基于单片机智能控制的路灯节能系统的研制

安双利，钱 锐，陆翔宇，陆 园

（上海第二工业大学机电工程学院，上海 201209）

0 引言

目前，我国的能源现状是：能源消费量远远大于能源供应量。最新出版的能源发展报告指出，尽管资源约束并非中国经济发展的绝对障碍，但目前我们面临的资源约束比过去任何时候都更加严峻，因此节能已成为我国解决能源问题的主导性策略[1]。而调查数据表明，在城市道路照明领域，采用新型照明方法是实现节能的一项十分有效的措施[2,3]。

国内外现有的道路照明调光方式通常有部分照明灯亮灭，自耦变压器调光，可控硅斩波调光和限流调光四种方式[4]。部分照明亮灭方式主要是利用光控、定时等方式，在后半夜关掉部分路灯，一般可以节电10%以上。但这种方式会使照明舒适度减弱，还要增加供电回路，而且不能避免后半夜电网电压的升高对路灯寿命的减损[5]。自耦变压器不能实现电压的自动精确控制，只能固定降低电压，不能升压和稳压，不能实现连续调光[6]。可控硅斩波型调光控制装置可实时精确控制输出电压，满足照明用电的最佳值，但电压无法实现正弦波输出，有严重谐波污染，无法实现绿色环保[7]。限流调光方式是通过增大电抗值来限制流过的路灯的工作电流，不能实现电流的自动精确控制，即不能实现连续调光[8]。

1 路灯节能系统总体设计

系统采用数字控制调光技术，根据道路照明的实际状况，实现对路灯电压及照度的动态智能化管理，使路灯输入功率与照度要求实现最佳匹配。系统基本控制流程图如图 1所示。在繁忙时段，控制各单个路灯保持较强的照度，接近午夜时分，开始自动调光，到后半夜车辆稀少时，按照行驶状况自动调光，如没有车经过时，路灯较暗，当有车开来时，其前面几个路灯由暗变亮，而车已经开过的几个路灯又自动调暗[9]。

通过测取城市道路车辆及行人的“时间—车辆”统计规律，获取相应的照度调整率，依此来设计单片机的控制程序，根据照度调整率，从某一时刻开始，平滑地对路灯输入电压进行动态调整。根据高压钠灯照明原理和道路照明需求，测量路灯处于节电状态时的最佳电压值、电流、功率以及其节能整体效果[10]。

系统按照控制方式分路段总开关控制和各单个路灯智能控制。为实现全段道路路灯根据当地日出与日落的早晚、当天阴雨天或晴天实际亮度的不同而自动开启和关闭功能。系统采用光控定时器、无线微波接发模块、单片机和数字电位器等完成设计。为实现对各单个路灯的智能控制，需要在不降低钠灯寿命的基础上，系统采用PAM无级调压方式进行控制。

图1 单片机智能控制路灯节能系统控制流程图Fig.1 Flow chart of the control system based on SCM

2 系统功能模块的实现

2.1 智能调压模块

该模块采用单片机设计，可实现软启动、软停车功能，广泛应用于交直流电机调速，单相220 VAC， 380 VAC变压器初级原边调压、电磁铁振动、调光、焊机、电镀等功率调节场合。由于系统需求是对单个钠灯的电压进行调制，需要的功率在220 W左右，因此，本系统选取EUV-10A-Ⅱ型号。同时，针对调压工作过程中产生温升过高的现象，单独设计和选配了外置散热风扇DC 612F/60×60×15 和散热片SRXYF/65×65×25，其主要参数如表1所示。

表1 EUV-10A-II主要技术参数表Tab.1 main technical parameters of EUV-10A-II

2.2 光电定时控制模块

系统利用环境光线的亮暗来驱动光电控制器，并通过接触器控制道路照明电源线路，达到开关路灯的目的。当无光照时，有很小的饱和反向漏电流，此时光敏二极管截止，放大三极管也截止，继电器开关状态不改变。当受到光照时，饱和反向漏电流明显增加，形成光电流，且随入射光强度的变化而变化。此时放大三极管导通，继电器线圈得电而改变开关状态，电路系统电源关闭。

系统利用定时器来控制道路照明电源线路，实现路灯自动开关。调整好定时器上的时间设置，就会根据设置的时间开启或关闭路灯。因为昼夜长短随经纬度、季节变化而变化，定时器的时间设置必须随之调整。

2.3 无线收发模块

传感器采集到的车辆行驶信号需通过某种媒介传送到其前面的路灯控制端。为实现相隔路灯的信号通信功能，采用无线收发模块实现路灯之间的通讯。无线收发模块性能稳定、工作频率可选，并采用声表谐振器SAW稳频，频率稳定度极高。本系统中为了防止信号之间的干扰，选用了六种不同的频率进行通讯：315 MHz，350 MHz，370 MHz，390 MHz，410 MHz及433 MHz。结构功能图如图2所示。

图2 无线收发模块示意图Fig.2 Schematic of the wireless transceiver module

无线发射模块具有较宽的工作电压范围(3～12 V)，当电压变化时发射频率基本不变，接收模块无需调整就能稳定地进行接收。当发射电压为3 V时，传输距离约20～50米，发射功率较小；当电压9 V时，传输距离约300～500米；当发射电压为12 V时，发射电流约60毫安，传输距离700～800米，发射功率约500毫瓦，为最佳工作电压，具有最好的发射效果。

2.4 单片机控制模块

本系统中单片机控制模块包括单片机及其外围电路组成。单片机控制模块原理图如图3所示。

图3 单片机控制模块原理图Fig.3 Diagram of the SCM control module

单片机控制模块采用AT89S51型单片机。AT89S51是一种低功耗、高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元。AT89S51具有40个引脚、4k Bytes 程序存储器、128 bytes的RAM、32个外部双向I/O口、2个16位可编程定时计数器、2个全双工串行通信口、看门狗（WDT）电路和时钟振荡器。

基于AT89S51单片机，设计完成了与无线收发模块、位置传感器等的接口电路和PCB电路板的制作，采用汇编语言编制完成了控制软件程序。

3 调试结果与结论

为了检验本单片机控制路灯节能系统的节能效果，专门设计制作了道路模拟装置如图 4所示。测试结果表明，智能调光系统能够按照预先设置的标准亮度使照明区域保持恒定的照度，而不受灯具效率降低等的影响；最佳工作电压稳定，根据现场实际需求，实时在线调控输出最佳照明工作电压，将其稳定在±2 %以内，创造美好灯光环境，克服了后半夜电压升高的缺点，从而也延长了光源寿命，节约维护成本30 %～50 %；在满足照度需求和照明质量的前提下，对路灯进行调光控制，一般可节电在30 %以上，节能效果十分显著。

图4 系统在道路及路灯模拟装置上的调试效果图Fig.4 Control system used in simulator device for road and street lamps

本路灯节能系统可对白炽灯、荧光灯、LED等多种光源调光，对各种场合的灯光进行控制，满足不同环境对照明的要求。写字楼、学校、工厂等均可以采用此节能控制系统，根据预先设定的程序定时对灯光进行自动开关，利用亮度传感器，通过感应室内亮度，自动调节光照度，以保持恒定的标准照度，既创造了最佳的照明环境，又达到了节约能源的目的。

[1]黎洪生, 刘苏敛, 胡冰, 等.基于无线通信网络的智能路灯节能系统[J].计算机工程, 2009, 35(14):190-191,214.

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[3]胡开明, 李跃忠, 卢传华.智能路灯节能控制器的设计与实现[J].现代电子技术, 2009, (9):143-145.

[4]申田宝, 吕俭荣, 储惠, 等.智能照明节电器的技术特性与应用[J].上海节能, 2004, (3):29-31.

[5]吴瑶, 姜建国.基于模糊控制的节电照明系统[J].工矿自动化, 2005, (12):82-85.

[6]吴永桥, 金康进, 施广林, 等.基于单片机的节电照明控制系统[J].世界电子元器件, 2004, (4):47-49.

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