照明是城市基礎(chǔ)設(shè)施的組成部分，在城市的交通安全,、社會(huì)治安,、人民生活和市容風(fēng)貌中居于舉足輕重的地位，并發(fā)揮著不可替代的作用,，也標(biāo)志著城市實(shí)力和成熟的程度?，F(xiàn)有的城市路燈70％以上使用的都是高壓鈉燈,，其設(shè)計(jì)壽命為24 000小時(shí)(5年),。但是，由于電壓波動(dòng)大,，許多地區(qū)的波動(dòng)甚至超過額定電壓的15％,，特別是在后半夜，由于電負(fù)荷減少,，使得電網(wǎng)電壓有時(shí)接近245 V,，高電壓不但浪費(fèi)了電能，還縮短了燈泡的使用壽命,，事實(shí)上,，現(xiàn)在城市路燈的實(shí)際使用壽命平均不到一年。
目前,，在供電電源端節(jié)能的方式主要有兩種,，一是采用半夜燈，二是采用調(diào)壓方式,。并夜燈是通過在下半夜關(guān)掉一部分照明燈的方法來達(dá)到節(jié)能,，它具有簡(jiǎn)單易行的特點(diǎn)，缺點(diǎn)是道路照明不均勻,，且無法解決下半夜電壓高而影響光源壽命的問題,，也不適用于商場(chǎng)、學(xué)校這些室內(nèi)場(chǎng)所。而通過降低供電電壓的方法不但可以節(jié)能,，還可延長光源的壽命,，是一種較好的節(jié)能方式。
為此本文提供了一種基于C8051F310單片機(jī)的節(jié)電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,，該系統(tǒng)能針對(duì)電網(wǎng)電壓偏高和波動(dòng)現(xiàn)象,，并根據(jù)用戶現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求，實(shí)時(shí)在線調(diào)控輸出最佳照明工作電壓,，以將其穩(wěn)定在允許的范圍內(nèi),，從而提高電力質(zhì)量，節(jié)約照明用電,，延長燈泡的使用壽命,，十分適用于路燈、學(xué)校,、商場(chǎng)等室內(nèi)和室外的照明節(jié)電控制,。
1 基本設(shè)計(jì)思路
本文所設(shè)計(jì)的路燈控制器采用自耦變壓器形式調(diào)整負(fù)載路燈的電壓，自耦變壓器的一,、二次側(cè)線圈不僅有磁的聯(lián)系,，還有電的聯(lián)系，所以,，在輸出電壓調(diào)節(jié)范圍不大時(shí),，它的容量比較小，所以消耗的材料小,，造價(jià)低,，效率高，其最大的優(yōu)點(diǎn)是克服了可控硅斬波型產(chǎn)品產(chǎn)生諧波的缺陷,，實(shí)現(xiàn)了電壓的正弦波輸出,，其結(jié)構(gòu)和功能都很簡(jiǎn)單，可靠性也比較高,。
圖1所示是一個(gè)路燈照明節(jié)電系統(tǒng)的基本框圖,。該路燈節(jié)電控制器要實(shí)現(xiàn)的基本設(shè)計(jì)思路是通過閉合在自耦變壓器二次邊不同變比的四個(gè)觸點(diǎn)開關(guān)，使路燈兩端電壓在電網(wǎng)電壓變化時(shí)(主要是夜間電網(wǎng)電壓偏高時(shí))能夠自動(dòng)穩(wěn)定在一預(yù)設(shè)值,。
熒光燈是一種利用汞放電產(chǎn)生紫外輻射來激發(fā)熒光粉層而發(fā)光的低氣壓放電燈,，是目前工廠、大廈,、商場(chǎng),、機(jī)關(guān)、學(xué)校和家庭照明的一種主要電光源,。表1給出了熒光燈的照度,、壽命與電壓的關(guān)系(令額定電壓下的壽命為1)。
由表1可知，若電網(wǎng)電壓為額定電壓220 V,，采用90％額定電壓供電時(shí),，燈具壽命可延長一倍，照度衰減7％,。從人體視覺學(xué)可知,，人的眼睛對(duì)光強(qiáng)度變化的感覺是按對(duì)數(shù)關(guān)系計(jì)算的，照度衰減7％,，人的視覺能夠感覺到光線變暗1．6％,，此時(shí)節(jié)約電能19％，可以達(dá)到最佳能效比,。如電網(wǎng)電壓超過220 V,，則節(jié)能率一般在20％以上。所以,，90％額定電壓為室內(nèi)照明供電最優(yōu)運(yùn)行與節(jié)能電壓,。
1．1 觸點(diǎn)開關(guān)設(shè)置方案
由以上分析可知，90％的額定電壓為路燈或室內(nèi)照明最優(yōu)運(yùn)行與節(jié)能電壓,，即200伏,。我國電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)為220 V(-15％~+10％)，即電網(wǎng)電壓的波動(dòng)范圍為187～242 V,。假設(shè)電網(wǎng)電壓在以上電壓范圍內(nèi)波動(dòng),，并設(shè)自耦變壓器各路開關(guān)變比分別為a0、a1,、a2,、a3,，那么,，可以取電網(wǎng)波動(dòng)的四個(gè)電壓點(diǎn)來計(jì)算設(shè)定自耦變壓器的變比，以使電網(wǎng)電壓在這四個(gè)點(diǎn)的時(shí)候,，變壓器輸出均為200V,，這四個(gè)點(diǎn)為200V，210V,，220V,，230V。
設(shè)旁路變比為1,，即當(dāng)電網(wǎng)電壓為200 V時(shí),，其變比a0=1，則其他各路開關(guān)的變比為：a1=0．95,，a2=0．90,，a3=0．87。以這四個(gè)點(diǎn)為中心，我們可以把電壓波動(dòng)的范圍分成4個(gè)段,，如圖2所示,。設(shè)電網(wǎng)電壓為X，輸出電壓為Y,，變比為ax,。
由圖2可知，其輸出電壓值的精度至少可達(dá)到94．3％,。
現(xiàn)以冬季為例需要為道路照明的時(shí)間為17：00至次日6：00,。根據(jù)電壓觀測(cè)的結(jié)果，電網(wǎng)電壓通常應(yīng)穩(wěn)定在220 V左右,，但在半夜0：00至次日6：00,，由于電網(wǎng)負(fù)荷小，電網(wǎng)電壓會(huì)逐漸攀升至230 V,。據(jù)此可以計(jì)算出節(jié)電率,。其電壓調(diào)整前的耗電量：
通過計(jì)算可知，其節(jié)電率可達(dá)21％,。
1．2 電壓控制方案
設(shè)輸入電壓為X,，輸出電壓為Y；t時(shí)刻的電網(wǎng)輸入電壓為X(t),，觸點(diǎn)開關(guān)跳變值為P,，那么，可以先通過下式判斷輸入電壓X處于上升階段還是下降階段：
若某路在t時(shí)刻的輸入電壓大于(t-1)時(shí)刻的輸入電壓,，則輸入電壓處于上升階段,。設(shè)定電壓跳變值為P，即電壓上升到P+2時(shí),。觸點(diǎn)開關(guān)跳變,。反之，若某路t時(shí)刻的輸入電壓小于(t-1)時(shí)刻的輸入電壓,，則輸入電壓處于下降階段,，若設(shè)定電壓跳變值為P，即電壓下降到(P-2)時(shí),，觸點(diǎn)開關(guān)跳變,。
其中，可以設(shè)定4 V的回差,，以使電壓在上升和下降兩個(gè)階段有兩個(gè)不同的閾值,。設(shè)置該回差是為了保證觸點(diǎn)開關(guān)在輸入電壓波動(dòng)頻繁時(shí)不會(huì)隨之出現(xiàn)頻繁跳變。
1．3 采樣方案
針對(duì)該系統(tǒng)的電網(wǎng)電壓幅值變化不是很快的特點(diǎn),，該路燈控制器的采樣速度和采樣精度的要求都不需要很高,。而微控制器C8051F310自帶的10位AD轉(zhuǎn)換器本身的精度就能滿足系統(tǒng)要求,。信號(hào)經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換之后，再由微處理器計(jì)算相應(yīng)電壓的有效值,，并進(jìn)一步進(jìn)行判斷即可,。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低,，且足夠滿足采樣速度和采樣精度的要求,。
A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度，是由其參考電壓和輸出字段長度共同決定的,。所謂轉(zhuǎn)換精度是指一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器可以對(duì)最小電壓變化的監(jiān)測(cè)能力,。實(shí)際上，轉(zhuǎn)換精度就是A／D轉(zhuǎn)換器的最小步進(jìn)電壓,，只需將MD轉(zhuǎn)換器的參考電壓與該轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換值的數(shù)量相除,，就可以得到該電壓值。
由于C8051F330采用3．3 V作為基準(zhǔn)電壓,，故其轉(zhuǎn)換精度為3．3／1024,，即3．22 mV，完全可以滿足本系統(tǒng)的精度要求,。
1．4 遠(yuǎn)程通訊控制方案
遠(yuǎn)程通信是指多臺(tái)路燈控制器與PC機(jī)之間的通信,，便于用戶對(duì)分布在各處的路燈控制器的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，本系統(tǒng)通過C8051F310自帶的UART口和PC機(jī)的串口進(jìn)行通信,，以將檢測(cè)到的各種狀態(tài)信息傳給上位機(jī)(如電網(wǎng)的電壓,，A、B,、C各相的電流,，以及路燈控制器所處的各個(gè)狀態(tài)等等)，而用戶則可根據(jù)上位機(jī)的軟件來選擇要監(jiān)控的路燈控制器,，然后根據(jù)其狀態(tài)來發(fā)出各種控制命令,，如旁路或者選擇節(jié)能所處的檔位。
鑒于采用的是一臺(tái)PC機(jī)對(duì)多臺(tái)路燈控制器的方式,，故可采用偵聽方式來規(guī)定其通信協(xié)議,，即給每一臺(tái)控制器分配一個(gè)通信地址,。通信開始之前,，主機(jī)先發(fā)送通信地址，每一臺(tái)控制器都接收這個(gè)地址,，然后與自身的地址相比較,，地址匹配的路燈控制器開始與主機(jī)通信，其它的保持偵聽狀態(tài),。這樣,，用戶就可方便地對(duì)任何一臺(tái)控制器進(jìn)行監(jiān)控,。
綜合考慮總線的傳輸距離和抗干擾能力等因素，本設(shè)計(jì)在控制板上采用RS-485接口,，并采用差分方式傳輸信號(hào),，故其抗共模干擾的能力很強(qiáng)。
2 硬件設(shè)計(jì)
本節(jié)電控制系統(tǒng)的硬件部分主要包括微處理機(jī),、電壓檢測(cè)電路,、電流檢測(cè)電路、觸點(diǎn)開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路,、時(shí)鐘及通訊接口電路等,。當(dāng)電網(wǎng)電壓經(jīng)整流濾波電路被采集到微控制器后，微控制器將通過自帶的AD轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換,，然后通過運(yùn)算來確定此時(shí)需閉合的變壓器副邊開關(guān)位置,，同時(shí)發(fā)出命令使相應(yīng)繼電器驅(qū)動(dòng)與其對(duì)應(yīng)的觸點(diǎn)開關(guān)閉合，從而實(shí)現(xiàn)其基本功能,。KEY電路包含外部的一些手動(dòng)邏輯控制,。圖3所示是本系統(tǒng)的硬件電路框圖。
2．1 電壓檢測(cè)電路
本系統(tǒng)中的電壓檢測(cè)電路框圖如圖4所示,。該電路中包括有各種信號(hào)調(diào)理電路,。其電網(wǎng)電壓經(jīng)220 V／7．5 V變壓器之后，再通過運(yùn)放組成的比例放大器調(diào)整其幅值,，然后通過全波整流電路將其變成直流,，再經(jīng)過RC濾波電路之后進(jìn)入微控制器進(jìn)行AD采樣。
電流檢測(cè)電路的結(jié)構(gòu)與電壓檢測(cè)電路基本相同,，只不過電流是通過電流互感器之后,，再轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，其信號(hào)調(diào)理過程基本一致,。
2．2 觸點(diǎn)開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路
圖5所示是觸點(diǎn)開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路的示意圖,。在圖5中，微控制器的輸出可通過驅(qū)動(dòng)電路接到三極管,，以控制其通和斷,，并由此來控制繼電器線圈的通和斷，再通過繼電器控制自耦變壓器觸點(diǎn)開關(guān)的通和斷,。
2．3 通信接口電路
本節(jié)電器和PC機(jī)的通信采取串口通信,，使用的是微控制器的UART口，其中RX0為微控制器接收信號(hào),，Txo為微控制器發(fā)送信號(hào),。UART口通過專用的RS485芯片將信號(hào)發(fā)送到總線或從總線上接收信號(hào)。其電路圖如圖6所示,。
圖中的光耦起到了隔離作用,，用于防止微控制器被其它信號(hào)干擾,，防雷一般采用的是瞬態(tài)二極管。
3 軟件設(shè)計(jì)
圖7所示是本系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)流程圖,。當(dāng)系統(tǒng)開機(jī)之后,，微控制器首先初始化，然后啟動(dòng)內(nèi)部定時(shí)器進(jìn)行電流和電壓采樣,。如果電流過流,，控制器將使整個(gè)系統(tǒng)旁路，以免燒毀元器件,，之后,，微控制器再對(duì)采集到的電網(wǎng)電壓進(jìn)行分析，以判斷自耦變壓器應(yīng)該處在什么檔位,。并結(jié)合PC機(jī)傳給控制器的命令來綜合分析應(yīng)該采取的動(dòng)作,。
通信程序應(yīng)保障計(jì)算機(jī)與單片機(jī)之間的聯(lián)系暢通并能實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信。當(dāng)開機(jī)之后,，連接在總線上的每一臺(tái)設(shè)備都將分配一個(gè)通信地址,。計(jì)算機(jī)要與哪一臺(tái)設(shè)備通信，可以通過控制界面進(jìn)行選擇,，從而監(jiān)控每臺(tái)設(shè)備的信息,，并可通過遠(yuǎn)程發(fā)送控制命令。此時(shí),，總線上的每臺(tái)設(shè)備都接收到計(jì)算機(jī)發(fā)出的信息,，而只有通信地址與信息中包含的地址相匹配的設(shè)備才可以做出相關(guān)的動(dòng)作，同時(shí)獲得向計(jì)算機(jī)發(fā)送自身狀態(tài)信息的權(quán)利,。
4 結(jié)束語
實(shí)驗(yàn)表明,，該節(jié)電裝置實(shí)現(xiàn)起來簡(jiǎn)單方便，可靠性較好,，通過在重慶機(jī)務(wù)段的廣場(chǎng)照明實(shí)驗(yàn),，其節(jié)電率可達(dá)20％以上，基本符合理論計(jì)算的結(jié)果,，可以滿足節(jié)電照明的商業(yè)化要求,，能實(shí)現(xiàn)長期安全可靠的運(yùn)行。