路燈節(jié)能的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

李茹雪

（淮北市市政工程管理處，安徽 淮北 235000）

1 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

1.1 智能路燈控制系統(tǒng)

該智能路燈節(jié)能系統(tǒng)主要由電量檢測(cè)電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、自耦變壓器電路、顯示電路及載波通信等電路組成。將一年大致分為三個(gè)季節(jié)段來對(duì)路燈進(jìn)行控制，使其在不同的季節(jié)有不同的開關(guān)燈時(shí)間。而從開燈到關(guān)燈根據(jù)當(dāng)?shù)亟煌ㄓ挚纱笾路譃槿齻€(gè)階段(高峰、正常、低谷)來對(duì)路燈進(jìn)行控制。從實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片中將當(dāng)前的路燈工作狀況進(jìn)行相應(yīng)的歸類，由單片機(jī)輸出控制接觸器的線圈的斷合，而其觸點(diǎn)的輸出分別控制自耦變壓器的三個(gè)觸頭，對(duì)應(yīng)著四個(gè)檔位，每個(gè)檔位對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的路燈電壓。由于電力傳輸中有諧波干擾造成電力不穩(wěn)，要時(shí)刻檢測(cè)路燈的電量，以電量芯片ATT7028 檢測(cè)出電流或者電壓過高或者過低，將得到的信息傳給AT89C51 單片機(jī)，單片機(jī)同時(shí)與鐵電存儲(chǔ)器的信息相比較，如果發(fā)現(xiàn)電流或者電壓過高或者過低，單片機(jī)馬上做出調(diào)整，適當(dāng)?shù)亟档突蛘呱唠妷海詫?shí)現(xiàn)對(duì)路燈過載、過壓等各種功能進(jìn)行控制，用電力載波通信技術(shù)將現(xiàn)場(chǎng)情況傳送至監(jiān)控室。

1.2 電量檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

電量采集模塊主要完成路燈電流和電壓的數(shù)據(jù)采集。將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為ADC 電路可采集處理的模擬信號(hào)，通過電量芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送到單片機(jī)中，檢測(cè)電壓和電流是否超載，依據(jù)此來控制電路負(fù)載的電壓。設(shè)計(jì)中采用三相電能專用計(jì)量芯片ATT7028A，適用于三相三線和三相四線應(yīng)用，能夠測(cè)量各相以及合相的有功功率、有功能量，同時(shí)還能測(cè)量各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)，充分滿足三相復(fù)功率多功能電能表的需求。同時(shí)將電量信號(hào)存入到鐵電存儲(chǔ)器AT24C24 里，該存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)不易丟失，以便有功電能歷史記錄的查詢。ATT7028A 提供一個(gè)SPI 接口，方便與外部單片機(jī)之間進(jìn)行計(jì)量參數(shù)以及校表參數(shù)的傳遞。設(shè)計(jì)中應(yīng)用ATT7028A 測(cè)量電流和電壓有效值，采用軟件校表，通過SPI 接口與外部單片機(jī)之間進(jìn)行計(jì)量參數(shù)的傳遞，以此來檢測(cè)路燈電壓電流的有效值。另外對(duì)檢測(cè)到的過載、過壓等故障進(jìn)行報(bào)警。

1.3 路燈控制電路

路燈控制電路由譯碼電路、開關(guān)電路與變壓器控制電路組成。為了使路燈分時(shí)控制取得優(yōu)良的節(jié)能效果，除了要根據(jù)時(shí)間段來開啟不同檔位電壓外，還需要實(shí)際考慮到電網(wǎng)電壓在不同時(shí)段的電壓波動(dòng)情況。故將單片機(jī)檢測(cè)到的電量信號(hào)與處理的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302 信號(hào)作為74LS155 二-四譯碼器譯碼地址輸入端，譯碼器的四個(gè)端輸出經(jīng)三極管放大后分別驅(qū)動(dòng)四個(gè)接觸器的線圈，而其四個(gè)觸點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)自藕變壓器的三個(gè)觸頭，亦即路燈四種檔：全壓(220 V)、高峰期檔(額定電壓的 93%)、正常期檔(額定電壓的 88%)、低峰期檔(額定電壓的 83%)。從而達(dá)到既兼顧路燈亮度又達(dá)到節(jié)能的效果。KM4 接在母線上還能關(guān)閉路燈，原理如圖1 所示。

圖1

1.4 電力載波通信

為了實(shí)現(xiàn)控制室能夠方便及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)路燈運(yùn)行情況，采用電力線載波通信技術(shù)將現(xiàn)場(chǎng)路燈檢測(cè)運(yùn)行的狀況傳送至控制室。以LM1893集成芯片實(shí)現(xiàn)電力載波通信，LM1893 是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的FSK 制式的調(diào)制解調(diào)芯片。能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的串行數(shù)據(jù)的半雙工電力線通信，具有發(fā)送和接收數(shù)據(jù)兩種工作模式，能夠與51 單片機(jī)相兼容。LM1893 調(diào)制解調(diào)數(shù)據(jù)輸入端DATAIN 與AT89C51 單片機(jī)的串行輸出口TXD 相連，輸出端DATAOUT 與AT89C51的串行輸入口RXD 相連。LM1893 的TX／RX 發(fā)送接收控制端由單片機(jī)的P1.O 端控制，高電平為發(fā)送狀態(tài)，低電平為接收狀態(tài)。路燈控制器接收到外部數(shù)據(jù)信息后，先要對(duì)所收數(shù)據(jù)的報(bào)文頭和地址進(jìn)行判斷。當(dāng)報(bào)文頭正確，地址為本機(jī)地址時(shí)，它才執(zhí)行相應(yīng)的燈控命令，執(zhí)行完后進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件主要完成：根據(jù)比較所得的結(jié)果控制硬件切換檔位以達(dá)到路燈定時(shí)工作的要求；檢測(cè)實(shí)時(shí)電網(wǎng)電壓以控制是否要改變檔位以達(dá)到電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的；最后則是配合主控室完成多機(jī)通信。整個(gè)智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)被分為了分時(shí)分段模塊(主要通過時(shí)鐘芯片DS1302和鐵電存儲(chǔ)芯片AT24C02 配合完成)、電壓監(jiān)控調(diào)檔模塊 (由電工參數(shù)測(cè)量芯片ATT7028 加以軟件判斷來實(shí)現(xiàn))、遠(yuǎn)程通信模塊(由LM1893 完成)以及實(shí)時(shí)顯示模塊組成。

將一年大致分為三個(gè)季節(jié)段來對(duì)路燈進(jìn)行控制，每個(gè)季節(jié)段有著不同的開關(guān)燈時(shí)間。從開燈到關(guān)燈根據(jù)當(dāng)?shù)亟煌ㄓ挚纱笾路譃槿齻€(gè)階段來對(duì)路燈進(jìn)行控制，分別為交通高峰期、交通正常期和交通低谷期。這三個(gè)階段加上避免電網(wǎng)電壓過低的全壓運(yùn)行檔，就構(gòu)成了全壓、高峰、正常、低谷四個(gè)工作時(shí)間段，根據(jù)本地區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行劃分。系統(tǒng)通過對(duì)日歷時(shí)鐘芯片DS1302 讀出來的當(dāng)前與鐵電存儲(chǔ)器芯片AT24C02 中存儲(chǔ)的開、關(guān)燈時(shí)間進(jìn)行比較，在各檔開啟的時(shí)刻就切換至相應(yīng)檔位，在關(guān)閉的時(shí)段關(guān)閉，其余時(shí)段進(jìn)行監(jiān)控。在交通高峰時(shí)段，保證路燈有足夠的照明度。于是正常情況下，路燈應(yīng)投入第1 檔運(yùn)行。此時(shí)，當(dāng)電網(wǎng)電壓過低(低于208V)，則路燈應(yīng)全壓運(yùn)行；如果電網(wǎng)電壓過高(高于236V)，路燈可以跳過第1 檔，直接投入第2 檔運(yùn)行。在交通正常階段，要兼顧照度和節(jié)電效果，正常情況下，路燈應(yīng)該投入第2 檔運(yùn)行。在電網(wǎng)電壓低手205V 時(shí)，返回第1 檔運(yùn)行；在電網(wǎng)電壓高于242V 時(shí)，則投入第3 檔運(yùn)行。在交通低谷階段，重點(diǎn)考慮節(jié)電效果。正常情況下投入第3 檔運(yùn)行，只有當(dāng)電網(wǎng)電壓過低(低于195V)時(shí)，路燈才會(huì)返回第2 檔運(yùn)行。但是由于電網(wǎng)的波動(dòng)或干擾，可能會(huì)出現(xiàn)電壓偶爾的不正常，若一旦檢測(cè)到電壓超限就切換檔位，很容易造成誤操作，從而導(dǎo)致頻繁的切換。設(shè)計(jì)中采用了以下方法來避免檔位的頻繁切換：當(dāng)路燈運(yùn)行于1～2 檔時(shí)刻之間，需使電壓維持在208～236V 之間，這里采用 COUNT，COUNT_H，COUNT_L 三個(gè)計(jì)數(shù)器來監(jiān)測(cè)電壓。COUNT 從0 開始，每分鐘加1，加到5，即5min 后清零。COUNT_H 從0 開始，每min 比較當(dāng)前電壓與電壓上限值的大小，若超過上限則將COUNT_H加1，在每次COUNT 清零之前，若COUNTH 值等于5，則認(rèn)為連續(xù)5min 電壓超出上限運(yùn)行，相應(yīng)地將路燈運(yùn)行檔位切換至低一檔運(yùn)行；若COUNT_H 值小于5，則認(rèn)為是電網(wǎng)的波動(dòng)，不進(jìn)行切換。電壓下限監(jiān)測(cè)同理。每5min 將三個(gè)計(jì)數(shù)器同時(shí)清零從SPI 總線上獲取ATT7028檢測(cè)的電工參數(shù)的計(jì)量結(jié)果，再對(duì)檢測(cè)值進(jìn)行校表，即可對(duì)校表寄存器賦值來進(jìn)行軟件校表。

顯示模塊主要是在控制室內(nèi)顯示當(dāng)前時(shí)間及檢測(cè)到的路燈的運(yùn)行情況。

圖2 軟件流程圖

主程序與各個(gè)子模塊之間采用定時(shí)中斷聯(lián)系，每隔1min 中斷一次，在每次中斷時(shí)均要完成四大任務(wù)，即讀出實(shí)時(shí)時(shí)間發(fā)送至主控室，決定是否換檔，根據(jù)電網(wǎng)波動(dòng)實(shí)際情況控制決定是否改變檔位，以及將原邊電網(wǎng)電壓根據(jù)實(shí)際情況發(fā)送至監(jiān)控室。軟件流程圖如圖2 所示。

3 節(jié)能效果分析

以1kw 路燈為例，設(shè)當(dāng)路燈電壓為205V時(shí)，單位時(shí)間耗電量為0.87kWh；當(dāng)路燈電壓為193V 時(shí)，耗電為O.77kWh；在滿足行人車輛運(yùn)行需要的情況下，適當(dāng)降低路燈的端電壓，可節(jié)能20%左右。在深夜行人稀少時(shí)，可將路燈的端電壓降至170～180V，路燈1h 內(nèi)耗電O.55kWh左右，除去其他損耗，可節(jié)約電能近40%。

[1]羅永明.水泥混凝土路面裂縫成因及預(yù)防措施[J].山西建筑，2009-08-10.