景观照明节能管理系统设计本科毕业设计论文

1、1绪论改革开放以来，我w经济快逨发展，电力资源得到广泛应用，导致我国的能源需求 量加大。随着经济的发展，人民的生活水平也显著提高，各种旅游景点也和继诞生，数 量也越来越多，因而照明耗能迅速上升，照明节能也已円益受到重视。我国人口众多， 人均资源占有量非常少，在开发的过程屮不注意保护资源，导致了现在煤炭资源的缺乏， 使得电厂发电成本不断升高，这导致了景观照明用电消费的增长。与此同时，景观照明 还有规模过大、系统设计不合理、亮度过高等严重h题，也造成了资源浪费。据不完全 统计，景观照明耗电量占全网用电量的2%到4%,因此景观照明节能異省很重要的意义。1.1研究背景及意义照明用电供电系统中，为了避免

2、送电过程中的线路损耗及用电高峰造成的末端电压 过低，导致灯不亮的情况出现，往往都是以较高的电压传输，超出了用电设备的额定电 压，由于照明用电时间多在夜间电网波峰段，所以供电电压偏高，而此时景观内的游客 数量很少，必然会导致照明的光通量增大，使照度升高，造成浪费。在传统的照明节能 控制系统屮，控制装置受电网波动的影响较大，也不能实现对电压的精确调节控制，这 也造成了系统的不稳定性。为了实现可持续发展，照明节能势在必行。随着科技的创新，智能照明技术也u益 趋于完善，它可以实现对照明调压实现智能，减少电能的消耗，具有较高的可靠性和经 济型，是h前社会上应用最广泛的节电手段。前智能照明节电装置加入了很

3、多新技术，这也大大增加其生产成本。因此为了节 省电能，同时又要降低成本，需要设计出新的智能照明管理系统，使其不但可以对照明 调压实现智能，也能减少电压波动对灯具的损耗，降低耗电景。1.2国内外的研究现状在欧美国家，节电行业是一个每年上百亿欧元的庞大市场，节电成为政府号召节约 能源的重要a容，在国内，很多企业存在电能浪费的现象，成千上万的企、ik正等待着进 行节电改造，通过节电，不但可以减低成本，也可以在同行业中更具有竞争力，可谓是 一举多得。随着世界能源危机的加剧，各网都在寻求各种解决能源危机的办法，一种是 新能源和可再生能源的利用；另一种是开发新的节能技术，提高能源的利用率，降低能 源的消耗

4、。近年来，w际节电研究界提出了一种叫“在保证照明效果下点着灯节电”的新概念， 这样的概念才是科学的，合理的，这是发达岡家道路照明系统的重要设计思想。在国外， 美国、英国、法国、徳国等发达国家已经开始研发新型的照明节电没备，在韩w，室内 场馆的照明节电已经严格落实到了每一个人，馆长会将节电制度手册发给每一个员工， 并要定期检查员工的阅读情况，如果完成效果不好，将要对其罚款。在日本，有更加严 格的用电节能制度，城市景观每周每地区会定时关灯一小时，吋刻告诉人们节能就在身 边。r前国际照明节能的主要方式分为两种：（1）在照明系统中使用高效的节能型光源， 即选择发光效率高的灯源。（2）将节能控制设备加装

5、在己经使用的照明系统中。两种方 法各有优缺点，从对照明系统使用的方面来讲，新设计的照明系统中多采用第一种节能 方式。而对已经建设好的的照明系统，若要采用高效节能光源就需要更换现有的所有灯 具，这样就会需要投入大量的资金和人力。同吋，高效节能光源的价格会很高，一般是 传统光源价格的6-10倍。这样，如果投入使用，觅然会使照明场所的节能效果得到提 高，但是总经济投入不会降低，达不到整体节约的0的。国外的照明节能管理系统，人多采用上述第二种方式，弁采用光控、声控、时控等 控制方式，成木低且安装维护比较方便，但是不能够合理额准确的控制灯源的亮度。比 如在天气不好的时候不能准确的做出判断，也不能根据季节

6、自动的进行调整。现阶段，智能照明节电装置加入了许多新技术，其生产成木耍高干前面的那两种传 统的照明节电设备，但是新型的智能节电设备不但要可以对照明调压实现智能，且能减 少电压波动对灯具的损耗，降低电能的使用。目前节能这类的照明节能控制方式也円趋 完善，产品的具有更高的可靠性和经济型，也是口前社会上应用最广泛的节电手段。近些年来，我网能源浪费比较严重，为实现可持续发展，照明节电已经势在必行。 h前，w内的景观照明节能和w际节能方式类似，也是主要依靠两种方式：在系统中采 用高效的节能光源，也就是选择使用发光效率较高的灯；在照明系统屮加装节能控制设 备。前一种节能方式，现在较多的被应用，但是高效的w

7、能光源价格较高，会增加照明设施的运行资金，同吋更换照明光源，还需要消耗大量的人力，这样虽然节能效果有提 高，但是资金投入会増大，达不到'w约的目的。第二种方式中，系统中的节能控制设备 采用了新技术，成木更高，但是可以实现智能调压，减少了电压波动的影响，也减少了 电能的损耗，目前这种照明节能控制方式发展很快，也趋于完善，成为世界上最广泛应 用的节能手段。景观照明系统的控制方式很多，如光控、时控等。光控方式简单，安装维护非常方 便且价格低廉，缺点是控制的准确性较差，在天气条件不好的情况不容易误作；时控系 统也比较简单，安装维护也非常方便并且价格便宜，但控制不方便，开启和熄灭时间相 对固定，

8、对于景观节能非常不利，也不能根据季节自动调整。景观照明节能是一项系统工程，一般来说其与选用的光源、灯具和控制系统、照明 标准、照明方式以及后期照明设施维护与管理等多个因素密切相关。为此我w绿色照明 工程办公室启动一次"绿色照明"项目，进一步从照明产品、照明设计、照明管理、天然 光利用等方面挖掘照明节能潜力。还开发了不少智能照明设计，如智能灯具、智能照明 控制与管理系统，包括在照明方而的计算机硬件和软件。此外计算机在照明设计和测试 方血也得到广泛应用。俄罗斯开发的智能照明管理系统，口本的智能照明建筑，特别是 现代化办公室的智能照明技术等都值得我们研究与借鉴。智能照明系统是由控

9、制器、远程i/o模块或扩展i/o模块、触摸解等来实现控 制。我国的某些景观照明系统采用了 plc控制器来实现节能，它能够方便照明系统的按 照、调试、维护、故障诊断等工作，且其扩展性好，自动化程度高，具有良好的发展前 景。根裾参考文献，照明节能管理系统有的采取单片机做cpu，充分利用了单片机体积 小，抗干扰能力强的优点，保证了照明管理系统的可靠性，同吋单片机价格便宜，满足 了景观经济性要求。基于单片机的照明控制系统，用软件的方法为每一个单片机分配一 个唯一标识的单片机编号，每个单片机再与一个照明灯线路相连，通过微型计算机串口 与多个单片机相连。当微型计算机向单片机发出控制命令吋，相应编号的单片机

10、便可控 制与其关联的照明灯的开关。照明灯具开关控制程序是在单片机中运行的程序，由此程 序来控制灯具的开关。基于mcs-51单片机的照明节能管理系统是以mcs-51单片机为核心的一个集采集、 处理、控制为一身的自动控制系统，其工作原理足首先通过被动热释电红外探测器和环境噪声探测是否有人，并探测环境亮度，如果没人，则照明设施不开。该系统设计采用 模块化设计思想，以主程序为核心设置功能模块子程序，运行过程中通过主程序调用各 功能模块子程序，凶为照明设施控制实吋要求不高，循环控制即可满足要求。基于at89c51单片机的照明控制系统的设计原理与实现方法。该控制系统可以同时 控制多个照明灯具的开关，也可对

11、某个指定的照明灯具进行控制。此方法简单有效，控 制成本低，实吋性强，可以达到节约电源的口的。1.3景观照明节能管理系统设计的基本任务景观照明节能管理系统主要足通过对系统主电路的设计，实现通过控制调压供电系 统通断、按吋段控制供电电压幅值，在保证安全照明前提下，实现耗电量最小。关于系 统的电压稳定性，讨以通过增加电压反馈环节，通过数字控制器调w。电子技术的快速 发展，单片机技术u益成熟，以单片机为基础的照明控制系统已经得到了广泛的应用。 木文将采用单片机系统实现数字调压控制与照明系统节能供电管理。1.4景观照明节能管理系统的特点传统的景观设计照明，釆用的是手动按钮开关、断路器等对幵关进行控制，这

12、种控 制方式简单、方便，但是不适用大范围的景观照明管理，大面积的景观照明维护和管理 工作费时、费力、费人，同时还造成了电能的浪费。目前景观照明大多采用的是全硬件 电路，结构复杂、功能单一，维护费用高且不能不能根据实际需求做出相应的改变，同 时还存在难以实现节能的fi的等一系列问题。木文将进行调压系统的设计，设计一套采用自适应控制思想且场景、调度相结合的 智能化控制系统。进一步探讨节能的方式，实现最大限度的节能，并综合单片机的使用， 使照明系统更加智能化、维护简单化，提高照明技术和科技含量。1.5本章小结木章节叙述了所选课题的研究竹景及意义、同内外的研究现状、研究的基木任务以 及所研究系统的特点

13、，并简明的概述了全文的章节。在对国内外的研究现状描述时，扼 要的介绍了前国内景观照明节能所采用的两种方式：在系统中采用高效的节能光源； 在照明系统中加装节能控制设备。这两种w能方式都有各自的特点，也都能达到一定的 节能效果。2景观照明调压系统主电路景观照明调压系统是一个包含供电系统、调压系统、照明管理系统的复杂控制电路， 它主要由接触器、晶闸管、空气开关、电压反馈、单片机等部分组成。2.1景观照明节能管理系统主电路的器件的选择2.1.1主电路接触器的选择电磁式电器的执行部分是触点，触点的接触方式分为三种：点接触、线接触和面接 触。电磁式接触器足利用电磁吸力的作用使主触点闭合或分断电动机电路或其

14、他负载电 路的控制电器。用它可以实现频繁地远距离操作，具有比工作电流大数倍乃至十几倍的 接通和分断能力。其体积小、价格低和维护方便，因而用途十分广泛。接触器按其主控点控制的电路中电流的种类分类可分为宵流接触器和交流接触器。 选用时，一般交流负载用交流接触器，直流负载用直流接触器。景观照明供电系统采用 的足负载为50a的交流电，因此可采用交流接触器。另外景观照明管理系统需要接触器 控制电容器和0炽灯，接通吋的冲击电流可达到额定值的几十倍，因此从接通方而考虑， 应当选用ac4类的接触器。不同类型的照明设备，起动电流和起动时间也不一样，起 动吋间很短，可选用约定发热电流等于照明设备工作电流的1.1倍

15、即可。总上，该系统 可选用型号为cjx2-6311的交流接触器。2.1.2主电路晶闸管的选择晶闸管是一种整流元件，其整流电压可以控制，当供给整流电路的交流电压一定吋, 输出电压能够均匀调节。在整流电路中，品闸管在承受正向电压的时间内，改变触发脉 冲的输入时刻，即改变控制角的大小，在负载上可以得到不同数值的电压，因而控制了 输出电压的大小。实际应用屮，应对晶闸管施加足够长吋间的反向电压，使晶闸管充分 恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能正常uj靠工作。照明系统中需要在电路中随时 关断晶闸管，可选用可关断晶闸管，因为其门级端加合适的触发信号后就会关断。但是，品闸管的应用会产生谐波，谐波电流流过绕组

16、时会产生附加损耗，还会造成 电容器的过负萜，严重时会损坏电容器。另外谐波频率越高，趋肤效应也就越明显，有 效电阻也随之增大，引起导线发热而增加电能的损耗。为了防止上述问题的产生，应该考虑其他技术的应用。目前电力电子器件快速发展， 单片机开发应用也日益广泛，这也促进了 pwm控制技术的发展，pwm技术也被广泛应用 于各种控制系统中。本课题研究内容为景观照明iv能管理系统的设计，考虑到其负载电 流为50a,故应当选用大功率性的品闸管。结合参考文献和网上查阅资料，选定 bta100-1200b双向可控硅晶闸管，其额定正向平均电流为100a,最大稳定工作电流为 100a,正向重复峰值电压为1200v,

17、反向阻断峰值电压为1200v,且其门极散耗功率仅 为0.5w，满足系统设计的要求。2.1.3主电路空气开关的选择空气开关是指触头在大气压力下得空气中分合的断路器，是低压配电网络和电力拖 动系统中非常重要的一种电器。它的绝缘介质为空气，用锁扣保持合闸位置，由脱扣机 构作用于跳闸并具有灭弧装置的低压开关，被广泛用于500v 下的交、直流装置中， 在电路中作接通、分断和承载额定工作电流和短路、过载等故障电流。因此空气开关具 有过载、短路、欠电压保护等多种保护功能，动作值可调、分断能力高、操作方便、安 全等优点，并利用一定的触头结构，限制分断时短路电流峰值的限流原理，对提高断路 器的分断能力有明显的作

18、用，所以前被广泛应用。空气开关的工作原理是短路电流远人于正常负载电流，短路电流导致脱扣器脱扣， 动触头在弹簧作用下与静触头分开，使得电路断幵。短路电流有多种方式实现脱扣器脱 扣，一般是采用电磁铁的原理实现的，线圈中经过负载电流时电磁铁吸引力小，经过短 路电流时吸力足以使衔铁动作，带动脱扣器脱扣。大点的空气开关还具有过负载保护， 一般采用双金属片，当电路过负荷达到一定吋问的吋候，热量会使双金属片变形导致脱 扣器脱扣从而断开电路。挑选空气开关吋应注意:空气开关额定电压大于等于线路额定电压；空气开关的额 定电流和过电流脱扣器的额定电流大于等于线路计算负载电流。如果空气开关的额定电 流选择的偏小，就会

19、使空气开关频繁跳闸，引起不必要的停电；如果选择的过大，则达 不到预期的保护效果。因此选择额定容量电流大小很重要。考虑到以后用电负荷增加的 可能性，为以后需要留有裕量。空气开关的额定电流有几安培至几百安培，景观照明调 压系统主电路中，负载电流为50a,因此可选用型号为c63a的空气开关。2.1.4 电气隔离装置在控制系统中，大量应用的是开关量的控制，这些幵关量一般经过单片机的i/o门输出，但是i/o 口的驱动能力有限，一般不能够驱动一些执行器件，需要加接驱动介而 电路，为了避免相互问的干扰，w此需要采取隔离措施。如町控硅所在的主电路一般是 交流强电回路，电压较高，电流较大，不易与微机宵接相连，可

20、应用光耦合器将微机控 制信号与可控硅触发电路进行隔离。木课题照明管理系统中，是强电输入，电压较高， 电流较大，不能直接与单片机相连，因此可用光耦合器将单片机控制信号与系统触发主 电路隔离。电气装置中，输入、输出信号往往容易产生相互干扰，会对信号造成一定的影响。 所以应当选用合适的隔离器来隔离输入、输出端。经过查文献资料等，发现光电耦合器 可以对输入端、输出端实现完全的电气隔离。光电耦合器可把电信号转挽成为光信号，然后再将光信号恢复为电信号的半导体器件，属于电光电转换器件。其基本结构是将光发射器和光敏接收器装在同一密闭的壳内，彼此间用透明绝缘体隔离。它以光 为媒介传播电信号，其输入端和输出端的传

21、输是通过光信号來实现的，两端门之间在电 气上是完全隔离的，耐压一般可超过lkv，有的甚至可以达到10kv以上。当电信号送入 光电耦合器的输入端时，发光二极管通过电流而发光，其发光的强弱与信号电流成止比， 亦即与流过二极管的正向电流的大小成正比，输出端的光敏三极管受到光照后ce导通。 而当输入端无信号吋，发光二极管不亮，光敏三极管截止，ce不通。从而实现了光电的 传输和转换。电信号的传输具有单向性等特点，信号从光源单向传输到光接收器吋不会出现反馈 现象，其输出信号也不会影响输入端，所以没有电信号的干扰和反馈，避免了共阻抗耦 合的干扰信号的产生，因此光电耦合器的抗干扰能力强，性能稳定，可用于该照明

22、调压 管理系统屮。通过对光电耦合器类型的分析研究，在照明调压管理系统中，可选用线性光耦合器， 凶为其电流传输比能够在一定的范围内做线性调整，使系统稳定性更强，智能性也得到 提高。光电耦合器有很多类型，下图所示为其中一种光电耦合器原理图：还应注意，在光电耦合器的输入部分和输出部分必须分別采用独立的电源，若w端 共用一个电源，则光电耦合器的隔离作用将失去意义。2.1.5照明灯具的选择随着时代的发展，科学技术的日益提高照明灯再已经不仅仅局限于照明，选择灯再 时还应必须考虑到安全、节能、防水、耐腐蚀等参数指标。目前，景观照明中，灯具主 要有一 k几种：白炽灯、高压汞灯、高压钠灯、低压钠灯、金属卤化物灯

23、、氚灯、led 灯和光纤。门炽灯使用寿命太短，且功率比较大，耗能较多；高压汞灯种类较多，常用 于水池或树木植物的投光照明；高压钠灯发光效率较高，使用寿命为5000h,辐射的光 为金黄色，因此显色性较差，适合暖色调的建筑物；低压钠灯是单色光，是目前所有光 源屮光效最高的一种光源，苏使用寿命为19000h,适用于一般景观迷筑物的照明；金属 卤化物灯可形成不同颜色的光源，发光效率高，显色性好，其使用寿命为2000h;氚灯 工作稳定，耐低温也耐高温，但是使用寿命太短，光效较低；lh）灯以发光二极管作为 光源，较适用于需耍快速响应或高速运动的场合，另外led灯是实心的全固体结构，能 承受住震动或冲击，适

24、用于条件较为恶劣的场合；光纤是利用另外的光源通过光纤作为 传导方式，能有效的完全分离光和电，安全性很好，但是价位比较高。景观照明不需要太高的照明亮度，只有营造一个照明特色就行了，设计吋需要考虑 节能。选取的照明灯具应当使照明能耗较少到最低程度，也应使管理维护方便合理。低 压钠灯是利用低压钠蒸汽放电发光的点光源，是光袞最小和发光效率最高的点光源，它 透雾性很好，特别适合高速公路、公园、景观等场所的照明，可使人清晰地看到色差比 较小的物体，是替代高压汞灯节省电能的一种高效灯种。目前，低压钠灯有18w、26w、35w、36w、55w、66w、90w、135w等多种规格。综合考虑各种因素和各灯具的特点

25、，本 设计可选用功率为18w的低压钠灯作为景观照明的灯具。2.2按光亮度控制调压供电系统通断、按时段控制供电电压幅值2.2.1按光亮度控制调压供电系统通断景观照明节能管理系统，需要根据外界不同的的光亮度进行适当的调压控制。在光 亮度较暗或天气不好需要光照时，系统可以自动的开启照明模式；在晴天白天的时候， 不需要进行灯光照明，系统应可使照明系统自动关断。n前，光敏电阻已经被广泛的被 应用于显示和照明系统，用以w省电能的损耗。w此可选用一个光敏电阻來感受外界的 光照亮度，然后通过照明管理系统进行调节。设计系统吋利用环境光感测方案，实现照 明的o动调节。光敏电阻的选择，应当使芄输出与光强度成线性关系

26、，可以感知外界光强度并自动 调节照明亮度，从而减少电能损耗。另外其喑电流小，灵敏度高，可低照度响应，光谱 波长敏感度接近人眼，讨准确的感应光亮度，即使是阴天等天气不好需要照明时也可以 实现系统的自动照明，从而可准确的进行照明亮度的调节。2.2.2按时段控制供电电压幅值景观照明中，还需考虑一个时问问题，时间段不同，供电系统供电的电压幅值也应 随之变化，使其达到节能的最好效果。在白天时段，一般照明设施不用幵启，照明供电 系统可以暂时关断；在傍晚或夜晚时段，景观对照明设施的光亮度要求会增加。因此需 要根据时间段的不同来对电压进行幅值调节。按吋段进行电压幅值调节，就要先对吋间段进行一定的设置，选用单片

27、机即可实现。 采用电脑时钟与单片机的输入接门相连，对单片机进行时间上的编程，让其根据时间的 变化控制pwm控制电路从而实现对照明系统主电路通断的控制。2.3电压反馈环节电力系统的运行方式、线路阻抗及有功负荷和无功负荷的变化会导致电压偏差的出 现，导致了实际电压的幅值在某一时间内缓慢的变化而偏离额定电压。大型用电设备负 荷快速变化引起的冲击性负荷容易造成电压波动，导致实际电压幅值在某一个时间段内 急剧变化而偏离了额定电压，导致电压高低变化。电气设备长时间工作在电压不稳定的情况k，使用寿命会严重缩短，造成了不必要的经济损失。电压不稳定，电气设备在非 额定电压下工作，会造成电能的浪费，堉人景观照明的

28、开支。w此需要采取一定的措施 来维持电压的稳定性。电压的稳定性对照明管理调压系统有着至关重要的作用。考虑到负载瞬态响应、输 出精度、隔离输出等方面，w以采用电压反馈使电压保持在一个闹定的値，保证了电压 的稳定性。电压反馈环节最主要的部分就是高增益运算放大器，它把输出电压与参考电 压的误差放大，并产生电压误差信号。误差放大器在额定输出电压时会产生一个“零误 差”点，若输出电压偏离额定值，放人器就会改变其输出的误差电压，电源系统用此来 校止脉宽，使得输出电压冋归到额定值。由于照明电路中电压源是220v的交流电，电压反馈环节不能直接与单片机相连。 因此需要整理电路和滤波电路。整理电路是把交流电压转变

29、为脉动的直流电压，本课题 设计中选用单向全波桥式整理电路來实现交流电与直流电的转换。转换后的电压为脉动 电压，这就还需耍滤波电路将脉动宵流转换为真正的宵流，可在桥式整理电路的输出弁 联接上一个滤波电容器，利用电容可以同交流，不能同直流的特性，达到滤波的效果。 为了使通入单片机的电压不太大烧毁单片机，可在整理电路的负载两端并接一个电压 表，实吋监测流过的电压值。为了更好的维持电压的稳定，应该选用数字控制器与照明管理调压系统中的电压反 馈部分连接。数字控制器是计算机控制系统的核心，其通常是利用计算机软件编程，完 成特定的控制算法。数字控制器采用双环控制的pid调节，外环设计为电压存效值控制 环，进

30、行数字滤波，获得输出电压的有效值；内环设为电压瞬时值反馈环，控制输出电 压的瞬吋值，内环控制器采用pd控制器，可以保证系统有足够的稳定裕度。这也保证 了在负载变化或系统受到干扰后仍讨维持输出电压有效值的稳定性，克服了干扰对输出 电压波形的影响，改善了控制系统的动态性能和稳态性能。数字控制器，信号进入a/d转化器盾要经过采样过程和量化过程两个过程。在采样 过程后得到离散信号，在时间上是间断的。量化过程是把离散信号表示成最小位二进制 的整数倍，成为数字信号，也就是编码。经过a/d转化，连续的吋ikk言号变成离散的数 字信号。因为数字信号位数有限，所以具有有限的精度。w此也就在转化的时候存在一 些误

31、差。这个有误差的信号后来进入d/a环节，苒经历解码和复现两个过程。复现是把 离散信号复现为连续模拟信号直接控制连续的被控对象，而离散信号不能够直接控制连续的被控对象。这带误差的信号与a/d转化前的信号之1x1的误差就是引起数字控制器精 度的原因。通过对数字控制器误差的分析和a/d位数对控制精度的影响的研究，得出a/d位数 与d/a位数一致和不一致时两信号之间的误差，也就明确了数字控制器的精度。当a/d 位数与d/a位数一致，均为8位时，误差为0.39%，景观照明节能管理系统的供电电压 为220v,其误差也就为0.858v,因此控制精度为0. 858v,满足了其为± iv的需求。因 此

32、一般选用a/d位数为8位的就能满足控制要求。综合考虑，可以选用tcl549。tlc549 是一种低价位、高性能的8位a/d转换器，以8位开关电容逐次逼近的方法实现八/d 转换，其转换速度小于17us,电源为3v至6v。它可采用三线申行接ui方式方便直接 的与各种典型的8位或16位的微处理器相连，构成廉价的测控应用系统，无须附加逻 辑接口电路，且能与cmos及ttl兼容。其接线图如卜*:u80.1 ， 0.2 <3 0.3 <3sclkref-ref+ainaintlc5492.4单片机控制电路的设计及应用随着科学技术的不断发展，单片机因具有体积小、可靠性高、适应温度范围宽、抗 干扰

33、能力强、价格低、易扩艘、功能强、功耗低等优点，越來越多的代替电气控制产品， 其主要广泛的应用于监测和控制系统中。mcs-51单片机是比较常用的单片机，使用十分 方便，所以木次设计可选用89c51,其内部有4kb的程序存储器，不需要外部扩展，是 硬件电路简单。2.4.1 89c51单片机的介绍mcs-51单片机的内部结构主要乜括cpu、只读存储器rom、随机存储器ram、定时 器/计数器、1/0接口电路、屮断系统、串行口、特殊功能寄存器sfr等部件。共包含44只引脚，其中4只是无用的引脚。89c51单片机的主要工作特性如下：1、片内程序存储器内含4kb的flash的程序存 储器，擦写寿命为100

34、0次，片内数据存储器内含128字节的ram; 2、具有32根可编程 i/o 1_1和两个可编程的定时器；3、中断系统具有5个中断源和两个中断优先级；4、申 行口是具有一个全双工的可编程串行通信口； 5、低功耗工作模式有空闲模式和掉电模 式两种；6、其工作电压电压为5v,最高工作频率为24mhz。18xtal1xtal2rstpsenaleeap1.0 p1.1 p1.2 p1.3 p1.4 p1.5 p1 6 p1.7po.o/adopo.1/ad1p0.2/ad2p0.3/ad3p0.4/ad4p0.5/ad5p0.6/ad6p0.7/ad7p2.0za8p2.1/a9p2.2/a10p2.

35、3/a11p2.4/a12p2.5/a13p2.6/a14p2.7/a15p3.0/rxdp3.1/txdp3.2/int0p3.3/int1p3.4zt0p3.5/t1p36/wrp3.7/rdat89c5189c51单片机的功能如下：rst：复位输入信号，高电平有效。在振荡器稳定工作吋候，在rst脚施加两个机 器周期（即24个晶振周期）以上的高电平，将器件复位。vcc电源电压输入引脚。gnd接地。xtal1片内振荡器反相放大器和时钟发生电路的输入端。使用片内振荡器时，连接 外部石英晶体和微调电容。xtal2片内振荡器反相放大器的输出端。当使用片内振荡器时，外接石英晶体和微 调电容。当使用外

36、部振荡器吋，引脚xtal1接收外振荡器信号，xtal2悬空。p0 u： 8位漏极开路双向8位三态i/o !_!, p0 u可驱动8个t7l负载。当p1u的管脚第一次写1吋，被定义为高祖输入。能够用于外部程序数据存储器，可以被定义为 数裾/地址的低八位。p0 口也可作通用i/o 口使用，但需要加上拉电阻，变为准双向门。 当作为普通输入吋，应将输出锁存器置1。在ftash编程时，p0 口作为原码输入口，当 fiash进行校验时，p0输出原码，此时p0外部必须被拉高。p1 口：带内部提供上拉电阻的8位准双向1/0 口，可驱动4个ls型ttl负载。p1 口管脚写入1吋，被内部上拉为高，可用作输入，p1

37、 口被外部下拉为低电平吋，由于内 部上拉的缘故将输出电流。在编程和校验时，讨用做输入低8位地址。用做输入时，应 先将输出锁存器置1。p2 u：带内部上拉电阻的8位准双向i/o u，也可作普通i/o u使用。p2 1_1缓冲 器可接收、输出4个ttl门电流，当p2 口被写1时，其管脚被内部上拉电阻拉高，作 力输入。作力输入吋，p2 口的管脚被外部拉低，将输出屯流。用做输入吋，应先将输出 锁存器置1。当用于外部程序存储器或16位地址外部数椐存储器进行相取时，输出地址 的高八位。p3 u：带内部上拉电阻的8位准双向i/o 1_1,双功能复用u,可驱动4个ls型7tl 负载，可作为普通的i/o 口。用

38、做输入时，应先将输出锁存器置1。在编程/校验时，p3 口接收某些控制信号。还可提供各种替代功能。另外，p3门也可作为单片机89c51的一些特殊功能门：p3.0 rxd （串行输入口）p3. 1 txd （串行输出口）1）3.2 /into （外部中断0）p3. 3 /int1 （外部中断1）p3.4 t0 （记时器0外部输入）p3.5 t1 （记时器1外部输入）p3.6 /wr （外部数据存储器写选通）p3.7 /rd （外部数据存储器读选通）p3 口同吋可为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。2.4.2 89c51单片机的复位、晶振电路的设计at89c51单片机复位、晶振电路如下图：22pf

39、5vc3 di丫 1 12mhz19u1r21k1oufxtal1xtal2rstr110k2930"3tsenpa p a eex yt2/t2.qt-2345.6.7 pppppppppoozado po 1zad1 p0 2/ad2 po 3/ad3 p0 4/ad4 po 5/ad5 p06zad6 po 7zad7p2(va8 p2 1/a9 p2 2/a10 p2 3/a11 p2 4/a12 p25/a13 p2 6/a14 p2 7/a15p3q/rxd p3.1ftxd p3 24nt0 p3 3/1nt1 p3 4/t0 p3 5h1 p3 6n p37zrd-3

40、9-22.36-3221_2i-252610"tt互1316 17at89c51如上图所示，晶体振荡器、电容和上电复位电路构成单片机的最小系统。品振电路 是给单片机提供时钟信号。复位电路提供单片机复位功能，上电时可给单片机rst脚提 供相应的复位电平信号。如上图所示晶振电路，电容c2、c3可起频率微调作用，电容值在5pf30pf之问 选择，木电路选22pfo s体振荡器选用12mhz的高稳定无源品体振荡器，它与89c51 中的反向放大器构成振荡器，给cpu提供高稳定的时钟信号。上图复位电路具有上电复位的功能，电阻给电容充电，电容的电压缓慢上升直到 vcc,没到vcc吋芯片复位脚近似低

41、电平，于是芯片复位，接近vcc吋芯片复位脚近高 电平，于是芯片停止复位，复位完成。如图所示，当给系统上电时c1有一个充电放电 的过程，放电过程中会产生一个高电平。单片机正常工作时，按下幵关sl，rst端的电 平为高电平，此时芯片也会产生一个高电平复位信号。2.4.3 89c51单片机键盘输入模块、显示器的设计键盘分为编码键盘和非编码键盘，键盘上闭合键的识别巾专门的硬件编码器实现， 并产生键编码号或键值的称为编码键盘，比如计算机键盘；而非编码键盘是靠软件编程 来识别的。在单片机组成的各种系统屮，应用最广泛的就是非编码键盘，本课题的设计 也采用非编码键盘。非编码键盘又分成独立键盘和行列式（矩阵式）

42、键盘。独立式键盘是指各按键相互独立的接通一条输入数据线，即每个按键都需接一个i/o 口，各按键之间相互独立，因 此会占用比较多的i/o门，不适合在按键较多的场合应用，但是电路简单。当任何一个 按键按下吋，与之相连的输入数据线即可读入数据0,未按下时读入1;而行列式（矩 阵式）键盘以n个端u连接控制n*n个按键，实时在显示器上显示按键信息，省卜'来很 多的i/o端口。矩阵式键盘用n条i/o线作为行线，n条i/o线作为列线组成的键盘。 在行线和列线的每个交叉点上设置一个按键，这样键盘上的按键就有n*n个，这种结构 讨以有效的提高i/o的利用率，但是矩阵式键盘编程比较复杂，制图较独立式键盘繁

43、杂。 木课题的研究中，需要采用按键对吋间和电压值进行相应的设置，不需要太多的按键， 因此采用独立式键盘进行系统设计即可。如左不图所示，单片机p0. 4-p0. 6接三个控制 电压值和时间段的按键，如a下图所示，p3.5-p3.7接三个没置年月日的按键。年月日设置 设置o oo 3.5»>o oo 3 6+-c> 37灯开关，时间段和电压值设置o oo 0.4»>i1ooo 0.5单片机显示器模块，一般分为两种。第一种是采用多个数码管显示，其利用二极管 发光显示字母和数字，w此亮度较大，价格低，接口设计也比较简单。但是它妞示的信 息量有限，不能够显示汉字，工

44、作电流也比较大，所以在应用中会受到很大的限制。第 二种是采用液晶显示，它功耗低，使用寿命长，不产生辐射污染，并且兵省汉字显示功 能，不仅可以实现基本的显示信息，还对以显示各种符号丰富信息量，被广泛应用在单片机系统和智能仪器仪表屮。通过对上述两种显示方式的对比，本课题系统米用第二利1 m示模块。为了兑服lcd模板比较脆弱的特性，fi前都己将lcd控制器、驱动器、ram、 rom和lcd显示器用pcb连接到一起，我们称之为液晶显示模板（lcm）。组成的模块可以 以8位二进制数的形式，生成32个字符。若用单片机进行对lcm的控制，可向lcm输入相 应的命令和数据，就可实现对所需内容的显示。lcm般有

45、包拈8条数据线、3条控制线、 3条电源线在内的18个引脚。通过对各种类型液晶显示器的分析对比，本课题讨采用lcd12864液晶显示器。其工 作电压在4.5v-5.5v之间，工作电流为2ma,低电压低功耗，具有4位/8位并行、2线或3 线串行多种接u方式，其接u简单，操作方便。木课题设计中，lcd12864的db0-db7对 应p1 口的各个引脚，rst接电源，cs2、cs1、di、r/w、e分别接单片机p2. 3-p2. 7。lgm1264ibs 1r显示电路如卜*:lcd1lgm12641bs1r§ 3soano ooa 0>5變山0s5asasasqsqsazs庭mo>

46、;，<oincocmg>00<dto卜 |ro|cl7vrcpmtcocmo- ch-<pmtco(ioqqqqqqqoqqqqqooqqqqqqqqq2.5本章小结本章节，主要对景观照明节能管理系统主电路进行了设计，选取了接触器、晶闸管、 空气开关和电气隔离装置的规格型号；也对实现按光亮度控制调压供电系统通断、按时 段控制供电电压幅值进行了相应的研究分析；为了保持电压的稳定性和准确性，设计了 电压反馈环节，并利用数字控制调节器来调节电压的稳定性，保证了电压的控制精度； 本设计采用89c51单片机来进行相应的控制，本章也扼要的介绍了89c51单片机的功能及 应用，并设计

47、出了复位和晶振电路，完成了单片机最小系统的设计，同时也设计出了单 片机键盘输入模块和显示器，从而完成了对单片机最基木的设计。3景观照明光传感器模块及实时时钟的设计为了实现照明管理系统按光亮度控制调压系统的通断和按吋段控制供电电压的幅 值，系统中还需要光敏电限来感测外界光亮度，需要电脑时钟来确定准确的时间，实现 照明的智能化、节能化。3.1光敏电阻的选择照明调压管理系统中，主要照明设施是灯泡，对传感器的信号要求比人眼看到的数 暈耍高的多。若要通过对外界光亮强度的感测控制照明调压系统，则需要脉冲（开关） 式光电开关传感器和单片机来实现。当外界环境较暗需要照明时，脉冲（开关）式光电 幵关传感器给单片

48、机一个触发脉冲，使得单片机控制的主电路接触器导通，照明电路幵 始工作。照明调压管理系统中，主要照明设施是灯泡，对光亮度的信号要求比人眼看到的数 景耍高的多。通过参考文献，发现光敏电阻5516可以满足系统设计的耍求。在外界环境 较暗时，其电阻值为140m欧姆，外界环境较明亮时（100lx）,它的阻值仅有儿百到儿 千欧姆。其对光的敏感性与人眼对可见光的响应很接近，只有人眼可感受到的光，都会 引起光敏电阻5516阻值的变化。因此可对应l2c bus接口对应l2c bus接口使照明调压管理 系统能够根据光照强度的范围进行编程，更好的优化该感测系统。如下图所示，当有光 照吋，光敏电阻的阻值变小，比较器3

49、点的电压降低，当其低于比较器2点的电压时， 比较器lm358输出低电平信号。当没省光照时，光敏电阻阻值变大，比较器3点电压升 高，高于比较器2点的电压时，比较器lm358输出高电平信号。滑动变阻器可用来调节3.2实时时钟模板的设计为了实现景观照明节能管理系统能够按照时段控制供电电压的幅值，需要一个实时 吋钟提供定吋、测控。单片机根据实吋吋钟显示的吋间的变化而改变对pwm的控制，从 而控制了供电电压。目前实时时钟的集成电路有很多种，如ds1302、ds1307、pcf8485等,这些电路的 接u比较简单，价格也和对便宜，均被广泛的应用在计时电路中，木课题只需要选择合 适的芯片即可。ds1302可

50、实时显示时间，可对年、月、日、时、分、秒进行计时。它采 用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能， 工作电压为2. 5-5. 5v,采用普通的37. 768hz晶振。木课题设计要求按照吋段控制电压幅值，可通过编程，设置电压在不m吋间段的不 同幅值，夜间电压值要相对高些，满足景观照明的需求，在白天时段，设置电压值比较 低，然后再配合按光亮度控制调压系统的通断，实现了景观照明的节能化、智能化。2.0 <j 2.1 <0 2.2 <3vcc1vcc2x1rstsclki/ox2x137.768mhzds13023.3本章小结本章节，主要就景观照明系

51、统按光亮度控制调压系统的通断和按时段控制供电电压 的幅值进行了光敏电阻的选择和吋钟模板的设计。选择了对光的敏感性与人眼对可见光 的响应很接近的光敏电阻5516,实现了对外界光亮度的感测，把信号传给单片机进行对 照明电路的控制。时钟模板屮，选用ds1302来进行对时段电压幅值的控制。使得照明电 路电压值在不同的吋1x1段具有不同的幅值。4景观照明节能管理系统中同步检测的设计近年来，双向可控硅因其效率高、控制特性好、可靠性高等优点，获得了快速的发 展，已成为自动控制领域中重要的组成部分。双向可控硅是一种功率半导体器件，也称 双向晶闸管，在单片机控制系统中，讨作为功率驱动器件，由于双向可控硅没有反向

52、耐 压m题，控制电路简单，因此特别适合做交流无触点开关使用。双句可控硅接通的般 都是一些功率较大的用电器，凡连接在强电网络中，其触发电路的抗干扰问题很重要， 通常都足通过光电耦合器将单片机控制系统屮的触发信号加载到可控硅的控制极。为减小驱动功率和可控硅触发吋产生的干扰，需要采用触发电路。双向可控硅是否得以成功 应用，关键在于其触发电路。其触发电路有两种：移相触发和过零触发。移相触发负载 上的电压吋有缺角的正弦波，容易造成电源波形畸变，产生的高频电磁波而干扰周围电 了设备的止常工作，因此触发电路一般采用过零触发。木课题的设计也采用过零触发。 过零触发足指在电压为零或零附近的瞬间接通。要采用过零触

53、发，电路还需止弦交流电 过零检测电路。过零检测，是指交流电压过零点被自动检测进而产生驱动信号，使双向可控硅在此 吋刻开始导通。现在过零检测技术与光耦隔离技术相结合，釆用过零检测给主芯片提供 一个标准，该标准的起点是零电压，双向可控硅导通角的大小就依靠这个标准。如下图 所示，当正弦交流电压接近于零时，光电耦合器u1的发光二极管截止，导致三极管q1截 止，三极管q1的输出端接反向器与单片机into引脚相连，再接一反向器与int1引脚相连。 在中断服务子程序中使用定时器累计移相时间，然后向双向可控硅发出同步触发信号。 从而实现照明电路得到完整的正弦波。为了实吋的检测电压的稳定性，景观照明管理系统还增

54、设了测电压波形的示波器， 可测得不同时间段的电压波形，更加直接的清晰的z解到电压的波动情况，便于进行调 压控制。景观照明节能管理系统模型人体如下，通过光敏电阻对外界光环境的感测，给单片 机发出信号，使其通过控制双句可控硅和接触器控制照明主电路的通断，实现根据光亮 强度控制调压系统的通断。另外，时钟模板与单片机连接，对单片机进行相应的编程， 让其根据不同的时间设置照明电路不同的电压幅从而实现了根据时间控制照明电路 的通断。另外，本课题设计了电压反馈环节，将交流电压通过整流电路、滤波电路转换 为直流电，在通过tlc549将模拟信号转换为数字信号传给单片机，用单片机对照明电路 电压进行调压控制。从而

55、，使照明电路实现了智能化，减少了电能的损耗。5景观照明节能管理系统的节能效果本课题设计中采用的是功率为18w的低压钠灯作为照明系统的照明装置。低压钠灯 的光源光效为1401m/w,而普通灯泡为201m/w,因此选用的功率18w的低压钠灯进行照 明亮度大约相当于120w的普通灯泡照明的亮度。景观照明节能管理系统，设计的是能够根据光亮度控制调压系统的通断，并可以按 照吋段控制照明电路的电压幅值，使电能合理的利用，节能电能。本设计屮，将吋间段 分为白天6:00一18:00和夜间18:006:00两个时间段。白天时段电压为150v,另外根 据外界环境光亮度控制照明的通断，夜间吋段电压设为220v。以一

56、年时间为例计算该景观照明节能管理系统设计的节能效果。景观照明按安装 1000只照明没置来计算。采用普通灯泡进行照明时，消耗的电能如下：1000 只m20w/只m2 小吋/天*365 天/年=525600000w/小吋=525600 度当采用该景观照明节能管理系统时，采用低压钠灯进行照明，照明电路夜间电压为 220v,白天巾于光亮度较大，照明电路电压为0v,若遇天气不好，外界较暗吋，电压为 150v,按一年中有35天天气不好需要照明来计算，该设计系统消耗的电能如卜1000 只*12 小时/天* (18w/只*365 天/年+150*150/ (220*220) *18w/只*35 天/年) =8

57、2354462. 8w/小时=82355 度通过对上述两种照明方式的对比计算，得出了景观照明节能管理系统的节能效果 为：1- (82355/525600) *100%=84. 2%,可见，通过采用该设计系统，可节省大量的电 能o结论随着毕、ik口子的临近，我的毕设设计也基本上接近了尾声。在这这学期差不多三个 月的吋间里，我完成了毕业设计的工作。在做毕业设计的整个过程中，我学到了很多知 识，不只是局限于系统设计或编程作图等专业技能，而它更多的是锻炼y我的思考力和 耐力。毕业设计吋大学本科学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次 对景观照明节能管理系统的设计，我了解到自己对本专、ik

58、认识的局限性，自匕很难将所 学的知识与实际生活联系起来；同吋，通过这次毕业设计我也学到了很多东西，增加了 我的专业知识与技能。在选完毕业设计课题后，我开始查阅各种文献资料，了解所应具有的知识。景观照 明节能管理系统的设计，首先应该明白大致的流程图，懂得怎么去实现节能，而后就是 选择器件、编程和仿真。在选择器件的时候，由于没有设计经验，感觉无从下手，不知 道选哪个，经过刘老师的悉心指导，我渐渐有了头绪，通过从m上查阅文献资料，再根 据实际应用中的效果选择合适的景观照明管理系统的器件。编程时用的c语言，在编程 的过程中，程序出现了一些差错，得到了同学的及时指正。接下来的仿真对我来说有点 困难了，因为我对protcus软件的作图和仿真不太熟悉，应用的不熟练，