视看环境，达到保障夜间交通安全，提高交 通运输效率，方便人民生活，防止犯罪活动和美化环境的效果。良好的城市道路 照明，既是城市市政系统的重要组成部分，也是交通系统、公共安全系统、城市 景观系统的组成部分。同时，由于道路照明耗费大量的能源，故而也是可持续和 节能研究的重要研究对象 北京工业大学工学硕士学位论文 。 1 2 1 我国能源形势回顾 自2 0 0 2 年下半年以来，我国能源供求关系发生了重大变化，能源供不应求 的局面再度出现。据统计，2 0 0 3 年全国有2 1 个省市拉闸限电，2 0 0 4 年，我国拉 闸限电的省市扩大到2 3 个，能源供不应求的现象十分严重；而受运输能力的限 制，陕西、山西等产煤大省出现供煤不足的情况，也加剧了能源供求矛盾；煤炭 供应不足，使得缺煤少油的东南沿海地区不得不依靠柴油机组发电，又使些地 方的油品供应紧张起来。上述连锁反应已对我国经济的稳定持续增长带来了很大 冲击。 、 当前我国能源供求紧张主要表现在电力上。2 0 0 2 年以来，全社会用电量增 长率均达到了两位数以上；2 0 0 5 年l 8 月份，我国电力需求继续保持高速增长， 全社会用电量达1 8 3 8 7 亿千瓦时，比去年同期增长1 3 7 1 ，全国电力供需矛盾 略有缓解，电力缺口、拉限电条次和损失电量也相应减少。l u g 月份，全国最 大电力缺口较去年减少2 3 0 0 万千瓦左右，电力供需矛盾虽有所缓解，但国家电 网公司系统仍累计拉电1 0 8 5 7 条次，损失电量1 9 0 5 亿千瓦时。 造成我国能源供求紧张的原因是多方面的，一方面在于近两三年拉动我国经 济增长的钢铁、水泥、电解铝等高能耗行业发展过于迅猛，这些行业的电力消费 占全国电力总消费的3 0 左右，而符合新型工业化要求的产业投资增速不快或 不足；居民消费结构升级换代，使得。住”、“行”能源消耗增多；另一方面，与 前几年能源建设速度趋缓也有相当关系。如2 0 0 0 年以来我国电力工业开始提速 发展，2 0 0 3 年全国发电装机容量达到3 8 4 5 0 万千瓦，与2 0 0 0 年相比，增长了2 0 4 ，但同期电力需求却增长4 0 4 t “。 1 2 2 道路照明现状 2 0 0 5 年7 月，国务院发出“关于作好建设节约型社会近期重点工作的通知”， 优先启动了绿色照明等7 项重点节能项目。随着改革开放的逐步深入，党的十六 大提出了全面建设小康社会的任务，而全面建设小康社会的重点之一就是城市 化，建设符合新时代要求的新型城市是我国现代化发展的必然趋势城市建设， 道路先行。建设符合要求的现代化道路，少不了道路照明系统的同步建设与发展。 一方面，这是城市功能性照明的必需，也是城市交通安全的保证；同时这也是树 立良好城市形象、使城市更好服务于社会的要求。因此，城市道路照明事业越来 越引起各级政府的高度重视和社会各方面的关注。 据统计，世界上主要发达国家照明用电占总用电量的1 0 0 - 2 0 ，美国约占 1 7 - 1 9 。随着国民经济的快速发展和城市化进程的加速，我国照明用电近十年 第1 章绪论 来增幅巨大，2 0 0 4 年，全国照明耗电量约2 1 8 7 亿k 、h ，而城市道路照明耗电量 约占全部照明耗电量的2 0 ，即4 3 7 4 亿k 、v h ，因此，照明节电问题被列为除动 力节电以外的另一重大节电项目。 照明工程一般按静态设计，各种余量都会按最差条件配置，由于区域性用电 负荷和不同时段用电负荷的不均衡性，造成了电压随时间和用电负荷变化而波 动，使城市路灯下半夜电压普遍超过2 4 0 v ，这样将增加高达2 2 的耗电量。当 接近午夜时，道路上的交通量已降到低谷，行人也稀少了，而这时电网的用电负 荷也正好处在一天中的负荷低谷。电网电压升高，电网电压的升高必然导致路灯 的光通量增大，使路面照度明显升高。这不仅浪费电能，也是对路灯建设资金投 入的浪费。根据调查，我国小型城市在夜晚1 0 点，大中城市在午夜1 2 点以后， 道路上几乎空无一人，即便是北京、上海、广州这样的繁华都市，在凌晨2 点以 后，道路上也己罕见行人和车辆。从这一时段直至清晨6 点路灯在低密度交通流 量的道路上仍然保持较高照度显然没有必要，而且存在后半夜电网电压的升高对 路灯寿命的减损等弊病【删。 1 2 3 道路照明节能技术分析 目前国内外在节能技术上都投入大量人力物力进行研究，在路灯照明节电方 面，主要研究有以下几种方式睁 】，这些方式在道路照明设施中得到选择应用。 ( 1 ) 半夜灯隔盏亮控制方式在上世纪7 0 年代，由于美日韩等国经济的高速 发展，曾经导致过一次严重的能源危机，在当时，日本曾使用过路灯隔盏亮控制 技术，即上半夜灯全亮，后半夜，隔盏关闭，实现节能。 这种控制方式，采用特殊布线实现，但由于电力供应是三相线，而要实现 1 2 的功率控制，因此无论如何，都将导致电力变压器的三相严重不平衡。 半夜灯控制方式，主要危害有： 变压器寿命缩短，选型困难。工程为了省钱，往往功率选型偏小，变压器寿 命缩短。比如4 路线路，每路5 0 a ，前半夜，三相电路将是5 0 a ，1 0 0 a ，5 0 a ， 后半夜三相电流将是5 0 a ，5 0 a ，0 a ，从上面看出，工程选择变压器时，如果选 3 x l o o a ，成本太高，也觉得浪费，如果选3 x 5 0 a ，又出现过载，一般可能会选 择3 x 7 0 a 的变压器，这样，前半夜，变压器一般处于过载状态，发热严重，寿 命缩短： 功率总不能平衡，威胁电网安全。路灯变压器一般直接挂在高压线路上，如 果大量的路灯供电，都采用这种不平衡的方式，很难控制高压侧的线路平衡，威 胁电网安全； 后半夜导致灯具电压过高，灯具烧毁严重。从上面的数据看出，变压器工作 北京工业大学工学硕士学位论文 总不能平衡，因此后半夜轻载线路上将出现过压，电压高达2 5 0 伏以上，灯具寿 命大大缩短，灯具高温烧毁严重。后半夜隔盏亮时，道路长达4 0 米的阴影，出 现斑马效应，给行车带来安全隐患，也影响社会治安和城市形象。 在我国，隔盏控制方式在大城市很少采用，但在地级城市和县城比较多。自 2 0 0 2 年电荒以来，为了节能，这种控制方式又以节能工程改造理由，重新作为 一种。高科技”节能技术，被部分地区采纳。 ( 2 ) 传统电磁固定降压控制方式传统电磁固定降压产品，具有价格便宜， 寿命长的优点，只要能接受开机就降压。但问题的关键在于，对固定降压传统电 磁产品，降多少伏电压? 由于电网电压是波动的，如果降5 伏，没有太多的节电 意义，如果降3 0 伏，可能在用电高峰期会造成路灯电压过低，影响道路照明安 全，目前市场上这种产品基本已不多见。 电磁固定降压的缺点是： 开灯就降压，导致傍晚太阳刚下山时，交通事故增加； 由于固定降压，不需要高亮度照明的后半夜，由于电网电压升高，灯具反而 更亮，造成灯具的寿命大大缩短； 灯具电压随电网电压波动而波动，没有稳压功能。 ( 3 ) 电磁按时段换档控制方式目前，市场上大部分照明节能产品，都采用 电磁换档技术，这种产品大约在2 0 0 3 年下半年进入市场，如在我国广州内环路 照明改造工程、深圳湾填海区市政道路照明工程等一些市政路灯节电项目中采用 的n e 系列照明调控装置。这种采用电磁换档控制调压技术的主要缺点是： 灯具寿命缩短。中途换档，由于接触器电流的切断，导致闪断故障电力供应， 冲击灯具，容易灭灯，烧灯； 设备容易烧毁由于违背电磁基本原理，切换时，冲击电网，过压击穿变压 器绝缘，接触器触点啦弧，易烧接触器； 浪费能源，耗用珍贵资源。耗用大量稀有且高能耗的电解铜和矽钢，在节能 工作的同时，导致更大的能源浪费和稀有资源的匮乏。 由于以上的问题，许多传统电磁节能产品，说明书和商务运作时，说可按时 段调节电压，而产品实现销售后，却往往打在固定档位。 ( 4 ) 智能数字化调压控制方式当今国际上流行的节能方式是智能调控技 术，采用微电脑控制系统，实时采集输出、输入电压信号与最佳照明电压比较， 通过计算进行自动调节，在确保功能和效果的前提下，合理调整亮灯的亮度、数 量和时间，包括以调光装置、声控、光控、时控等为主的光源控制器件 自2 0 世纪9 0 年代末期，荷兰交通部对d y n o 降压调控道路照明系统进行 测试，并对道路照明安全与节能技术进行相关研究以来的近十年间，智能照明节 能调压控制技术在欧洲不断进行测试和推广使用，如西班牙s a l i c r u 电子公司 第1 覃绪论 开发的易路特( i 甩s t ) 智能照明调控系统。这种节能控制器效果很好，但相 应的成本就高。在我国这种智能化道路照明节能控制技术尚处于起步阶段。 基于上述对道路照明节能控制方法的分析，本文拟研究价格低，污染小，且 可扩展的微功率智能型节能控制器，在节省电能的同时又延长灯具的使用寿命。 1 3 课题研究的内容 本课题研究的主要内容是有关道路照明的节能控制技术，根据不同季节、不 同时段道路照明需要自动合理的调节照明输出电压，达到电力资源的有效配置， 实现节能目的。主要工作是完成硬件电路设计，并在该硬件基础上进行信号采集 程序、信号处理程序、键盘处理及显示程序、控制算法程序和串行通信程序的设 计。其中，课题重点是节能控制器整体设计和各部分功能模块化设计，具体包括： ，系统总体方案设计、m c u 及外围芯片选型； 硬件电路设计与调试； 系统软件和控制算法程序设计； 系统软件与硬件联调： 系统可靠性设计和抗干扰性分析。 1 4 本章小结 本章首先通过对我国能源形势回顾，指出当前我国能源形势的紧迫性。通过 分析国内外道路照明现状，强调了道路照明节能的必要性和重要性；并结合我国 城市道路照明状况和对电网供电电压进行分析，研究一种智能型道路照明控制技 术。本章最后还对该课题的主要内容、重点和完成的主要工作做了简要的介绍。 - 5 - 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章系统节能原理及结构 2 1 系统节能原理 供电系统在不同时间电压是波动的，在用电高峰期，电压一般都低于额定值， 而在用电低谷期，供电电压又高于额定值，当电压高时，不仅使耗电量大幅增加， 还会影响照明设备的使用寿命。根据供电系统电压波动，并结合道路上车辆、行 人在不同时间段的变化规律，采用数字化智能控制技术，实时采集输出、输入电 压信号与最佳照明电压比较，通过计算进行自动调节，在确保功能和效果的前提 下，借助各种不同的“预设值”控制方式和控制元件，合理调整灯的亮度、数量 和时间，实现对道路照明电压进行平滑动态调整，使道路照明输入电功率与实际 需要照明度要求达到最佳匹配，采用这种方式，不仅节约了能源，而且延长了路 灯的使用寿命，达到了双重意义上的节能，这也是课题研究的主要理论依据。 交流调压方式有多种，常见的有自耦变压器调压方式、调相方式、磁饱和稳 压方式等这几种方式均无法满足道路照明节能装置的功能要求，自耦变压器调 压方式在大电流供电时，由于其碳刷的限制，不能满足要求；而调相方式存在着 波形畸变，即对电网有干扰，又对一些新型照明设备有干扰，无法满足要求：磁 饱和方式在大功率时因其体积庞大也无法满足要求。 补偿变压器方式可应用于交流调压中，这种方式的电气原理如图2 1 所示。 现以一相为列，说明其稳压工作原理。若不计补偿变压器阻抗压降，则： u o = 昕+ 【岛( 2 1 ) 式中砺稳压器输出电压； u 稳压器输入电压； 砺补偿变压器的输出电压 图2 - 1 单相补偿调压电路 f i g 2 1v o l t a g ec o m p e n 础o nr e g u l a t i o nc i r c u i to fs i n g l e - p h a s e 第2 章系统节能原理及结构 调压变压器是一个双触头输出，每个触头均可在全程范围内移动。当触头a 在上，b 在下时，补偿变压器的输出电压砺相位与昕相同；当触头a 在下，b 在上时，补偿变压器输出的电压砺相位与矾相反。， 当输入电压研增加酗时，控制电路调节触头a 与b 移动，使触头b 移到 上端，而a 移到下端，补偿电压沈也相应改变叻，且砺= 叻，u o = 阴 叻，使输出电压u d 保持不变：当输入电压酗减小酗时，控制电路则将触头 a 移到上端，b 移到下端，此时一功，u o = 研+ 砺，使输出电压砺保 持不变。 当系统是三相电源时，电路由三相补偿变压器t b 、三相调压器、电压 检测单元、伺服电机控制机构，保护电路等组成。其稳压过程是：根据输出电压 的变化，由电压检测单元采样，检测并输出信号，控制伺服电机转动，带动变压 器上的电刷来调节变压器的一次电压，以改变补偿电压的极性与大小，实 现输出电压自动稳定在稳压整定精度允许的范围内，从而达到自动稳压节能的目 的。 补偿变压器方式其有体积小、控制灵活、调压变压器的功率和输出电流可减 至最小、可连续工作和过载能力强等特点。本系统节能控制系统设计便是采用此 调压方式设计。 2 2 系统构成 系统控制器将电量参数( 如电压、电流) 进行采集、计算并发出控制命令来 自动完成调压。当电网出现异常时控制器可自动实现旁路功能。其系统结构如图 2 - 2 所示。 电压信号 旁路装置 三 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ i 主控制器i r 路灯 电流信号。 调整装置j 图2 - 2 系统结构框图 f i g 2 2s y b t c ms t r u c t u r e 其中节能控制器主要有数据采集模块、中心处理模块、键盘输入及显示模块、 输出控制模块和串行通信模块组成。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 2 1 数据采集模块 数据采集模块采用a t t 7 0 2 8 a 芯片。a t t t 0 2 8 a 是一颗高精度三相电能专用 计量芯片，测量误差小于o 1 ，内部集成了六路二阶s i g m a - d e l t a a d c ，能够测 量各相有功功率、有功能量，同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、 相角、频率等参数，并提供一个s p i 接口，方便与外部m c u 之间进行各项计量 参数的传递 2 2 2 中心处理模块 道路照明节能控制系统的中心处理单元采用s t c 8 9 c 5 1 6 单片机。s t c 8 9 c 5 1 6 是为实现低功耗、低成本和高性能而设计的m c u 芯片，具有6 4 k 非易失性 f l a s h 程序存储器，1 k 的r a m ，3 2 个可编程f o 口，2 个1 6 位定时计数器， 6 个中断源，内含看门狗电路，配置灵活，无须外扩程序存储器和数据存储器， 使硬件电路更简单，软件设计复杂度降低，有效提高系统的抗干扰能力，在检测、 控制型应用场合得到了广泛的应用。 2 2 3 键盘输入及显示模块 在各种控制系统中，常需要完成各种参数的设置和数据显示，作为数据输入 输出的键盘及显示电路正是完成这一功能的重要部件，也是控制系统设计中的重 要部分，其性能的优劣将直接影响系统的稳定性、可靠性及可操作性等。键盘输 入及显示模块采用键盘及显示驱动芯片z l g 7 2 9 0 ，z l g 7 2 9 0 是具有1 2 c 总线接 口，可直接驱动8 位共阴极数码管( 或6 4 只独立的l e d ) ，同时还可以扫描管 理多达“只按键，并提供扫描位数、任一数码管闪烁以及数据译码和循环、移 位、段寻址等控制，无需外接元件即可直接驱动l e d 在系统设计中，为提高 处理器的时间效率，系统中键盘采用中断方式工作。 2 2 4 输出控制模块 输出控制模块由光电隔离单元、继电器模组和手动检测控制单元构成，m c u 产生的控制信号经隔离、放大后连接到继电器控制模块部分对继电器进行控制， 为消除了因继电器触点吸合而产生的瞬间电流对控制电路的干扰，手动检测控制 单元的增加，则方便系统现场安装调试。 第2 章系统节能原理及结构 2 2 5 串行通信模块 串行通讯模块使用s t c 8 9 c 5 1 6 内部可编程串行口，采用中断方式工作，方 便与外部系统通讯，提高了系统的可扩展型和灵活性。 2 3 本章小结 本章介绍了道路照明节能系统的基本原理，并对各组成模块分别作了简要分 析，包括数据采集模块，中心处理模块，键盘处理与显示模块，输出控制模块和 串行通信模块。 北京工业大学工学硕士学位论文 第3 章系统硬件设计 3 1 硬件设计概述 硬件的功能由总体设计规定。硬件设计就是根据总体设计要求，具体确定系 统所要使用的元器件，设计系统电路原理图，并加工、印制出电路板。 对道路照明节能控制系统来说，其主要任务就是：采集电压电流信号，对信 号进行处理和控制输出端信号。由于系统工作环境比较复杂，各种干扰因素将会 严重影响系统工作的可靠性和稳定性，因此，系统可靠性和稳定性设计显得尤为 重要。 系统硬件电路设计由信号采样计量电路，时钟电路，电源电路，m c u 控制 电路，光电隔离电路，继电器驱动电路，键盘输入及显示电路等组成，其结构框 图如图3 1 所示。 图3 - 1 硬件系统结构 f i g 3 1 h a r d w a r es y s t e ms t m c n t m 第3 章系统硬件设计 3 2 主控单元设计 3 2 1 微控制器的选择 对于不同的控制器，其应用对象、环境特点差别很大。可选用控制器主要有 可编程过程控制器( p l c ) 、单片机两类，可编程过程控制器( p l c ) 以其抗干 扰性强而广泛应用在工业环境中，而单片机亦有其独特的优势。 可编程过程控制器( p l c ) 是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环 境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑 运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟 式输入、输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程过程控制器及其有关外部 设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。p l c 的主要功能是逻辑控制、定时控制、计数控制、步进( 顺序) 控制、p i d 控制、 数据控制、通信和联网等。因为p l c 是专为在工业环境应用的，所以其抗干扰 能力强，工作可靠，但其成本较高。 一个智能型电子系统应具备数据采集、处理、判断、分析和控制输出的能力， 在智能化程度较高的电子系统中，还应具备预测、自诊断、自适应、白组织和自 学习控制功能。这些功能的实现是传统控制理论向纵深发展到高级阶段的产物， 也是高智能化电子系统所应具备的几个主要的功能特点。 正是由于智能型电子系统研究的对象往往具有不确定性的模型、高度的非线 性和复杂的任务要求，因而以经典控制理论和简单的逻辑控制电路与模拟电路组 成的常规电子系统已难以甚至根本不可能解决复杂系统的控制问题。而以微机 ( 包括单片机) 为核心的电子系统，可以很容易地将计算机技术与测量控制技术 结合在一起，组成新一代的所谓“智能型电子系统”。 单片机的设计在满足大多数测控参数对数据处理速度和数据容量相对要求 不高的前提下，大力发展了其控制功能和控制运行的可靠性，因而更适合于检测、 控制型应用场合【l 们。道路照明智能控制系统并不需要进行复杂数学模型的计算工 作，数据容量也不多，非常适用使用单片机作为微处理器。 通过分析可编程过程控制器( p l c ) 、单片机的优缺点，最后选择s t c 8 9 c 5 1 作为系统主控制器。s t c 8 9 c 5 1 6 是一款超强抗干扰、低功耗、低成本和高性能 的微处理器，增强性8 0 5 1 内核；具备6 4 k 在系统可编程h a s h 程序存储器，采 用了高密度非易失性存储技术，与工业标准的m c s 5 1 指令系统和引脚兼容；2 5 6 字节r a m 数据存储器和1 0 2 4 字节附加片内r a m ；3 8 v - 5 5 v 宽电压输入范围； 3 2 条可编程i o 线；两个1 6 位定时器计数器；6 个中断源；可编程串行口；内 置看门狗电路；低功耗空闲模式和掉电模式。 北京工业大学工学硕士学位论文 3 2 2 输出控制电路设计 系统主电路工作原理如图3 2 所示，以a 相为例，k 为手动开关，系统输 出控制信号分别接a h 、a l 、o n 、o f f 和s w i t c h ；控制器对线路电压信号进行 采样，与系统设定值相比较，若超出正常范围，则控制器进行相应运算，输出控 制信号调节a h 或a l ，使线路输出电压为系统设定值，其中该设定值可根据时 间段设定，便于不同时间段输出相应的工作电压；o n o f f 用于系统节能状态和 旁路状态切换，当电压过低时，系统自动切换到旁路状态运行，使系统以最大功 率输出，当电压升高使超过设定的欠压值时，系统自动切换到节能状态工作；控 制器根据设定的系统开关灯的时间参数输出控制信号操控s w i t c h 开关，定时开 关灯。 图3 - 2 主电路工作原理图 f i g 3 - 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo f m a i nc i r c u i t 单片机产生的控制信号经隔离、放大后连接到继电器控制模块部分对继电器 进行控制，为消除了因继电器触点吸合而产生的瞬间电流对控制电路的干扰，采 用光电耦合电路进行隔离，由单片机i o 线产生的触发脉冲，必须经隔离后送至继 电器控制电路部分，以保证整个系统稳定可靠的运行。 3 2 3 过压保护 当电网电压出现瞬时尖峰脉冲，或有强雷电干扰时，节能控制器相关电路会 出现过压而损坏。通常保护元件主要有压敏电阻器和瞬态电压抑制器( t v s ) 几 种，他们都是并联在两根交流电压输入线之问，并且置于保险丝之后的输入输出 第3 章系统硬件设计 回路中。在这里，我们先介绍压敏电阻的工作原理。 压敏电阻器简称压敏电阻，是一种在某一特定的电压范围内其电导随电压的 增加而急剧增大的敏感元件。由于它具有稳压和过电压保护等功能，故人们称为 “限幅器”、“斩波器”或“浪涌吸收器”。压敏电阻的种类很多，其中最有代表 性的当推氧化锌压敏电阻，它以氧化锌为主要原材料，加上少量的微量元素烧结 而成。氧化锌压敏电阻的伏安特性如图3 3 所示。 i r v 图3 - 3 压敏电阻伏安特性曲线 f i g 3 - 3t h ev o l t a g e - c u r r e 址a m m c 旧f i s cc u r v eo f v o l t a g ed e p e n d e n tr e s i s t o r 从图中可以看出，压敏电阻具有陡峭的非线性特性，在一定的电压范围内处 于断开状态，相当于一个小电容的作用，其漏电流5 0 u a ，故功耗甚微；它的两 端电压一旦超过导通电压，压敏电阻的电阻值急剧下降，很快导通，其工作电流 增加几个数量级。压敏电阻的特性曲线属对称型，这种特性可用于吸收交流正、 负极性的浪涌电型。压敏电阻的特点之一是平均持续功率小，在各种电子产品 中所用的最大功率为l 瓦，故不能长时间工作于导通状态；其次是瞬时功率大于 数千瓦，对过电压的响应时间非常快，一般不大于5 0 n s ：另外，该元件的适用 电压范围特别广，可从几伏到几十万伏，而且它还具有残压低、体积小、价格低 等特点。 压敏电阻选用是否正确，直接影响保护效果和使用寿命，主要是根据使用电 路情况和工作情况( 间断工作或不间断工作) 来选取适当标称电压的压敏电阻。 一般来说，从保护的实际效果出发，我们总希望把压敏电阻的标称电压选得低些 为好，但这与元件的工作可靠性是有矛盾的。如果压敏电阻的标称电压选得过低， 由于压敏电阻器的电压温度系数为负值，在工作电压下，压敏电阻要消耗一定的 功率，使元件本身发热而温度上升，导致压敏电压下降，从而产生恶性循环，最 终压敏电阻被烧毁，因此，标称电压不宜过低，其具体应用请参考附录原理图设 计。 - 1 3 北京工业大学工学硕t 学位论文 3 3 数据采集模块设计 3 3 1a t t 7 0 2 8 a 概述 a t t 7 0 2 8 a 是炬力公司开发的一颗高精度三相电能专用计量芯片，测量误差 小于0 1 ，适用于三相三线和三相四线模式，片内包含一个电源监控电路，连 续对模拟电源进行监控，当电源电压过低时，芯片将被复位，这有利于电路上电 和掉电时芯片的正确启动和正常工作。电源监控电路被安排在延时和滤波环节中 这在最大程度上防止了由电源噪声引发的错误。 a t t 7 0 2 8 a 内部包括时钟控制电路、模拟信号采样、参考电压、d s p 、电能 频率转换器、较表脉冲生成器、$ p i 通信接口和电源管理八大部分，其内部原理 图如图3 _ 4 所示。 v 1 p v 1 n v 3 p v 3 n v 5 p v 5 n v 2 p v 2 n v 4 p v 4 n v 6 p v 6 n 图3 - 4a t t 7 0 2 8 a 内部框图 f i g 3 - - 4 s t r u c a a ed i a g r a mo f a t t 7 0 2 8 a a t r 7 0 2 8 a 内部集成了六路二阶s i g m a - d e l t aa d c 、参考电压电路以及所有 功率、能量、有效值、功率因数以及频率测量的数字信号处理等电路。提供一个 第3 章系统硬件设计 s p i 接口，方便与外部m c u 进行通讯，所有计量参数都可以通过该s p i 接口读 出，并提供两种复位方式：硬件复位和软件复位。此外，芯片还具备如下特性捌： 提供有功参数； 提供功率因数、相角、线频率参数； 提供电压和电流有效值参数，有效值精度优于o 5 ； 提供电压和电流相序检测功能； 提供失压指示功能； 提供反向功率指示； 三相电流矢量和之有效值输出； 三相电压矢量和之有效值输出； 提供有功校表脉冲输出； 提供驱动计度器的有功脉冲输出； 合相能量绝对值相加与代数相加可选； 可准确测量到含2 1 次谐波的有功功率； 支持增益和相位补偿，小电流非线性补偿。 由以上可以看出a t r 7 0 2 8 a 是一款高性能、接口简单、配置灵活的计量芯片。 本系统中采用一片a t i 7 0 2 8 a 完成对电压、电流、功率和频率等参数信号的采样 和计量。 3 3 2 模拟输入电路 a t r 7 0 2 8 a 内部集成了6 路1 6 位a d c ，可准确测量到含2 1 次谐波的有功 功率，每路a d c 的交流输入，采用双端差分方式，由引脚v x p 、v x n 输入，同 时要求v x p 、v x n 叠加2 4 v 左右的直流偏置电压，该偏置电压可由芯片参考电 压输出r e f o u t 获得。 采样电压输入采用电压互感器方式，将芯片与电网进行了隔离，从而获得良 好的抗干扰性能，其电压输入通道电路图如图3 5 所示。 图3 - 5 电压输入通道电路图 f i g 3 - 5 v o l t a g ei n p u tc b e u i t - ls 北京工业大学工学硕士学位论文 采样电流输入采用电流互感器方式，其电路图如图3 6 所示。 唧u t 。 图3 - 6 电流输入通道电路图 f i g 3 - 6 c u r r e n ti n p u tc i r c u i t 在采样信号输入设计中，可调电阻用于较表。v x p 和阮输入电路中1 2 k 电阻和0 0 1 u f 电容构成抗混叠滤波器，其结构和参数要讲究对称，并采用温度 性能较好的元件，从而保证较好的温度特性。 3 3 3 与m c u 接口电路 a t r 7 0 2 8 a 内部集成了一个s p i 串行通讯接口。a t t 7 0 2 8 a 的s p i 接口采用 从属方式工作，使用2 条控制线和2 条数据线c s 、s c l k 、d i n 和d o u t 。 c s = 片选( 输入脚) ，允许访问串口的控制线。c s 由高电平变为低电平时 表示s p i 操作开始，c s 由低电平变为高电平时表示s p i 操作结束。 d i n ：串行数据输入( 输入脚) ，用于把用户的数据( 如数据命令地址等) 传输到a 1 1 7 0 2 8 a 。 d o u t 串行数据输出( 输出脚) ，用于从a t t 7 0 2 8 a 寄存器读出数据。 s c l k ：串行时钟( 输入脚) ，控制数据移出或移入串行口的传输率。s c l k 下降沿时将d i n 上的数据采样到a t r 7 0 2 8 a 中，s c l k 上升沿时将a t r 7 0 2 8 a 的数据放置于d o u t 上输出。 a t t 7 0 2 8 a 与外部m c u 通过s p i 通讯接口接线图如图3 7 所示 第3 蕈系统硬件设计 3 5 ，1 0 ， c s 萝o p f 一 s c l k 占l o p f 一 盯t 7 0 2 s 守 m c u d n3 7 翌 萝o p f 一 d o u t!口 1 0 1 0 p 咭 图3 7a t i 7 0 2 8 a 与m c u 接口图 f i g 3 7 i n t e r f a c ec i r c u i to f a t r 7 0 2 8 aw i t hm c u 考虑s p i 传输信号线有可能受到干扰或者出现抖动，可以在s p i 信号线上串 联一个1 0 n 小电阻，这个电阻与l o p f 电容结合起来可构成一个低通滤波器，可 以消除s p i 接口信号上的振荡，提高s p i 通讯的可靠性。 3 4 时钟电路设计 3 4 11 2 c 总线接口 在现代电子系统中，有为数众多的i c 芯片需要进行相互之间以及与外界进 行通信。为了提供硬件的效率和简化电路的设计，p h i l i p s 公司开发了一种用于 内部i c 控制的简单双向1 2 c 串行总线接口。1 2 c 总线支持任何一种i c 制造工 艺，并且p h i l i p s 和其他厂商提供了种类非常丰富的1 2 c 兼容芯片。作为一个 专利控制总线，1 2 c 己经成为世界性的工业标准。如本系统中使用的d s l 3 0 7 时 钟芯片和z l g 7 2 9 0 键盘及显示驱动芯片就是采用1 2 c 总线与m c u 进行通信。 1 2 c 总线采用两条线s d a 和s c i 在芯片和模块之间传递信息，s d a 为串行数 据线，而s c l 为串行时钟线。s d a 和s c l 都是双向线路，都通过一个电流源或上 拉电阻连接到正的电源电压。当总线空闲时，这两条线路都是高电平。1 2 c 总线 上数据的传输速率在标准模式下可达1 0 0 k b i f f s ，在快速模式下可达4 0 0 k b i t s ，在 高速模式下可达3 4 m b i f f s ，连接到总线的接口数量只由总线电容是4 0 0 p f 的限制 决定。 在1 2 c 总线结构中，每个连接到总线的器件都可以通过唯一的地址和一直存 在的简单的主机，从机关系软件设定地址，主机可以作为主机发送器或主机接收 器，每个器件可以是单接收的器件( 例如：l e d 驱动器) 或者是可以接收也可以 北京工业大学工学硕士学位论文 发送的器件( 例如：存储器) 。发送器或接收器可以在主模式或从模式下进行操 作，这取决于芯片是否必须启动数据传输还是仅仅被寻址。1 2 c 是一个多主总线， 即它可以由多个连接的器件控制。 在1 2 c 总线中唯一出现的是被定义为起始和停止条件，其中在s c l 线是高电 平时，s d a - 线从高电平向低电平切换这个情况表示起始条件；当s c l 是高电平时， s d a 线由低电平向高电平切换表示停止条件。 起始和停止条件一般由主机产生，总线在起始条件后被认为处于忙的状态； 在停止条件的某段时问后，总线被认为再