（通信与信息系统专业论文）基于gprs的路灯节能控制系统.pdf

摘要 城市现代化建设步伐越来越快，对城市道路照明及城市亮化工程的要求也更 高，2 0 0 5 年全国照明用电达3 0 0 0 亿度，约占全国总用电量的1 2 左右，节电、 节能、绿色照明的要求越来越迫切，国家“十一五规划纲要”明确要求要把节约 资源作为国家的基本的国策，节能已成为社会发展的主流。本课题受某企业委托， 根据企业要求及通过分析现阶段路灯照明的现状，为了消除现阶段路灯照明中的 不合理现象，达到节能的目的，提出了一种基于g p r s 的路灯智能节能控制系统， 该系统创新地用p w m 斩波技术对路灯的工作电压进行调节，实现人多时路灯工 作电压较高，路灯较亮，人少时路灯工作电压较低，路灯较暗，并用g p r s 无线 传输技术来实现对系统的远距离监控，从而达到节能的目的。 系统在设计中采用a t m e g a l1 6 处理器为核心，搭建了硬件平台，设计了 p w m 斩波调压电路，并组建了g p r s 无线传输网络和设计了远程监控服务软件， 实现了对路灯电压的合理调节，从而实现对系统的远程控制。电压自动调节电路 主要以p w m 斩波技术为核心，通过电路仿真证明了该设计思想的可行性，同时 设计了该种降压方法的实际电路，调试获得成功，达到了降压的目的，由于在该 种降压电路中开关管的工 乍频率较高，会产生高次谐波，为了抑制高次谐波，通 过具体计算设计了滤波电路，并调试成功。在系统设计时并结合路灯工作电压的 实际情况，增加了较低电压时输入与输出直通的功能，同时设计了具有自主知识 产权的过零投切控制器，实现了过零检测过零投切的功能，大大延长了开关的使 用寿命。 系统经过反复调试和改进达到了预期的功能，本系统安全可靠，可广泛用于 道路交通、居民小区和校园等场合的路灯节能控制中。 关键字：节能、p w m 斩波调压、g p r s 网络 a b s t r a c t w i t ht h ei 慨弱i n 酉yr a p i dp a c eo fc i t ym o d e r n i z a t i o n , t h er e q u i r e m e n to fu r b a n r o a dl j g l l t i n ga n dc i t yl i g h t i n gp r o j e c ti s b e c o m i n gh i g h e ra n dh i g h e r i n2 0 0 5 ，t h e c o u n t r ye l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o nr e a c h e dt o3 0 0b i l l i o nk i l o w a t tp e rh o u rw h i c hi s a b o u t1 2 o ft h ec o u n t r y st o t a l e l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o n t h er e q u i r e m e n to f e l e c t r i c i t y 。s a v i n g , e n e r g ys a v i n ga n dg r e e nu g h i m gi si nj n 笛i n g l yu r g e n t 。s t a t e “l l t hf i v e - y e a lp l a no u t l i n e ”d e a r l yr e q u e s t st os e tc o n s e r v i n gr e s o n r c 嚣sa st h e c o u n t r y sb a s i cn a t i o n a lp o l i c y e n e r g y s a v i n gh a sb e c o m et h em a i n s t r e a mo fs o c i a l d e v e l o p m e n t t h es u b j e c tc o m m i s s i o n e db ya ne n t e r p r i s e a c c o r d i n gt ob u s i n e s s r e q u i r e m e n t sa n db ya n a l y z i n gt h ec u r r e n ts i t u a t i o no fs t r e e t l i g h t sl i g h t i n ga tt h i ss t a g e , i no r d e rt oe l i m i n a t et h eu n r e a s o n a b l ep h e n o m e n o nt oa c h i e v et h ep u r p o s eo fe n e r g y s a v i n g , p r o p o s e sa ni n t e l l i g e n t e n e r g ys a v i n gl i g h t i n gc o n t r o is y s t e mb a s e do ng p r s t h es y s t e mi n n o v a t i v e l y u s e sp w m c h o p p e rt e c h n o l o g yt oa d j l i s tw o r k i n gv o l t a g e ，r e a l i z i n gt h eg o a lo fw h e n t h e r ea l em o r ep e o p l e , t h ev o l t a g eb e c o m 龉h i g h = a n dt h es t r e e t l i g h tb r i g h t e r , a n d w h e nt h e r ea r ef e w p e o p l e ，t h ev o l t a g eb e c o m e sl o w c ra n dt h es t r e e t l i g h td a r k e r a t t h es a m et i m er e a l i z i n gt h el o n g - d i s t a n tm o n i t o r i n go ft h es y s t e mb yu s i n gg p r s w i r e l e s st r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yt or e a c ht h eg o a lo fe n e r g y s a v i n g i ns y s t e md e s i g n , u s e da t m e g a l1 6p r o c e s s o ra st h ec o r eo ft h ew h o l es y s t e m ， b u i l th a r d w a r ep l a t f o r m , d e s i g n e dp w m c h o p p e rc i r c u i t , f o r m c dag p r sw k e l e s s n e t w o r ka n dd e s i g n e dt h er e m o t e m o n i t o r i n gs e r v i c es o f t w a r e ，i m p l e m e n t st h e r e a s o n a b l ea d j u s t m e n to fl i g h t sv o l t a g ea n dt h e nr e a l i z e st h er e m o t ec o n t r o lo ft h e s y s t e m t h em a i nc o r eo ft h ea u t o m a t i cv o l t a g er e g u l a t i o nc i r c u i ti sp w mc h o p p e r t e c h n o l o g y t h r o u g hc i r c u i ts i m u l a t i o n ，p r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g nc o n c e p t a tt h es a m et i m e d e s i g n e dt h ea c t u a ic i r c u i to ft h ev o l t a g e r e d u c i n gm e t h o d , a n dt h e d e b u g g i n gw a ss u c c e s s f u l l yi m p l e m e n t e d , a tl a s t r e a c ht h ep u r p o s eo fv o l t a g e r e d u c i n 昌s i n c et h ef r e q u e n c yo ft h es w i t c hi nt h ev o l t a g er e d u c i n gc i r c u i ti sab i t h i g h e f ，j tw i l lg e n e r a t eh i g h - o r d e rh a r m o m c i no r d e rt os u p p r e s st h e m , d e s i g n e df i l t e r c i r c u i tt h r o u g hs p e c i f i cc a l c u l a t i o na n ds u c c e s s f u l l yd e b u g g e d i ns ) r s t e m d e s i g n , c o n s i d e r i n gt h ea c t u a ls i t u a t i o no fl a m p sv o l t a g e ，a d d e dt h ef u n c t i o no fd i r e c ti n p u t a n do u t p u tw h e nt h ev o l t a g ei sl o w , a n dd e s i g n e dt h ez e r os w i t c h i n gc o n t r o l l e rw h i c h h a si n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t , a c h i e v et h ez e r o - c r o s s i n gd e t e c t i o na n d z e r os w i t c h i n gf u n c t i o n , g r e a t l ye x t e n dt h el i f eo ft h es w i t c h a f t e rr e p e a t e dd e b u g g i n ga n di m p r o v i n g , t h es y s t e mc o m e st ot h ee x p e c t e d f i i n c t i o 几t h es y s t e mi ss a f ea n dr e f i a b l e c a l lb eu s e di nl u m p se n e r g y s a v i n gc o n t r o l o f r o a dt r a n s p o r t , r e s i d e n t i a la r e a ，c a m p u sa n ds oo n k e yw o r d s ：e n e r g y - s a v i n g , p w mc h o pc o n t r o l ，g p r sn e t w o r k 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位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。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任 论文作者( 签名) 盈盔年月 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：年月 河海大学工学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及研究的意义 城市建设，道路先行。而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，它作为城市建设的重要组成部分，直接关系到了城 市的良好形象，反映了该城市的城市建设水平；另一方面也是城市功能性照明的 必需，保证了城市交通安全，使城市更好的服务于社会的要求。因此，城市道路 照明事业越来越引起世界各国政府的高度重视和社会各方面的关注。在我国，随 着改革开放的不断深入，党的十七大再次强调了全面建设小康社会的任务，而城 市化作为全面建设小康社会的重点之一，更是倍受关注。城市现代化建设步伐越 来越快，对城市道路照明及城市亮化工程的要求也更高。 据统计，世界上主要发达国家照明用电占总用电量的1 0 2 0 ，美国约占 1 7 1 9 。上世纪9 0 年代初国际上对采用节约用电、保护环境照明系统的给予 了一个形象性说法一。绿色照明”美国、英国、法国、日本等主要发达国家和 部分发展中国家先后制定了“绿色照明工程”计划，取得了明显的节电效果。2 0 0 4 年6 月亚太第1 1 届能源会议在汉城举行，探讨了亚太地区能源合作，就亚太地 区能源发展、体制改革、法制建设、环境保护、国际合作等问题进行了广泛的交 流和研讨，世界各国更加重视保障能源安全，推出一系列措施来节约能源，节省 资金【1 j 1 2 j 。 随着中国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来 增幅巨大，能源的供需矛盾也变得日益突出。1 9 9 2 年我国照明用电量近7 0 0 亿 度，约占当时全国总用电量的9 5 ，2 0 0 5 年全国照明用电达3 0 0 0 亿度，约占全 国总用电量的1 2 左右，节电节能、绿色照明的要求越来越迫切，越来越高。我 国于1 9 9 6 年国家经贸委推行“绿色照明”工程，要求照明节电目标为2 0 ，即 控制照明用电按目前我国照明用电容量，每年可实现节约用电约4 0 0 亿度i ”。 从当前我国电网的供电性能来看，在路灯照明工程中普遍存在着一种不合理 现象。具体表现为：在傍晚时分，不仅是道路上交通量的高峰期，同时也是电网 负荷的高峰期，此时却由于电网电压偏低，导致光源的光通量偏小，使得路面的 照明度相对较低。当接近午夜时，道路上的交通量已降至低谷，而此时电网的用 电负荷也正好处于一天中的负荷低谷之时，电网电压却不断升高，有时甚至超出 额定电压3 0 - 4 0 伏，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 显提高。从而形成了一种城市道路照明特有的景观：人稠、车多、灯灰暗；人稀、 河海大学共学硕士论文基于g p r s 的路灯节能控制系统 车少、灯明亮。这不仅是对电能的一种浪费，同时也是对路灯建设投入资金的浪 费1 4 1 。 据城市道路照明技术情报总站对2 0 0 1 年全国6 6 4 个城市中的5 0 0 个城市统 计，城市道路照明计有路灯3 9 5 6 5 万盏，比1 9 7 9 年全国路灯总数5 7 0 2 万盏增 长了6 9 4 倍，且有大幅增加的趋势，沿海省份增幅约为1 2 - 1 5 。以深圳市为 例，截至2 0 0 2 年底，深圳市灯光环境管理中心已接管市内近4 0 0 多条道路3 7 万盏路灯。以市场用量最大的2 5 0 w 高压钠灯作计算基础，每只钠灯的年耗电费 为8 4 5 元，节能率以2 5 计算，每只灯泡每年节省电费2 1 1 2 元，3 7 万只灯采 用节能措施，年节电费为7 8 2 万元。可见，节能可以大大减少开支，减缓我国电 力不足的矛盾；还可以减轻发电厂对环境的污染忙j 。 另外，我国现有的路灯7 0 以上使用的都是高压钠灯，高压钠灯主要是由钠 蒸气放电来实现照明的，而钠蒸气的放电性质主要取决于放电管中的蒸气压，等 的发光效率随着气压的变化而变化，钠蒸气压的增大，自吸收加强，共振辐射强 度下降，发光效率降低，但是随着钠蒸气压的进一步增大，钠共振线被大大的增 宽，并在共振波长的两翼形成连续的宽辐射带，钠放电的光效再次提高，当钠蒸 气压达到大约1 0 4 p a 时，光效出现又一个峰值，高压钠灯就是在这种状态下工作 的【6 】。一般高压钠灯设计寿命为2 4 0 0 0 h ( 5 年) ，但是由于我国城市电网技术落 后，造成线路的电压波动大大超过国际标准，许多地区的波动甚至超过额定电压 的巧左右，特别是在后半夜，由于负荷减少使得电网电压有时接近2 5 0 v ，这 样不仅使灯具的输出功率大大增加，若不随时调整照明的照度将浪费相当多的能 源，而且使灯泡的实际使用寿命平均不到一年。可以算这样一笔帐：以深圳为例， 如路灯每年需要更换一次灯泡，更换一只灯泡所需费用( 含镇流器损耗、人工、 车辆等1 为1 2 0 元，则每年仅更换路灯灯泡的费用就高达4 0 0 多万元人民币，如 果采取有关新技术，使路灯灯泡的使用寿命延长一倍，仅此一项，一年就可节约 开支2 0 0 多万元，加上节电2 5 ，一年可节约7 8 0 多万元电费，两项相加就有 1 0 0 0 万元之巨。因此，节能工作大有作为川。 城市的大型化和现代化，迫切需要利用先进的调控管理手段来对路灯照明系 统进行调控。移动通讯g p r s 技术的发展为之提供了可能。由于电力通讯需要借 助于高效，可靠的通信通道，将控制中心的控制命令准确地传送到为数众多的远 方终端，并且将反映远方设备运行情况的数据信息收集到控制中心，从而实现对 配电设备运行参数的实时监视与控制。目前最先进的通用分组无线业务( g p r s ) 无线通讯技术，集计算机、通信、机电、自动控制等多种先进技术于一体，可以 实现对城市路灯照明设施大范围、多区域、全大候的实时监控和管理。通常无线 网络的建网费用在无线监控系统的建设费用中占很大的比重。采用中国移动 g p r s 网络这一公共无线网络作为其数据传输网络，极大地节省了系统的建设费 2 河海大学工学硕士论文第一章绪论 用和运维费用。g p r s 业务采用按流量计费的方法，大大的降低了数据的传输费 用，系统的运营费用十分经济。通过移动通信无线网络g p r s 技术对城市路灯设 施进行统一管理，既实现了实时和集中监控，又提高了整个路灯照明系统的运行 效率，降低了维护成本【8 j 。 基于这些背景，提出了基于g p r s 的路灯节能控制系统的设计，它创新的提 出了一种调压方法，用p w m 斩波技术实现对路灯两端的供电电压进行合理调整 来使得道路照明更理想化，并增加灯具的使用寿命，用g p r s 这个无线通信技术 来实现对整个系统的实时监控，从而使系统运行的更加便捷，最终实现节约能源。 该系统安全可靠，可以广泛的运用于路灯照明系统。 1 2 国内外研究的现状 国内关于路灯节能的研究起步较晚，但发展速度较快，目前国内各种节能方 法都有具体的应用。早期在国内用的比较多的是节能办法是采用半夜灯控制节能 1 9 1 。半夜灯控制是指在下半夜，道路交通下降、行人稀少情况下熄灭部分( 通常不 超过5 0 潞灯的运行方式，虽然节电效果显著，综合节电率可达到3 0 以上， 但却会造成道路亮度、尤其均匀度不同程度下降，对交通、社会治安、人民生活 带来一定影响。此种方法目前仍在中小城市和一些落后地区应用，但随着其他节 能技术的日趋成熟，已经逐渐被取代 目前国内应用的比较多节能设备当属电压调节设备。从理论上讲高压钠灯消 耗的电能和电压可以用方程式p = u 2 r 来表示，当电压下降时高压钠灯消耗的 电能也随着下降。目前用的较多的调压设备从原理上可以分为两类i t o l ：( 1 ) 可 控硅斩波型调压装置；( 2 ) 自耦降压式调控装置。 国内第一代节电产品普遍采用大功率可控硅降压方式，用可控硅斩波节电是 通过控制晶闸管( 可控硅) 的导通角，将电网输入的正弦波电压斩掉一部分，从而 降低了输出电压的平均值，达到控制电压从而节电的目的。由于这种调压节电方 式是通过可控硅斩波后实现降压，斩波后的电压无法实现正弦波输出，形成对电 网的谐波污染，同时会造成路灯闪烁，现己逐步淘汰。 第二代节电产品是采用变压器自耦降压方式，通过改变自耦变压器输出端的 输出接点，实现不同电压值的输出，从而达到节电的目的。变压器自耦调压方式 节电，所用的变压器自耦电器，经过了几代产品的多次改进，基本能稳定运行， 并在很多地区的路灯节电中广泛的应用。但在实际使用过程中也出现了一些问 题，会导致线路末端电压过低，使末端路灯照度低，同时会存在频闪和自熄等现 象，造成整条线路照度不均。这两类产品由于存在着明显的不足，虽然目前仍有 比较很大的市场需求，但其终会被新的更高效的节能设备所代替。 河海大学共学硕士论文基于g p r s 的路灯节能控制系统 为了更好的对路灯进行管理，节约能源，路灯监控系统应时而出我国的路 灯监控系统的发展还处于发展阶段，大部分城市路灯的开、关控制仍由变压器分 散控制，统一性差，故障率高，且由于没有远程数据采集和通讯功能，无法实现 集中监控，且大部分城市仍是延用传统的以钟控、人工控制为主的管理系统，存 在以下问题：系统复杂，难以统一管理；灯光系统覆盖面广，维护困难，维护力 量严重不足，疲于应付；开关控制效率低，用电浪费现象严重；存在安全隐患， 无法快速掌握运行状态，安全无保障，统计困型“j 。 为了克服以上人工巡视、实时性差、处理故障效率低下、耗费大量的人力物 力等缺点，将远程监控技术应用于城市道路照明领域的研究开始于九十年代。经 过十几年的发展，目前国内已有多种路灯监控系统投入了实际应用，但总体说来， 我国目前的路灯监控系统还处于发展阶段计算机技术、网络技术，尤其是近几 年移动通信技术的迅猛发展，路灯用户不断提出新的要求，使得具有更高监控质 量的路灯监控系统已经成为路灯监控技术研究的热点【”l ，一些融入最新技术的新 型路灯监控系统也逐渐出现。 湖南长沙于2 0 0 3 年在全国首次成功采用g p r s 系统对全市路灯进行管理i u l ， 广西柳州市路灯管理处和上海交通大学合作在路灯系统中也采用了当今最先进 的无线通讯方式( g p r s ) 和通讯协议、地理信息系统( g i s ) 开发了一套具有 w e b 功能的路灯监控系统，在国内处于领先水平，部分技术实现具有国际先进水 平f 1 4 1 。河北石家庄市也利用g p r s 网络将路灯监控中心与路灯实时联系起来，进 行路灯故障监测与控制哈尔滨移动在2 0 0 4 年利用g p r s 网络无线传输技术成 功解决了哈尔滨市路灯管理处监控路灯效果不理想的难题。一些路灯系统设计公 司也纷纷在自己设计的路灯监控系统中引入最新技术【删，深圳亚奇宝通电子技术 有限公司在自己设计的路灯监控系统中采用了g s m g p r s 技术，通过 g p r s i n t e m e t 管理多个线路终端。石家庄信通电子工程有限公司以中国移动的 g p r s 网络为传输通道，设计出了自己的最新产品g p r s 无线路灯监控系统，实 现了监控实时性好、数据量大，通信稳定可靠、抗干扰能力强、几乎无障碍物阻 隔的功能。 国外在路灯节能上起步较早，美国早在上世纪中页就开始对路灯节能进行研 究。经过长时间的探索，现在国外已经普遍进入了智能化阶段来控制照明，如新 加坡、法国、美国、西德和瑞士等，都是通过电脑来制定一个自动化运行程序， 使道路照明的启闭与日出、日落密切配合，节省能源1 1 6 1 。西班牙s a l i c r u 电子 公司的易路特( i l u e s t ) 智能照明调控系统更是集聚了多种先进技术。目前国 外在路灯节能上研究的热点就是新能源新技术的利用，风能、太阳能路灯均已出 现，新技术的利用更是使得路灯节能前途一片大好，英国哥拉斯哥大学的科学家 用纳米技术，使得发光二极管更加明亮，并且比现在的节能路灯更省电。 4 河海大学工学硕士论文 第一章绪论 1 3 论文研究的主要内容 论文主要研究的是路灯节能系统的开发与设计。在学习和借鉴了国内外路灯 节能控制方面的成熟经验的基础上，主要完成以下工作： ( 1 ) 研究和分析g p r s 和调压的相关技术 ( 2 ) 深入学习f w m 及其相关技术，搭建脉宽斩波电路，并仿真来证明其 调压效果。 ( 3 ) 主要利用a r m 处理器、g p r s 模块及其他相关元器件或模块构建了节 能系统的硬件平台，并进行了基本的可靠性研究。 ( 4 ) 运用无线传输模块，构建g p r s 网络 ( 5 ) 开发上位机数据管理系统 5 河海大学共学硕士论文 基于g p r s 的路灯节能控制系统 第二章路灯节能控制系统的硬件设计 2 1 路灯节能控制系统的总体结构 从项目设计的目的出发，本系统主要由三个功能模块组成：下位机电压控制 及数据采集部分，g p r s 数据传输及组网功能模块，上位机监控处理中心功能模 块，其结构框图如图2 - 1 所示。下位机电压控制及数据采集部分负责对路灯终端 电压及电流的实时采集和对电压的控制；g p r s 数据传输及组网功能模块负责将 采集到的电压值通过g p r s 网络上传到i n t e m e t ，最终传输到中心服务器；上位 机监控处理中心功能模块对接收到的数据存入数据库，进行分析，根据分析结果 对被控对象的工作状况进行控制。系统设计的重点在于p w m 斩波调压的实现以 及g p r s 无线传输网络的搭建，最终实现具有良好的人机交互界面与完善的数据 分析管理能力的系统设计。 ( j p 瞄懊蚨 图2 - 1 系统组成结构框图 2 2 单片机控制系统硬件设计 下位机电压控制及数据采集部分，属于系统的终端部分，其主要功能如图 3 2 1 所示。根据对这部分电路的硬件设计的要求：首先，是建立一个交流调压 系统，系统的被控对象为电网电压，控制器通过交流斩波技术对电网电压波形进 行斩波，达到调压的效果，并且通过电压采集电路对输出电压进行采集，控制器 得到电压的采样值并对其进行分析，根据分析结果对被控对象进行下一步的调 节，直到输出电压达到理想的状态；其次，通信接口的设计，系统g p r s 无线传 输模块与下位机的接口电路的设计，以及r s 2 3 2 串口通信功能传输数据的接口 电路的设计，形成完整的通信功能；再次，对系统的通用性，交互性及人性化设 计，通过键盘接口对系统参数进行设定，并且通过液晶显示模块显示操作要求和 数据。 6 河海大学工学硕士论文 第二章路灯节能控制系统的硬件设计 2 2 1 系统控制器的选择 智能监控系统下位机模块的核心部件是微处理器( 如图2 - 2 所示) ，它直接影 响着系统在线终端的功能、设计和成本。选择处理器应该根据系统要求进行分析， 在基本满足系统总体性能要求的前提下，可根据使用的目的、集成度、功耗、处 理速度及字长等选择合适的微处理器。 电 哥哥 奄 嘲 电 旭 龌 拧 壤 系统f 供鬯t l 豫楼块 呻 ：f i 蠡 嚣 堍 输凡噍定饭块卜_ - 图2 2 系统总体结构图 本设计采用单片机作为系统的控制器。主要原因是本系统对实时响应能力的 要求并不是非常的高，单片机所具有的运算能力，能够满足用软件编程实现各种 算法和逻辑控制的要求，另外它的功耗低，体积小，成本非常低廉，在市场上有 各种不同系列的单片机，技术已经十分成熟，在各方面的运用都十分广泛，特别 是在控制系统的核心处理过程中，有它的特别的优势。使选择的余地非常的大且 大多数单片机都能满足本系统的要求。 方案一：采用a v r 系列的8 位的单片机。a v r 系列单片机是比较新的8 位 系列单片机，它在5 1 的基础上采用了更加先进的处理技术，使单片机资源更加 丰富，速度更加快，而且具有较大的r a m ，f l a s hr o m ，内部自带e e p r o m ， 并且内部集成a d c 及看门狗电路，可以节省外围电路，同时降低整体电路功耗 和电路成本，性价比也比较高，并且该系列的单片机支持在系统编程功能，使程 序的调试和升级更加方便。 7 河海大学共学硕士论文 基于g p r s 的路灯节能控制系统 图2 3 单片机最小系统的电路图 方案- - ：采用传统的5 1 单片机。8 位的5 1 系列单片机是所有单片机系列 中使用最广泛，技术最成熟的一类单片机，在工业上运用也最多。但是5 l 系列 单片机内部资源不是非常丰富，特别是它的r a m 和r o m 比较小，相对于现在 市场上的许多单片机，它的处理速度相对较慢，集成度较低，必须外围扩展a d c 、 看门狗电路和e e p r o m 存储芯片。 出于对电路设计成本的考虑，本设计使用a v r 系列单片机中的a t m e g a l 6 单片机作为系统的主控芯片，同时运用j t a g 仿真器在系统编程，方便了对程序 的编制、测试和修改。其最小系统如图2 - 3 所示。 2 2 2 信号采样电路设计 对电网电压、电流信号的采集的实时性及其采样的精度在很大的程度上决定 了系统的性能。根据对a t m e g a l 6 单片机的集成a d c 性能的分析，综合考虑了 其转换时间、分辨率、线性误差、量程和对基准电压的要求等主要技术指标，判 断其能够满足系统设计的要求，并且通过外接精密基准电源的方式来保证系统的 精度。对于对电网信号采集的前端信号变换模块，主要考虑一下几个因素：首先 是采样信号的质量，既能够真实的反映电网电压、电流的情况，又不要为系统带 来干扰，这要求电路有良好的隔离措施：其次采样信号的电压范围要和a d c 的 基准电压的量程相符合，超过或者过低于基准电压工作范围的设计都是不合理 的；第三，要注意阻抗匹配问题，若阻抗不匹配，可能得到的采样值不能准确反 映电网信号的参数，并且可能烧毁a d c 的输入端口。 根据上述分析，对于电网电压和电流信号，分别用电压、电流互感器从电网 中获得，对于其保护和信号调理电路基本相同，在实际设计中考虑以下几种方案： 8 河海大学工学硕士论文 第二章路灯节能控制系统的硬件设计 方案一：前端信号交流电压采样电路，如图2 - 4 所示。交流输出电压的采样 通过变压器降低电压范围且将其与电网隔离，采用t v a l 4 1 2 电压互感器，保证了 较高的采样精度，同时再采用r c 低通滤波电路去除电网中的高频干扰信号。 图2 - 4 交流电压采样电路电路图 由于采样的是交流信号，需要选择a d 公司的双电源供电的0 p 0 r 7 作为放大 器对电网的采样信号进行必要的变换。由于单片机的输入电压只能为正电压且其 量程在o 5 v 。所以通过运算放大器的反向电路与加法电路等的功能，使用一 2 5 v 基准电压将输入信号采样值抬高2 5 v 以满足单片机片内a d c 的工作要求 方案二：将交流电压通过变压器隔离降压，然后通过光耦隔离和整流，得到 半波电压波形。直流侧电压的采样电路可以有多种形式，系统对直流侧电压的采 样电路如图2 - 5 所示，为了使主电路和控制电路隔离，并且不增加控制电路的难 度和复杂度，采用了双光耦隔离的采样电路。直流电压经过光耦隔离降压后输入 到单片机的a d 采样口，这样就能够实现高精度的直流电压隔离采样。但是直流 采样存在过零点检测的问题，要增加过检测零点电路，而对于半波检测在电路设 计上并不易实现。 图2 5 双光耦隔离直流电压采样电路图 方案三：由于单片机的a d 采样端口只能采样正电压，因而将所要采样的为 交流电压经变压器降压、全波整流、电阻分压后再采样，此时将电压限制在0 巧v 之间，为了保持采样电压的精度与稳定度，在输入端口并联一个电容抗干扰，在 串联一个电阻满足a d c 阻抗匹配的要求。此电路的有点是简单，成本低，不足 的地方是要采样到输入电压的具体数值所以没有办法把采样与主电路分开。其电 9 河海大学共学硕士论文 基于g p r s 的路灯节能控制系统 路图如图2 - 6 所示： 图2 - 6 采用整流桥的电压采样电路 在实际的调试中，方案一与方案三的电路性能比较好，而方案三的电路简单， 所以采用方案三。 2 2 3r s 2 3 2 与g p r s 接口电路 p c 与单片机组成多机系统最简单的连接是零调制三线经济型。这是进行全 双工通信所必须的最少数目的电路。p c 配置的是r s 2 3 2 c 标准串行接口，二者 的电气规范不一致，因此要完成p c 与单片机的数据通信，必须进行电平转换， 本设计选用的芯片为m a x 2 3 2 ，将1 儿电平转换为r s 2 3 2 电平。同时也因为 i 峪一2 3 2 c 标准串行接口应用比较广泛，技术成熟，所以我们选用r s 2 3 2 c 标准 串行接口。 g p r s 模块与控制器的接口需要选用u s a r t 接口，另外本系统设计要求有 r s 一2 3 2 通信接口，而a t m e g a l 6 单片机只有一个u s a r t 接口，为了解决这个 问题，两个功能模块选择复用方式。具体电路如图2 - 7 所示： 图2 7r s 2 3 2 与g p r s 复用接口电路图 河海大学工学硕士论文第二章路灯节能控制系统的硬件设计 2 2 4 时钟芯片电路设计 现在的时钟芯片选择余地很大，满足本设计要求的芯片有很多，笔者选择比 较常用的两种时钟芯片d s l 3 0 2 和d s l 2 c 8 8 7 进行比较和分析。 方案一：采用d s l 3 0 2 。d a l l a s 半导体公司的d s l 3 0 2 涓流充电时钟芯片是一 个可编程1 2 c 串行接口时钟芯片，还提供3 1 字节的非易失s r a m 用于数据存储 优点是电路结构简单，可以通过单片机任意的i o 口作为s c l 和s d a 信号线。 编程简单。成本较低。缺点是其所设置的时间范围比较小，掉电数据丢失。存储 相应数据的话可用超级电容或可充电电池备份系统的时间和日期。其电路如图 2 8 所示。 图2 8d s l 3 0 2 时钟芯片的电路图 方案二：采用d s l 2 c 8 8 7 。d s l 2 c 8 8 7 也是美国d a l l a s 公司的新型时钟日历 芯片，能够自动产生世纪、年、月、日、时、分、秒等时间信息，其内部又增加 了世纪寄存器，从而利用硬件电路解决子“千年”问题；自带有锂电池，外部掉 电时，其内部时间信息还能够保持1 0 年之久；对于一天内的时间记录，有1 2 小 时制和2 4 小时制两种模式。其典型电路如图2 - 9 所示，由于其通信方式为总线 方式，虽然速度快，但是占用了控制器太多的口，并且因为a d c 使用p a 口进行数据的采集，因此资源的使用冲突，解决这个问题只有增加一个控制器， 使系统采用双击通信的方式工作，或者外部增加一个a d c 芯片当然笔者认为 这两个方案都增加了系统的复杂性以及成本。 d s l 2 8 8 7 图2 - 9 时间芯片连接电路 综合考虑，两个芯片的工作时间范围都能够达到2 0 0 0 年到2 1 0 0 年之间，考 虑我们所处的时间、本系统的使用寿命以及系统的功能要求，选择方案一。 1 1 河海大学共学硕士论文 基于g p r s 的路灯节能控制系统 2 2 5l c d 电路设计 在下位机工作的过程中，要对系统的参数要进行实时显示。对于显示模块， 有如下方案： 图2 - 1 0 “d 显示器接口电路 方案一：采用l c d 液晶显示器。与l e d 比较，它的工作电流小，显示容量 大，可实现汉字及图像的显示，美观、大方、显示方便。在编程上，l c d 有独 立的控制器及内部存储器，可以节省单片机系统的资源。采用l c d 串行的控制 方式，进一步节省了单片机的端口资源。 方案二：采用l e d 数码显示管。l e d 所需的电流较大，但是由于所选单片 机具有足够的驱动能力，不需任何其他的驱动模块。缺点是显示的容量小；显示 需要以动态扫描的方式实现，增加了系统的负担。 综上所述，选用方案一其接口电路如图2 1 0 所示。 2 2 6 键盘设计 对其参数进行校正以及对系统参数进行设定 方案一：通过行列式键盘设定系统参数。行列式键盘在需要按键较多的情况 下会比较节省系统的硬件资源，同时由于显示电路选择的是液晶显示器，其输出 信息量大，所以可以设计按键较多的键盘电路。 方案二：通过独立式按键设定系统参数。独立式按键在硬件接法和软件编程 上比较简单，但是在多按键的时候会占用太多单片机的接口，浪费系统资源，同 时增加了系统的硬件数量，增加系统体积，不适用于便携装置。 为了达到良好的人机交互性能，我们采用方案一。 2 2 7 电源电路设计 在系统工作现场电源可以实现现场取电，将电网电压通过变压器变换，然后 通过整流电路将其变换为直流电，再通过集成稳压器将其稳定在某个电压值为系 河海大学工学硕士论文第二章路灯节能控制系统的硬件设计 统工作提供电源。根据电路中各个模块不同的电压需求要不同的直流电压值，经 过综合分析得结论可提出两个方案，如表2 - 1 所示： 表2 - 1电路中各模块电压等级选择方案 放大器基通信模块加法电路 模块名称： a t m e g a l 6 la d c 参考电压 准电压 供电电压直流电压 方案一：5 0 v5 o v1 2 v + 5 v 2 j v 方案二：3 3 v2 5 v5 v + 3 3 v1 2 5 v 方案一：采用双5 双1 2 v 电源供电。电源模块可采用传统的三端式稳压器 7 8 0 5 、7 9 0 5 、7 8 1 2 、7 9 1 2 ，简单易行，技术成熟，成本低廉。a d c 基准电压采 用l m 3 3 6 5 0 芯片，同时更加保证了a d c 的量程及其采样精度。 图2 1 1 1 2 v 、5 v 电源电路 方案- - ：采用_ 5 v 供电并采用1 7 6 7 - 3 3 的电压转换芯片得到3 3 v 电压。利 用电阻分压得到1 2 5 v 电压，a d c 基准电压采用l m 3 3 6 - 2 5 芯片。 由于两个电压等级都可以满足系统的要求，出于对系统通用性及成本的考 虑，采用方案一。其电路图如图2 1 1 所示。 2 3 路灯电压自动调节电路的设计 2 3 1 调压电路的仿真及设计 脉宽调制降压设计思路：该种方法主要通过控制开关的频率以使输出电压的 有效值降低达到降压的目的，可以无级调整，输出电压波形为标准的正弦波，但 需要滤波( 会产生高次谐波，但波形对称) ，是设计频率在1 8 0 k h z - - - 2 0 0 k h z 。 河海大学共学硕士论文基于g p r s 的路灯节能控制系统 2 1 2 脉宽调制降压原理图 如图2 1 2 所示电路，由二极管d 1 、d 2 、d 3 、d 4 组成的桥式整流电路中， 由于二极管的单向导电性，可以判断a 点的电压始终高于b 点的电压。在a 、b 之间接三极管，利用三极管的开关特性对桥式电路的输出进行控制，这就是所谓 的脉宽调制原理。当控制电压为一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，并且按照 一定的规则对各脉冲宽度进行调制，便可以得到相应的输出电压。此时电路输出 的波形为被高频脉冲切割后的电压波形，为了得到标准的正弦波，并且减小高频 分量对电源质量的影响，分别在电路的输入和输出端串联一个大电感( 在电力电 子中也称之平波电抗器) 进行平波。综上所述，便得到了利用脉宽调制原理，通 过控制整流电路来改变输出电压的电路。通过该电路后产生的波形虽然有谐波， 需要滤波，但是其成本相对来讲较低，并且输出的是标准的正谐波。 为了证明该技术在理论上是可行的，用m a t l a b 软件进行了仿真。图2 1 3 ， 2 1 4 ，2 1 5 ，2 1 6 分别是用m a t l a b 仿真实现的斩波波形图。 图2 1 3p w m 频率2 k h z ，占空比为5 0 1 4 河海大学工学硕士论文第二章路灯节能控制系统的硬件设计 图2 - 1 4 p w m 频率2 k h z ，占空比为8 0 图2 - 1 5 p w m 频率5 k h z ，占空比为5 0 图2 1 6 p w m 频率5 k h z ，占空比为8 0 河海大学共学硕士论文基于g p r s 的路灯节能控制系统 由于当p w m 波形频率更高时整个仿真图象就成了一片蓝，所以在这里就没 有把高频时的仿真图附出来，通过图形对比和电压的有效值的仿真计算可以得出 以下几个结论：p w m 的占空比越大，输出电压值越高；p w m 频率越高，更接 近真实的电压有效值；占空比变化和幅值变化的关系接近于线性( 如图2 - 1 7 ) 。 图2 - 1 7 电压幅值和占空比的关系图 通过仿真计算，得出在2 0 0 k h z 调压的效果最好，所以整个调压电路的频率 就选择2 0 0 k h z ，基于这个基础来搭建实际的硬件电路。 图2 - 1 8 自动调压电路图 如图2 1 8 所示，电网电压通过整流滤波后通过经由p w m 控制的i g b t ，通 过控制p w m 的占空比来对电压实现调节，当输入电压低于设定的值时，系统将 转入直通，同时进行过零检测，避免产生新的写谐波。 河海大学工学硕士论文第二章路灯节能控制