一種智慧變壓路燈節能系統的研究論文

　　論文摘要：路燈照明能耗問題已經越來越為政府及各大工礦業企業所重視，成為國家“十二五”規劃節能戰略中的重要內容，本文設計了一種智慧變壓路燈節電控制系統，透過微控制器控制單元變壓器抽頭的切換以控制負載上輸出電壓，達到節電控制要求，透過此方案可以做到節電30%左右，為了提高系統的使用，設計了過壓或欠壓故障報警等模組。

　　論文關鍵詞：路燈照明,節能控制系統,智慧變壓

　　1.引言

　　國家統計局最新發布2010年全國相關統計報告顯示：2010年全年我國工業照明耗電量高達1748.2億度，相當於三峽水利發電工程年發電量840億度的2.08倍多。

　　在市政開支極度緊張的今天，國內絕大部分的城市和地區幾乎都採用了日本等國家在七十年代就已經拋棄的路燈隔一盞關燈的省錢方法，不僅導致了路面照度分佈不均，給治安及交通安全埋下了隱患，而且不能避免後半夜電網電壓的升高對路燈壽命的減損，因此不能稱作真正意義的節能，目前發達國家正在討論的是“恰到好處的照度水平”。

　　供電系統中，為避免送電過程中的線路損耗和用電高峰時造成末端電壓過低，供電部門均採用較高電壓進行傳輸，因此路燈承受電壓多高於燈具的額定電壓。據調查我國小型城市晚上21：00後，大中城市00：00以後道路上幾乎空無一人，從而造成了“人少車稀燈更亮”的不合理情況。

　　本文設計了一種智慧變壓路燈節電控制系統，詳細闡述了該系統的硬體和軟體設計，透過實際驗證，該路燈節電控制系統可以做到節電30%左右，考慮到路燈供電系統的電壓不穩定，還設計了過壓或欠壓故障報警等模組。

　　2.路燈節電控制系統硬體組成

　　智慧變壓路燈節電控制系統的硬體部分如圖1，其變壓器一次側分三個抽頭，一次側輸入AC220V，二次側輸出分別為42.3V、25.9V、18.3V。一共分三級降壓，分別由接觸器KM、KM和KM控制，可透過微控制器控制特定的接觸器達到控制輸出電壓的目的。

　　其中，QF為空氣開關，起過載和短路保護作用，K為旁路開關，K為節電開關，KM、KM和KM為接觸器主觸頭；採用接觸器或固態繼電器來控制變壓器原邊抽頭調節負載電壓，能夠保證調壓時不停電：PT和PT分別為一次電壓檢測和負載電壓檢測感測器，CT為一次電流檢測感測器，根據輸入電壓檢測結果調節電壓輸出，液晶顯示電壓、電流和功率狀態。面板上裝有節電和旁路的選擇開關，以及狀態指示燈，指示故障、旁路和節電等狀態。裝置設計有溫度檢測裝置，當溫度達到一定時，啟動風扇，溫度再高，則Kl閉合，路燈裝置旁路工作。

　　圖1智慧變壓路燈節電控制系統電路圖

　　微控制器選用AT89S52，其內含256個位元組的RAM、32條I/O線、3個16位定時器/計數器，且自帶8K的電擦除EEPROM用以儲存控制程式，用ADC0809作為模數轉換器，實現對電流電壓由

　　模擬量向數字量的轉換，時鐘是微控制器的ALE經D觸發器控制口，由P2.7WR／RD和或非門組成的標準控制電路，結果輸出採用延時方式延時大約為180us。微控制器的P0口與ADC0809的.輸出埠連線，讀取A/D轉換後的結果。

　　AT89系列微控制器是美國ATMEL半導體公司在二十世紀八十年代將Flash與80C51核相結合開發出來的，該系列微控制器和MCS-51在內部功能、引腳以及指令系統方面完全相容。由於AT89系列微控制器繼承了MCS-51的原有功能，內部含有大容量的Flash儲存器，又增加了新的功能，如看門狗定時器WDT、ISP（可線上程式設計）及SPI序列介面技術等，AT89S52是在AT89C51、AT89C52基礎上改進的。

　　AT89S52的工作電源為4.0～5.5V，單一+5V電源供電，最高工作頻率為33MHz。AT89S52微控制器在路燈線路中採集進來的高電壓/電流，經過二次霍爾感測器降為較低的電壓/電流訊號，將其都轉化為電壓訊號0～5v，之後經過帶通濾波器和二級低通濾波器，讓工頻50赫茲左右的訊號透過並濾除10次以上的諧波和高頻干擾，然後對訊號進行放大，將訊號變為AT89S52所能處理的5V之內，這些由外圍電路實現。

　　3.系統的軟體設計

　　為了實現各元器件之間能夠合理傳輸資訊，並對資訊進行處理，還需要對硬體電路進行軟體設計。當空氣開關QF合上，經緯定時開關啟動閉合，路燈節電裝置開始檢測電壓。

　　如果輸入電壓U大於260V或小於180V，裝置斷電保護，報警過壓或欠壓故障，否則裝置立即合上接觸器K，系統置於旁路狀態。15分鐘後，繼續檢測電壓，如果電壓在大於180V，而小於200V，則繼續旁路工作；如果電壓處於200V～260V正常範圍，合上接觸器K，然後斷開K；根據節電控制策略，透過微控制器控制單元變壓器抽頭的切換以控制負載上輸出電壓，達到節電控制要求；如果電壓處於200V～220V，則合上控制變壓器抽頭的接觸器KM；如果電壓處於220V～240V，則開啟KM，然後合上接觸器KM；如果電壓處於240V～260V，則開啟KM或KM，然後臺上接觸器KM。

　　如果CT輸出電流大於100％，則發出過載報警提示，同時啟動風扇對變壓器進行冷卻。電流仍在空氣開關OF的整定值範圍內，裝置仍可供電，一般過載不超過120％。

　　變壓器溫度檢測，如果溫度超過規定值，則直接合上K，開啟K，旁路工作。路燈節電控制流程如圖2所示。

　　圖2路燈節電控制流程

　　4.系統除錯

　　1.硬體除錯

　　硬體除錯主要是對微控制器控制迴路及外圍電路進行除錯，微控制器控制迴路的除錯主要涉及AT89S52晶片的測試、JMl2864液晶顯示功能測試、外圍電路的除錯、固態繼電器及接觸器控制迴路的檢測。內容較多，除錯方法是在電路輸入端加上標準電壓，然後透過萬用表觀測電路中特定點處的電壓值是否正確。

　　2.軟體除錯

　　本次軟體設計採用了專門用於開發微控制器和微處理器系統軟體及應用軟體的高階語言Keil—C語言軟體。除錯主要涉及對用Keil—C語言編寫的源程式，所進行的編譯工作編譯，透過軟體除錯成功。

　　3.現場除錯

　　硬體除錯和軟體除錯成功之後，可按要求將己與控制系統相連的外圍電路與路燈組連線起來，進行現場除錯。現場除錯主要是檢測控制器能否對路燈實際執行和節電狀態進行有效控制。除錯實驗表明：該節電系統的平均節電效率為30％左右。該系統不僅具有節電、延長燈泡壽命的功能，而且能使路燈在電壓波動較大範圍內穩定執行。

　　智慧變壓路燈節電控制系統經除錯後滿足下列主要技術指標要求：

　　(1)輸入電壓範圍：單相220V土15％三相380V土15％；

　　(2)輸出電壓：單相190～220V，三相330～380V；

　　(3)電源頻率：50～60Hz；

　　(4)開關時間：由經緯度時控器所設定開關時間控制；

　　(5)節電率：16～35％；

　　(6)保護功能：過壓、欠壓、過載、短路；

　　(7)散熱方式：自然風冷或強迫風冷；

　　(8)自動旁路功能當在異常情況發生時，會自動設定為旁路，以保護系統與變壓器，防止停電事故，可保證路燈正常執行。

　　5.結束語

　　該系統採用了微控制器控制，所以具有高的效能價格比和柔性，即可以根據實際情況變更和擴充套件提高了靈活性和適應性，有利於應用推廣。路燈控制系統投入使用後，工作壽命達到15年以上，將持續提供30%以上的節電效率，為節能事業填上濃墨重彩的一筆。

　　參考文獻