路灯节能控制系统设计

毕业论文题目路灯节能控制系统设计所在学院计算机与电气自动化学院所学专业电气工程及其自动化毕业论文（设计）任务书论文题目路灯节能控制系统设计院部自动化工程学院专业电气工程及其自动化班级08工程3班毕业论文（设计）的要求本课题在于设计出一种路灯节能控制，解决现阶段路灯节能存在的能源消耗等几点不足，其意义在于不仅保证路灯照明的安全性和有效性，有效利用电力资源，尽量避免资源的浪费，而且提高了城市基础设施的管理水平，节省了人力和物力。毕业论文（设计）的内容与技术参数路灯节能控制是集稳压控制、软起动动能、自动停起、智能调压控制于一体的路灯控制装置，晶闸管功率变换单元和智能控制系统相结合是该装置主要特点。本设计对系统总体结构和每一部分的构成及功能做了简单介绍。核心是智能控制器和可变电抗器；控制器主要进行数据处理，可变电抗器通过改变一次侧电抗实现路灯调压。毕业论文（设计）工作计划20111215确定毕业设计，提交开题报告20120105完成课题，提交中期检查表20120220完成论文，提交电子版论文接受任务日期2011年12月1日要求完成日期2012年4月15日学生李蒙签名2012年4月22日指导教师签名年月日院长主任签名年月日摘要随着我国经济的快速发展，电力消费也随之快速地增长，电力资源已成为紧缺资源，如何节能降耗已成为近年来研究的热点课题。本文研究的智能路灯节能控制系统是针对我国在城市照明上所存在的巨大的能源消耗而开发的新型节能控制系统，集稳压控制、软起动功能、自动起停、智能调压控制于一体。路灯节能控制系统将晶闸管功率变换单元和智能控制系统相结合，利用可变电抗器隔离高压和低压，将可变电抗器的一次绕组高压与路灯相串联，将二次绕组与晶闸管和具有模糊控制算法的控制系统相联，通过改变其低压绕组上的电压来控制高压绕组上电压的变化，从而达到改变路灯端电压的效果，以实现路灯的软起动和调压节能。实验表明，路灯节能控制系统可明显的提高路灯的用电效率，改善功率因数，在节约能源、电力资源合理利用的今天，该装置有着十分广阔的社会和商业前景。关键词节能控制、模糊控制、软起动ABSTRACTWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFTHECHINESEECONOMY,ELECTRICPOWERCONSUMPTIONALSORISESFLEETLYINRECENTYEARS,THERISINGSPEEDOFELECTRICPOWERCONSUMPTIONISHIGHERTHANTHATOFECONOMYDEVELOPMENTREMARKABLYELECTRICPOWERRESOURCEHASBECOMEVERYSCANTYHENCE,HOWTOECONOMIZEENERGYSOURCESANDREDUCEWASTAGEHASBECOMEAHOTPROBLEMRESEARCHEDINRECENTYEARSTHEMAINFEATUREISCOMBININGTHESCRPOWERCONVERSIONANDINTELLIGENTCONTROLSYSTEMMODULES,THEPOWERMODULESISOLATEHIGHVOLTAGEANDLOWVOLTAGEUSINGSUBSTATIONCONVERTERREACTANCE,GETTINGTHEFIRSTWINDINGOFREACTORHIGHVOLTAGEANDSTREETLAMPINSERIES,INCREASINGTHESECONDWINDINGLOWVOLTAGEINTHEREACTORTHESECONDARYCOIL,THESCRANDTHECONTROLSYSTEMSOFFUZZYCONTROLALGORITHMSAREASSOCIATINGTOGETHER,ITALTERTHELOWVOLTAGETOCONTROLITSHIGHVOLTAGEWINDINGSCHANGES,THUSREACHTHETERMINALOFCHANGINGTHESTREETLAMPSVOLTAGESIGNAL,TOCARRYOUTENERGYSAVINGANDSOFTSTARTEXPERIMENTSSHOWTHATTHEINTELLIGENTSYSTEMOFENERGYSAVINGANDCONTROLLINGSTREETLAMPCANSIGNIFICANTLYIMPROVETHESTREETLAMPSELECTRICITYEFFICIENCYANDIMPROVETHERATEFACTORINENERGYNOWADAYS,WHILEISCONSERVATIONANDRATIONALUTILIZATIONOFPOWERRESOURCES,THEDEVICEHASAVERYBROADSOCIALANDBUSINESSPROSPECTSKEYWORDSENERGYSAVINGANDCONTROLLING,FUZZYCONTROL,SOFTSTART目录1绪论111课题概述1111课题的题目1112课题研究的目的及意义112课题的背景113论文的主要研究内容214本章小结22路灯节能控制系统方案设计321传统路灯控制系统节能方法概述3211通过改进路灯装置节能3212通过改变路灯系统管理节能422路灯节能方案概述423路灯节能控制系统结构设计5231可变电抗器5232控制器624本章小结63路灯节能控制系统硬件设计731系统硬件总体划分732控制器总体设计733控制器上位机设计方案7331P89LPC938简介7332人机接口模块电路834上下位机串口通讯1035智能控制器下位机设计方案11351下位机控制器89S52介绍11352过零检测电路12353电流检测电路和过流保护12354A/D和DA转换电路12355开关量电路1436功率变换单元与触发电路设计15361功率变换单元设计15362触发控制系统1637系统供电电路1738本章小节174路灯节能控制系统软件设计1841照明节能系统软件总体设计规划1842各模块的软件设计19421液晶控制芯片KS0713的软件编程及初始化19422DSL302时钟日历芯片软件实现20423上位机与下位机之间通讯程序框图2143本章小结215控制系统算法和分析2251模糊控制基本原理2252基于模糊算法决策模型的建立23521基于模糊算法决策的系统架构23522控制器变量的确定24523模糊化24524知识库的建立和模糊推理25525解模糊26致谢29参考文献301绪论11课题概述111课题的题目课题的题目路灯节能控制系统研究。112课题研究的目的及意义本课题的研究目的在于设计出一种路灯节能控制系统，能够有效地解决现阶段路灯照明存在的几点不足，其意义在于第一，为城市路灯交通提供一种科学有效的方案，保证路灯照明的有效性与安全性；第二，有效利用电力资源，尽量避免电力资源的浪费；第三，提高了城市基础设施管理水平，在改善城市道路照明质量的同时，节省人力物力财力。12课题的背景路灯是城市照明工程的主要组成部分，在夜晚，路灯的照明起到非常重要的作用。但是路灯在起着重要作用的同时，也在消耗着大量的能源。目前一般的传统路灯，主要是高压钠灯，一盏路灯的功率约为100W400W，一些大型路灯功率可以达到1000W以上。我们以一盏路灯200W来计算，一个晚上照明12个小时从晚上7点到第二天早上7点），那么一盏路灯就要消耗20012/100024度电能。假设路灯之间的间距是20米，一条长2公里的街道就有22000/20200盏路灯（道路两边各有一盏路灯，所以要乘2），那么这条街道一晚上消耗的电能就有20024480度，1年消耗的电能是4803651752万度。在一个城市中，除了主干道外，还有很多次干道和小的路段，这些街道在夜晚的人流量和车流量都比较小。特别是一些郊区和比较偏僻的路段，在半夜1点钟以后，人流量和车流量一般非常少。但是即使没有人或车经过，这些路灯也是长期点亮的，这时电能就被白白浪费掉了。很多路段真正有效的照明时间只占到整个照明时间的2030，也就是说大部分电能被浪费掉了。如果有效照明时间是30，那么一条街道浪费的电能就有17520712万度。一个中等规模的城市这样的街道可能就有100个以上，一个大城市往往有数百个这样的街道，那么就是说一个城市每年在路灯上浪费的电能就有数百到数千万度以上。考虑到全国有数百个大型城市，中小规模的城市更多，总的浪费电能是非常巨大的。据统计，杭州市一年用于城市照明的费用就高达3亿元以上。如果我们采取一定的节能措施，比如说在没有人和车经过时自动关闭路灯，就可以收到明显的节能效果。在能源日益紧张的今天，特别是很多城市存在电力不足的矛盾，这无疑是非常有意义的。国外对路灯节能的探索。在电力紧张的背景下，政府出台了一些文件，要求在后半夜，采取“亮一隔一”或“亮一隔二”的措施，关闭部分光源。这只能作为缓解电力紧张局面的权宜之计。因为，“亮一隔一”或“亮一隔二”不仅减小照度，同时区别于不同的灯杆布置方式，照度均匀度将不同程度、甚至是严重的下降，对交通、行人安全、对维护社会治安产生不利影响。七十年代的世界性能源危机中，日本大藏省曾要求在工厂、办公室和道路上进行间隔点灯的试验，结果导致生产率和办公效率降低以及治安、道路交通事故的大幅上升，不到一年时间就在一片反对声中全部放弃了。显然，这种消极的节电是不可取的。另外，这种方式由于需要在同一路径上敷设两根路灯供电电缆，也增加了建设投资。“在保证照明效果下点着灯节电”，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设计思想之一。我国路灯照明现状。据调查，我国小型城市在夜晚9点后，大中城市在午夜12点后，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，凌晨2点以后，道路上也已罕见行人、车辆。从这一时段直至清晨6点路灯熄灭，在低交通流量的道路上仍然保持较高照度显然没有必要。城市公共照明在我国照明耗电中占30的比例，约439亿KWH，以平均电价065元KWH计算，一年开支285亿元。在市政开支极度紧张的今天，国内绝大部分的城市和地区几乎不约而同地采用了日本等国家在七十年代就抛弃了的路灯隔盏关灯的省钱方法，其中的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。当发达国家在讨论什么是“恰到好处的照度水平”的今天，我们这种控制方法就太落后了。九十年代以来，夜景照明建设成为都市市政设施建设的一个重要环节，各地也取得了相应的成绩，但是市政开支普遍紧张与增设夜景照明形成了很大的矛盾以沿海某开放城市为例，大批路灯在安装后迫于财政紧张的压力，支付不起沉重的照明电费开支，又不得不关掉近一半的灯，结果近年新装的部分路灯形同摆设，造成变相浪费。13论文的主要研究内容本文针对目前路灯照明中存在的问题，结合国内外各种路灯节能的研究成果，设计了一种基于可变电抗器的新型路灯节能系统，并应用模糊控制算法进行了控制算法设计，并对系统进行了分析总结。论文研究的主要内容（1）基于可变电抗技术的功率单元系统机构设计；（2）路灯节能控制系统硬件设计；（3）路灯节能控制系统软件设计；（4）基于模糊控制的智能控制算法设计；（5）路灯节能控制系统的分析。14本章小结本章为论文的绪论部分，主要从论文的研究目的及内容初步探讨路灯节能控制系统。本系统的目的在于提高我节能路灯照明系统的改进和发展、达到安全照明、节能的社会效益和经济效益。2路灯节能控制系统方案设计本章为路灯节能控制系统方案设计，对系统的总结结构和的构成及功能做了简要介绍。系统核心为变抗器和可变电抗器两部分；变抗器主要进行数据处理，对可变电抗器给予控制信号；可变电抗器通过改变一次侧电抗实现路灯调压。21传统路灯控制系统节能方法概述目前我国大多数城市的路灯采用的仍然是传统的控制节能方法，主要分为路灯装置节能和系统管理节能两种途径。211通过改进路灯装置节能1推广绿色照明光源以节能高效的节能灯、高压钠灯、金卤灯代替原来的白炽灯、高压汞灯等低效、有害光源。推广使用电磁无极灯、微波灯及发光二极管等。倡导使用导光系统、太阳能蓄光电池等先进装置充分利用天然光照明。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45亿只，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，可以节省大量的灯具成本消耗。当然，这种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112左右。2自耦降压式调控装置现在市场上最多照明节电产品就是此类产品。它的原理是，通过一个自耦变压器机芯，根据输入电压高低情况，接连不同的固定变压器抽头，将电网电压降低5V、10V、15V和20V等几个档，从而达到降压节电的目的。这类产品最大的优点是克服了可控硅斩波型产品产生谐波的缺陷，实现电压的正弦波输出，结构和功能都很简单，当然可靠性也比较高。这种方法也存在一定的技术缺陷。固定多档降压器由于核心部件是一个多抽头的变压器，变压比是固定的，一般副边有三到五个降压抽头，分别将5V、10V、15V和20V，一旦接线端固定，降低电压就是固定值，当电网电压波动时，调控装置的输出电压也会上下波动，这样照明的工作电压处在不稳定波动状态，无法起到对电源光的保护作用。当电网电压高时，节电率不是最佳状态；而电网电压低时，可能出现欠压现象，造成灯具无法正常点亮，反而降低灯具寿命，这是这类调控装置存在的最大安全缺陷。当用电高峰时，电压过低，电器设备也无法正常运行。接触器型降压器这类调控装置为了能做到调控电压正常启动，并在过电压和欠电压时跳到旁路（设备的安全保护），一般都用的是交流接触器来进行切换，这是最简单和常用的方法。但是，如果用接触器作为节电产品的电压调控装置的话，其安全性、可靠性和无故障工作寿命都不能保障，存在安全隐患，原因如下第一，交流接触器的工作原理是用电磁线圈吸合、断开，开控制触头常开或是常闭，属机械移动部件，只适用于不经常动作的开关场合。第二，交流接触器在切换动作时，是机械的吸合和断开，所以会有短暂的1020MS的断电，我们称之为“闪断”，这样的断电会导致HIDL灯（HIGHINTENSITYDISCHARGEDLAMP高压气体放电灯）熄灭。这种灯的特性决定，在熄灭以后，必须等到灯管冷却，蒸汽压下降后才能再点亮，一般需要510MIN左右，在使用时，这将是个严重故障。根据以上原因，交流接触器是不能用来控制照明调控装置进行频繁切换的。所以，生产和销售此类节能产品的厂家，一般做不到实时稳定电压、多时段调控等功能，这也就是这类节能产品的缺点所在。从这两类节能产品来看，它们各有优缺点，之所以不能得到大量使用，是因为其本身都存在技术缺陷，可控硅型优点是，可实时精确控制输出电压，满足照明用电的最佳值，缺陷是电压无法实现正弦波输出，有谐波污染。而自耦降压型的优点正好是能做到电压正弦波输出却不能实现电压的自动精确控制，只能固定降电压，不能升压和稳压，如果能将两者优势结合互补，去除缺陷，就是相对比较理想的照明节能产品了。212通过改变路灯系统管理节能这种节能方式通过改变路灯的管理,合理分配路灯的亮灭时间以达到节能的目的地，可以分为1优化配电线路路灯节能的特点是线路较长，线路上的电流不一定很大。因此我们选择电缆截面时适当加粗，这样不仅满足减少压降的要求，为增加路灯灯数留有余量，同时由于压降小，线路损耗就小，系统稳定性高，既延长了整个系统的寿命，同时还节约了电能。2后半夜关闭部分路灯的方法后半夜约午夜1点至清晨6点路灯采用隔盏关灯的方法，只需多一套路灯的控制电路，即可实现。这种方法可节电约3050。在电力紧张的情况下，这种方式确实可以节约大量电能，但是也只能作为权宜之计，因为不论是“隔一亮一“还是“隔二亮一一不仅减小照度，同时区别于不同的灯杆布置方式，照度均匀度将不同程度甚至是严重的下降，对交通、行人安全和社会治安产生不利影响。上世纪70年代的世界性能源危机中，日本曾在道路上进行隔盏点灯的试验，结果导致社会治安、交通事故的大幅上升。另外，这种方式由于需要在同一路径上敷设两个路灯供电电缆，也增加了建设投资。3改进灯具安装角度，增强灯罩反射强度目前，快速路上的照明路灯，每盏灯间距约为50M，路灯高约15M，其光线照射范围约5060M，照射角度约120。建议将灯罩向车辆前进方向转动20，并增强灯罩反射强度，改进后，光线照射长度可达115M，每盏灯的间距就可增大到100M左右。4采用时控和光控调节路灯照度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。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。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。22路灯节能方案概述照明调控装置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，从而保证输出最佳的照明系统工作电压，具有以下优点1优化电力质量，节约照明用电针对电网电压偏高和波动等现象，调控装置可根据用户现场实际需求，实时在线调控输出最佳照明工作电压，并能将其稳定在士2以内，有效提高电力质量，从而达到节电1040的效果。并且可以根据用户实际的照明需求，调控装置还可通过程序进行多时段节能电压设置，从而满足用户不同光源、不同时间的需求，实现最佳照明状态和最大节电率。2软启动、慢斜坡影响电光源寿命的一个重要因素是，启动和运行时电流和电压对光源的冲击。为了有效的降低电流冲击和提高灯的寿命，在国外高档灯具产品中，要求灯具有软启动功能。智能调控装置能够实现灯具的软启动和慢斜坡控制过程。灯具在启动时，采用低压软启动，充分预热。该过程可减少40的启动电流冲击，有效提高光源寿命。在调压、稳压的过程中，智能调控装置采用慢斜坡方式，让电压在设定时间内缓慢过渡，保证光源不受电压、电流波动的冲击，从而降低光源损坏，延长使用寿命。3实时控压、控流在电流波动很大的地方，如电气设备比较多的厂区，一分钟内的电流波动达到士15路灯后半夜的供电电压也会达到250V。智能调控装置高稳定的最佳照明电压，能够延长电光源寿命24倍，减少照明运行、维护成本3050。23路灯节能控制系统结构设计控制信号流程图如图21所示。图21智能控制器信号流程图系统工作时通过设置在路面的光传感器检测路面光照状况，并送入控制器，控制器判断路灯照明系统是否需要起动。如果需要，则控制功率变换单元完成路灯系统的软起动。路灯系统起动后，设置在路面的噪声传感器检测路面交通的实时噪声状况，送入控制器控制功率变换器，改变路灯电压，从而达到动态节能的目的。231可变电抗器可变电抗器由可变电抗变换器和功率变换器构成，是对传统电抗器的一次结构性创新。它在传统电抗器中引入了二次线圈，二次线圈与电力电子功率变换器连接。通过控制器控制电力电子功率变换器，改变可变电抗变换器二次侧的电流，从而改变可变电抗变换器的一次侧的电流，当输入电压不变时，即实现可变电抗器阻抗的改变。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控制器连接。通过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。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22所示。图22功率变换单元工作原理图如图22所示，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。232控制器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，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，将此信号输入至控制器中，由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。24本章小结本章为路灯节能控制系统方案设计，介绍了总体结构，并对每一部分的构成及功能做了简单介绍。系统核心为控制器和可变电抗器。控制器主要进行数据处理，对可变电抗器给予控制信号；可变电抗器通过改变一次侧电抗实现路灯调压。3路灯节能控制系统硬件设计本章为路灯节能控制系统硬件设计。系统硬件设计分为控制器的设计和可变电抗器的设计。控制器采用了上下位机的形式，主要功能有人机交互设备和电压过零检测等；可变电抗器设计包括晶闸管同步触发控制以及电流检测过流保护等；最后还介绍了系统的供电电路，这些构成了智能控制系统的硬件部分。31系统硬件总体划分整个系统可以分为传感器、控制器、可变电抗器和路灯四个部分。系统硬件总体框图如图31所示。图31系统硬件总体框图硬件系统的工作原理为光电传感器将光信号转变成模拟电信号，通过AD转换后送入控制器，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交通流量信息，调节路灯照度，实现节能控制。32控制器总体设计控制器硬件主要由噪声传感器、光学传感器、信号调节与转换电路和微处理器组成，其工作原理为光电式传感器实时检测路面光照度，并将其转变成模拟电信号，经AD转换送入CPU，实现系统的开启和关闭。噪声传感器实时检测路面交通噪声信号大小，并将其转变成模拟电信号，经AD转换后送入CPU，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。现场控制设备功能的实现是软硬件的结合。整个系统分为上下位机，上位机主要功能是人机交互设备如LCD、键盘以及部分辅助芯片如日历时钟芯片，其控制器CPU选择的是PHILIPS公司的P89LPC938；下位机主要用于对晶闸管同步触发控制，通过单片机89S52调整晶闸管调压控制电路。上下位机因为都是单片机通讯而且距离非常的近，因为在同一个设备箱里面，所以我们选择TTL电平直接串行口通讯。33控制器上位机设计方案上位机实现人机信息交换的功能，由单片机P89LPC938、液晶显示模块电路、按键模块电路、时钟日历芯片外围电路等组成。331P89LPC938简介P89LPC938是一款单片封装的微控制器，含有多种低成本的封装形式。它采用了高性能的处理器结构，指令执行时间只需2到4个时钟周期。6倍于标准80C51器件P89LPC938集成了许多系统级的功能，这样可大大减少元件的数目和电路板面积并降低系统的成本。P89LPC938的主要特性有18KB字节可擦除FLASH程序存储器，具有1KB扇区和64字节页。单字节擦除特性使得任何字节都可用于非易失性数据存储。2256字节RAM数据存储器。512字节附加片内RAM。3512字节片内用户数据EEPROM存储区，可用来存放器件序列码及设置参数等。42个16位定时计数器每一个定时器均可设置为溢出时触发相应端口输出或作为PWM输出，23位的系统定时器可用作实时时钟RTC。5增强型UART。具有波特率发生器、间隔检测、帧错误检测和自动地址检测功能。400KHZ字节方式12C通信端口和SPI通信端口。6捕获/比较单元CCU提供PWM，输入捕获和输出比较功能。7选择片内高精度RC振荡器时不需要外接振荡器件。可选择RC振荡器选项并且其频率可进行很好的调节。8VDD操作电压范围为2436V。I/O口可承受5V可上拉或驱动到55V。928脚TSSOP、PLCC和HVQFN封装。最少23个I/O口，选择片内振荡和片内复位时可多达26个I/O口。P89LPC938的其他特性1当操作频率为18MHZ时，除乘法和除法指令外，高速80C51CPU的指令执行时间为1LLNS222NS。同一时钟频率下，其速度为标准80C51器件的6倍。只需要较低的时钟频率即可达到同样的性能，这样无疑降低了功耗和EMI。2串行FLASH在电路编程ICP可通过商用EPROM编程器实现简单的编程。FLASH保密位可防止程序被读出。3串行FLASH在系统编程ISP可实现已固定在最终应用上的器件的编程。4FLASH程序存储器可实现在应用中编程。这允许在程序运行时改变代码。5看门狗定时器具有片内独立振荡器，无需外接元件。看门狗定时器溢出时间有8种选择。6低电压复位掉电检测可在电源故障时使系统安全关闭。该功能也可配置为一个中断。7空闲和两种不同的掉电节电模式。提供从掉电模式中唤醒功能低电平中断输入唤醒。典型的掉电电流为L比较器关闭时的完全掉电状态。8低电平复位。使用片内上电复位时不需要外接元件。复位计数器和复位干扰抑制电路可防止虚假和不完全的复位。另外还提供软件复位功能。9可配置的片内振荡器，其频率可通过用户可编程FLASH配置位进行选择。RC振荡器选项支持的频率范围为20KHZ18MHZ。10振荡器失效检测。看门狗定时器具有独立的片内振荡器，因此它可用于振荡器的失效检测。11可编程IO口输出模式准双向口，开漏输出，推挽和仅为输入功能。12端口“输入模式匹配”检测。当P0口管脚的值与一个可编程的模式匹配或者不匹配时，可产生一个中断。332人机接口模块电路1日历时钟芯片DSL302及其电路DSL302是美国DALLS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片，对年、月、日、周日、时、分、秒计时，且有闰年补偿功能，工作电压宽达25V55V。采用三线接口与CPU同步通信，并采用突发方式一次转送多个字节的时钟信号或RAM数据。内部有一个318的用于临时性存放数据的RAM寄存器，有主电源后备电源双电源引脚，提供了对后备电源涓细电流充电能力。DSL302控制字说明DSL302控制字如表31所示。控制字节最高有效位位7必须是逻辑1，如果为0，不能把数据写入DSL302中，位6如果为0，表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据位5至位1指示操作单元地址；最低有效位位O如为0表示写操作，为L表示读操作，控制字节总是从最低位开始输出。表31DS1302控制字节含义DSL302数据输入输出控制指令字输入后的下一个SCLK时钟上升沿时数据被写入DSL302，数据输入从低位即位0开始。紧跟8位的控制指令字后下一个SCLK脉冲下降沿读出DSL302数据，读出数据是从低位0至高位7DSL302寄存器DSL302共有12个寄存器，其中有7个寄存器与日历、时钟相关，存放数据位为BCD码形式。DSL302与LPC938接线电路图如图32所示。图32DSL302与LPC938接线电路DSL302与RAM相关的寄存器分为两类，一类是单个RAM单元，共31个，每个单元组态为一个8位字节，命令控制字为COHFDH，奇数为读操作，偶数为写操作；再一类为突发方式下的RAM寄存器，此方式下一次读写所有RAM31个字节，命令控制字为FEH写、FFH读。DSL302在系统中的硬件电路DSL302与LPC938连接仅需三条线，即SCLK7、IO6、RST5。2液晶显示模块电路内藏控制器的点阵式液晶图形显示模块，是目前很受欢迎的一类产品，内藏控制器的点阵式液晶图形显示模块的核心就是该显示模块内部自带的专用控制器。液晶显示接口电路如下图33所示。液晶显示选用在3V电压下工作的自带控制器的点阵式液晶图形显示模块MOBL2007，它具有体积小，厚度仅为2MM，价格低、使用方便等优点，特别适合于数字化仪表、便携式仪表、及智能化家电和嵌入式应用系统中，它的核心是其内部自带的专用控制器KS0713。图33单片机与液晶模块连接电路原理图三星公司的KS0713，它是一种小型的大规模集成并带有驱动器和控制器的点阵型液晶模块。它的外观尺寸为42MMX39MM，有29个外部引脚。它直接受单片机控制，接收8位串行或并行数据，同时可将数据显示，并将数据存储在模块中的数据存储器中DDRAM。其中部分如图上管脚必须外接L以上的外扩电容，否则可能造成晶片损坏。3控制面板按键设计本系统的人机接口按键输入模块，共设置了8个按键，面板上有“试灯”、“设定“、“运行”、“菜单”、“确认”、“”、“V”、“选择”八个按键。键盘硬件是由八个按键组成的开关矩阵，当键盘上没有键闭合时，所有列线C1、C2、C3、C4都为高电平，当键盘上某一个键闭合时，则该键所对应的行线和列线短路。例如键盘KEY6HANDLER的键按下闭合时，行线R2列线C2短接，此时C2的电平由R2的电位决定，若R20则C20，把行线R1、R2接到单片机的P16、P15口，在单片机控制下，依次使行线RII1，2为低电平0，而另外一根行线为高电平1，并且不停的读列线状态，如果读出CJJ1、2、3、4为低电平，则该列线。RI和CJ相交的那个键被按下闭合。34上下位机串口通讯串行通信是数据通信的主要方式之一。由于其连线少、成本低，再加上有调制解调功能因而特别适合于距离较远而且通信点较多的场合。这种通信方式是一种使用相当广泛的通信方式，其速度虽然没有并行通信那样快，可是配线数少，容易实现。常用的串行通信标准有RS232、RS422、RS485、USB等。他们的主要区别在于传输距离和稳定性方面。上下位机串口通讯结构图结构图，如图34所示。图34上下位机串口通讯结构图本系统由于上位机和下位机都是在一个箱体内，距离非常近，所以我们直接选用两个单片机之间直接用TTL电平通信，硬件上非常简单，只要把两个单片机的TXDRXD交叉互连，共地即可。此外两个单片机之间通讯，用的是串口工作方式3，设定SMO、SMI为11，这方式是9位异步通信，主要适用于多机通信。在方式3下，数据由TXD发送RXD接收，1帧数据为N位，L位起始位低电平，8位数据位低位在前，L位可编程位第9位数据，用作奇偶校验或地址数据选择，L位停止位高电平。35智能控制器下位机设计方案下位机由89S52单片机作为控制器，包括过零检测电路、电流检测保护电路等几部分组成。351下位机控制器89S52介绍AT89S52是一种低功耗、高性能的含有8K字节快闪可编程/擦除只读存储器FPEROMFLASHPROGRAMMABLEANDERASABLEREADONLYMEMORY的8位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存储技术制造，并且与AT89S52指令系统和引脚完全兼容。芯片上的FPEROM允许在线或采用通用的非易失存储编程器对程序存储器重复编程。AT89S52的主要性能包括1与MCS52微控制器产品系列兼容；2片内有8K字节的可在线重复编程快闪擦写存储器FLASHMEMORY；3编程所需的所有时序和电压，均不需外部电路供给；4存储器可循环写入/擦除1000次5存储数据保存时间为1年；6宽工作电压范围，CV可由27V到6V；7全静态工作，可由0HZ到16MHZ8程序存储器具有3级锁存保护；9128X8位内部RAM；1032条可编程I/O线；11三个16位定时器/计数器；12中断结构具有5个中断源和2个优先级；13可编程全双工串行通道；14空闲状态维持低功耗和掉电状态保护存储内容。AT89S52内部有256个字节的RAM，地址范围是00HFFH，但实际提供给用户使用的只有128个字节00H7FH，另128个字节80HFFH是特殊寄存器区。除ROM和RAM外，芯片内部还有三个16位的定时器/计数器。在本系统中定时器T0用来计时，定时器T1用来做波特率发生器。时钟电路采用12M晶振。89S52是下位机的控制中心，它接受并解释上位机P89LPC935发送过来的操作命令，对与其有相关连线路的外围芯片进行相应的控制。主要功能包括P89LPC935的通信，从过零检测电路得到同步触发控制信号产生中断，向晶闸管发出控制代码输出需要的电压值。352过零检测电路过零检测电路用于对电源电压的过零点进行检测，以便对晶闸管进行同步触发控制。交流电压过零检测电路如图35所示。图35过零检测电路输入交流电压为来自变压器初级的220V电源信号。通过一个200K的电阻限制之后接到2个光电耦合器的输入端，故通过光电耦合器输入端的电流最大为15MA，从而保证了光电耦合器的可靠工作。2个光电耦合器以反向并联的方式相连，以分别检测输入交流电压的正半波和负半波。工作时，变压器初级的220V交流电压经电阻R1限流后直接加到2个反向并联的光电耦合器GDL、GD2的输入端。在交流电源的正、负半周，GDL和GD2分别导通，C0输出低电平；在交流电源J下弦波过零的瞬间，GDI和GD2均不导通，CO输出高电平。该脉冲信号经非门整形后作为单片机的中断请求信号和晶闸管的过零同步信号在交流电压的过零点，在/INT0输出端产生负脉冲送到单片机的外部中断输入端/INTO，请求外部中断。同时，过零信号通过两个反相器之后产生正脉冲，送到晶闸管调压控制电路的74LS273和74LS74中去作为时钟信号，使74LS273和74LS74锁存来自单片机的信号，以便去触发相应的晶闸管。353电流检测电路和过流保护下位机同时对三相电流检测，首先通过电流互感器降压、整流、滤波、电压比较最后确定是否过流信号，电流检测电路如图38所示。三组只要有一组LM339输出信号为高电平，那么经过一个74LS27的三相或非门，在/INT1输出端产生负脉冲送到单片机的外部中断输入端/INT1，请求外部中断。当过电流倍数达到或超过设定值，并且持续时间达到设定的动作时间时，89S52控制器通过P15口立刻进行过流故障处理、闭合旁路、断开主路，同时显示过流状态。下次开灯时间之前，若过流故障消失，节电控制器会自动恢复正常工作。354A/D和DA转换电路信号检测模块输出的是模拟信号，必须经过模/数转换成为数字量，才能完成信号的采集，所以设计中采用A/D转换电路完成这一信号转换。A/D转换器是A/D转换电路的核心，本设计中采用的是美国TI公司生产的12位串行A/D转换器TLC2543。TLC2543是CMOSL2位开关电容逐次逼近式A/D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I/OCLK、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I/OCLK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1LSB线性误差和低噪声的特点。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A/D转换电路之间的电气联系。设计中使用光电耦合器6N137对TLC2543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。图36A/D转换电路TLC2543所需参考电压由REF和REF接入，一般地，REF接TLC2543的5V电压端，REF接地。为了减小电源的扰动对参考电压的影响，提高AD转换的精确度，设计中采用了以可调分流基准芯片TL431为核心的精密5V稳压电路，为TLC2543提供准确的参考电压。德州仪器公司TI生产的TLC2431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从REFV25V到36V范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为02，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。TL431的3个引脚分别为阴极CATHODE、阳极ANODE和参考端REF。TLC2431的内部含有一个25V的基准电压，所以当在REF端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流，控制输出电压。当图中所示两个精密电阻R25和R26的阻值确定时，两者对汤的分压引入反馈，若VO增大，反馈量增大，TL431的分流也就增加，从而又导致场下降。显见，这个深度的负反馈电路必然在VI等于基准电压处稳定，此时REFVR/120。当R25R26时，VO5V，即可为TLC2543提供精确的电压基准。当处理器完成对数据的处理，提供控制信号给触发控制模块时，该信号必须为模拟信号，所以必须进行D/A转换。本设计采用TI公司生产的12位串行A/D转换器TLC5615。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L0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口。其主要特点如下1单5V电源工作；23线串行接口；3DAC输出的最大电压为2倍基准输入电压4转换速率快，更新率为121MHZ。TLC5615转换输出为05V直流电压，为把该输出电压转化为010V直流电压，使用运算放大器LM324组成同相比例放大电路，经比例放大后，由U0端输出010V直流信号，输出给功率变换单元作为该模块的给定信号。355开关量电路开关量电路包括开关量输入电路和开关量输出电路，主要用于接受各设备状态信号和工作人员的操作命令和控制微型继电器，开关量输入/输出电路原理图如图37所示。A开关量输入电路原理B开关量输出电路原理图图37开关量输出电路原理图图37中，图A为开关量输入电路。开关量输入电源由24V直流电源提供。输入的开关量IN1通过光耦TLP521隔离后由DI端输送到微处理器，微处理器根据输入开关量进行相应的操作。图中R35为限流电阻，取值为2K。图37中，图B为开关量输出电路。开关量输出电路中的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，设计使用了光电耦合器TLP521进行了光电隔离，输出信号通过控制三级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。36功率变换单元与触发电路设计361功率变换单元设计智能路灯节电器功率变换单元主要由晶闸管组成，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。功率变换单元拓扑结构如图38所示。图38功率变换单元拓扑结构图39晶闸管交流调压电路晶闸管交流调压电路如图39所示。A0、B0、C0、NO分别与可变电抗变换器低压侧连接，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。三相桥式全控整流电路的特点如下1每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中1个晶闸管是共阴极组的，1个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管。2对触发脉冲的要求6个晶闸管的脉冲VT1VT2VT3VT4VT5VT6的顺序，相位依次差60；共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120；同一相的上下两各桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180。整流输出电压UD一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该脉电路为6脉动整流电路。3在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有触发脉冲。为此，可采用了两种方法一种方法使脉冲大于60，称为宽脉冲触发。另一种方法是，在触发某个晶闸管的同时，给序号靠前的一个晶闸管补发脉冲。即用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差60，脉宽一般为2030，称为双脉冲。362触发控制系统智能型路灯节电器触发电路主要是提供触发晶闸管的触发信号，从而控制其导通角。由晶闸管的特性可知，在它的阳极与阴极间电压为正时，在门极上加以适当的具有一定功率的正向电流时，晶闸管将导通并保持至自然换流后。为了减少门极损耗，这个所加的正向电压通常是脉冲形式，因此称之为触发脉冲，提供触发脉冲的电路即触发电路。触发脉冲要求具有一定的功率和一定的脉冲宽度，以保证在需要导通的时候可靠导通，除此之外，信号前沿还要具有一定陡度。本方案采用集成触发器KJ004形成触发脉冲。集成电路可靠性高，技术性能质量好，体积小，功率低，调试方便。随着集成电路制作技术的提高，晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及，已逐步取代分立式电路。KJ004有如下特点1输出两路相位相差1800的移相脉冲；2输出负载能力大，移相性能好，正负半周脉冲相位均衡性好；3移相范围宽，对同步电压要求低，有脉冲列调制输出端等功能特点。三相调压电路的触发电路由3块KJ004与一块U0416路双脉冲形成器一块KJ042脉冲列调制形成器和部分分立元件组成，输出6路双窄脉冲。偏置电压UP的大小可以通过RP4调节；移相控制电压通过UKZ端输入。AT、BT、CT接三相同步变压器。同步电路与主电路应同相位，如果主变压器接法为11点时，则同步变压器为/Y11。六只晶闸管的触发相序是VT1、VT3、VT5触发相位依次滞后120，VT4、VT6、VT2的触发相位又分别滞后于VT1、VT3、VT5是180。这样触发相位自VT1至VT6依次滞后间隔为60。系统采用双窄脉冲序列触发，在一个周期内对每个晶闸管需要连续触发两次，每次触发的间隔为60。确定了触发脉冲序列的顺序后，就可以开始讨论触发角的定位和移相范围。在本控制系统中，晶闸管触发脉冲由触发板的K17K01、K27K01K67K01给定。脉冲峰值电压24V，最大电流600MA。触发脉冲由处于低电位控制系统发出，而各个晶闸管单元处于高压电位下，所以要由触发系统来解决控制与主电路电位隔离和给各晶闸管组件提供门极触发能量问题。低电位的控制系统的触发脉冲信号发出端口到高电位的晶闸管单元的门极输入端，其间的各个