安雙利，錢 銳，陸翔宇，陸 園

（上海第二工業(yè)大學機電工程學院，上海 201209）

0 引言

目前，我國的能源現(xiàn)狀是：能源消費量遠遠大于能源供應(yīng)量。最新出版的能源發(fā)展報告指出，盡管資源約束并非中國經(jīng)濟發(fā)展的絕對障礙，但目前我們面臨的資源約束比過去任何時候都更加嚴峻，因此節(jié)能已成為我國解決能源問題的主導(dǎo)性策略[1]。而調(diào)查數(shù)據(jù)表明，在城市道路照明領(lǐng)域，采用新型照明方法是實現(xiàn)節(jié)能的一項十分有效的措施[2,3]。

國內(nèi)外現(xiàn)有的道路照明調(diào)光方式通常有部分照明燈亮滅，自耦變壓器調(diào)光，可控硅斬波調(diào)光和限流調(diào)光四種方式[4]。部分照明亮滅方式主要是利用光控、定時等方式，在后半夜關(guān)掉部分路燈，一般可以節(jié)電10%以上。但這種方式會使照明舒適度減弱，還要增加供電回路，而且不能避免后半夜電網(wǎng)電壓的升高對路燈壽命的減損[5]。自耦變壓器不能實現(xiàn)電壓的自動精確控制，只能固定降低電壓，不能升壓和穩(wěn)壓，不能實現(xiàn)連續(xù)調(diào)光[6]?？煽毓钄夭ㄐ驼{(diào)光控制裝置可實時精確控制輸出電壓，滿足照明用電的最佳值，但電壓無法實現(xiàn)正弦波輸出，有嚴重諧波污染，無法實現(xiàn)綠色環(huán)保[7]。限流調(diào)光方式是通過增大電抗值來限制流過的路燈的工作電流，不能實現(xiàn)電流的自動精確控制，即不能實現(xiàn)連續(xù)調(diào)光[8]。

1 路燈節(jié)能系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)采用數(shù)字控制調(diào)光技術(shù)，根據(jù)道路照明的實際狀況，實現(xiàn)對路燈電壓及照度的動態(tài)智能化管理，使路燈輸入功率與照度要求實現(xiàn)最佳匹配。系統(tǒng)基本控制流程圖如圖 1所示。在繁忙時段，控制各單個路燈保持較強的照度，接近午夜時分，開始自動調(diào)光，到后半夜車輛稀少時，按照行駛狀況自動調(diào)光，如沒有車經(jīng)過時，路燈較暗，當有車開來時，其前面幾個路燈由暗變亮，而車已經(jīng)開過的幾個路燈又自動調(diào)暗[9]。

通過測取城市道路車輛及行人的“時間—車輛”統(tǒng)計規(guī)律，獲取相應(yīng)的照度調(diào)整率，依此來設(shè)計單片機的控制程序，根據(jù)照度調(diào)整率，從某一時刻開始，平滑地對路燈輸入電壓進行動態(tài)調(diào)整。根據(jù)高壓鈉燈照明原理和道路照明需求，測量路燈處于節(jié)電狀態(tài)時的最佳電壓值、電流、功率以及其節(jié)能整體效果[10]。

系統(tǒng)按照控制方式分路段總開關(guān)控制和各單個路燈智能控制。為實現(xiàn)全段道路路燈根據(jù)當?shù)厝粘雠c日落的早晚、當天陰雨天或晴天實際亮度的不同而自動開啟和關(guān)閉功能。系統(tǒng)采用光控定時器、無線微波接發(fā)模塊、單片機和數(shù)字電位器等完成設(shè)計。為實現(xiàn)對各單個路燈的智能控制，需要在不降低鈉燈壽命的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)采用PAM無級調(diào)壓方式進行控制。

圖1 單片機智能控制路燈節(jié)能系統(tǒng)控制流程圖Fig.1 Flow chart of the control system based on SCM

2 系統(tǒng)功能模塊的實現(xiàn)

2.1 智能調(diào)壓模塊

該模塊采用單片機設(shè)計，可實現(xiàn)軟啟動、軟停車功能，廣泛應(yīng)用于交直流電機調(diào)速，單相220 VAC， 380 VAC變壓器初級原邊調(diào)壓、電磁鐵振動、調(diào)光、焊機、電鍍等功率調(diào)節(jié)場合。由于系統(tǒng)需求是對單個鈉燈的電壓進行調(diào)制，需要的功率在220 W左右，因此，本系統(tǒng)選取EUV-10A-Ⅱ型號。同時，針對調(diào)壓工作過程中產(chǎn)生溫升過高的現(xiàn)象，單獨設(shè)計和選配了外置散熱風扇DC 612F/60×60×15 和散熱片SRXYF/65×65×25，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 EUV-10A-II主要技術(shù)參數(shù)表Tab.1 main technical parameters of EUV-10A-II

2.2 光電定時控制模塊

系統(tǒng)利用環(huán)境光線的亮暗來驅(qū)動光電控制器，并通過接觸器控制道路照明電源線路，達到開關(guān)路燈的目的。當無光照時，有很小的飽和反向漏電流，此時光敏二極管截止，放大三極管也截止，繼電器開關(guān)狀態(tài)不改變。當受到光照時，飽和反向漏電流明顯增加，形成光電流，且隨入射光強度的變化而變化。此時放大三極管導(dǎo)通，繼電器線圈得電而改變開關(guān)狀態(tài)，電路系統(tǒng)電源關(guān)閉。

系統(tǒng)利用定時器來控制道路照明電源線路，實現(xiàn)路燈自動開關(guān)。調(diào)整好定時器上的時間設(shè)置，就會根據(jù)設(shè)置的時間開啟或關(guān)閉路燈。因為晝夜長短隨經(jīng)緯度、季節(jié)變化而變化，定時器的時間設(shè)置必須隨之調(diào)整。

2.3 無線收發(fā)模塊

傳感器采集到的車輛行駛信號需通過某種媒介傳送到其前面的路燈控制端。為實現(xiàn)相隔路燈的信號通信功能，采用無線收發(fā)模塊實現(xiàn)路燈之間的通訊。無線收發(fā)模塊性能穩(wěn)定、工作頻率可選，并采用聲表諧振器SAW穩(wěn)頻，頻率穩(wěn)定度極高。本系統(tǒng)中為了防止信號之間的干擾，選用了六種不同的頻率進行通訊：315 MHz，350 MHz，370 MHz，390 MHz，410 MHz及433 MHz。結(jié)構(gòu)功能圖如圖2所示。

圖2 無線收發(fā)模塊示意圖Fig.2 Schematic of the wireless transceiver module

無線發(fā)射模塊具有較寬的工作電壓范圍(3～12 V)，當電壓變化時發(fā)射頻率基本不變，接收模塊無需調(diào)整就能穩(wěn)定地進行接收。當發(fā)射電壓為3 V時，傳輸距離約20～50米，發(fā)射功率較??；當電壓9 V時，傳輸距離約300～500米；當發(fā)射電壓為12 V時，發(fā)射電流約60毫安，傳輸距離700～800米，發(fā)射功率約500毫瓦，為最佳工作電壓，具有最好的發(fā)射效果。

2.4 單片機控制模塊

本系統(tǒng)中單片機控制模塊包括單片機及其外圍電路組成。單片機控制模塊原理圖如圖3所示。

圖3 單片機控制模塊原理圖Fig.3 Diagram of the SCM control module

單片機控制模塊采用AT89S51型單片機。AT89S51是一種低功耗、高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4k Bytes ISP的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元。AT89S51具有40個引腳、4k Bytes 程序存儲器、128 bytes的RAM、32個外部雙向I/O口、2個16位可編程定時計數(shù)器、2個全雙工串行通信口、看門狗（WDT）電路和時鐘振蕩器。

基于AT89S51單片機，設(shè)計完成了與無線收發(fā)模塊、位置傳感器等的接口電路和PCB電路板的制作，采用匯編語言編制完成了控制軟件程序。

3 調(diào)試結(jié)果與結(jié)論

為了檢驗本單片機控制路燈節(jié)能系統(tǒng)的節(jié)能效果，專門設(shè)計制作了道路模擬裝置如圖 4所示。測試結(jié)果表明，智能調(diào)光系統(tǒng)能夠按照預(yù)先設(shè)置的標準亮度使照明區(qū)域保持恒定的照度，而不受燈具效率降低等的影響；最佳工作電壓穩(wěn)定，根據(jù)現(xiàn)場實際需求，實時在線調(diào)控輸出最佳照明工作電壓，將其穩(wěn)定在±2 %以內(nèi)，創(chuàng)造美好燈光環(huán)境，克服了后半夜電壓升高的缺點，從而也延長了光源壽命，節(jié)約維護成本30 %～50 %；在滿足照度需求和照明質(zhì)量的前提下，對路燈進行調(diào)光控制，一般可節(jié)電在30 %以上，節(jié)能效果十分顯著。

圖4 系統(tǒng)在道路及路燈模擬裝置上的調(diào)試效果圖Fig.4 Control system used in simulator device for road and street lamps

本路燈節(jié)能系統(tǒng)可對白熾燈、熒光燈、LED等多種光源調(diào)光，對各種場合的燈光進行控制，滿足不同環(huán)境對照明的要求。寫字樓、學校、工廠等均可以采用此節(jié)能控制系統(tǒng)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序定時對燈光進行自動開關(guān)，利用亮度傳感器，通過感應(yīng)室內(nèi)亮度，自動調(diào)節(jié)光照度，以保持恒定的標準照度，既創(chuàng)造了最佳的照明環(huán)境，又達到了節(jié)約能源的目的。

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