基于P89C51RD2单片机控制的智能化路灯节能装置的设计
基于P89C51RD2单片机控制的智能化路灯节能装置的设计
谢子殿 朱 秀
（黑龙江科技学院计算机与信息工程系 黑龙江 哈尔滨 150027）
摘要：分析了城市路灯照明耗电大、设备使用寿命短的原因，提出了采用补偿变压器稳压方式和P89C51RD2单片机进行稳压控制的解决方案，研究、设计了智能化路灯节能装置。介绍了补偿变压器方式的交流稳压器的工作原理、硬件电路的设计和软件的功能。智能化路灯节能装置能有效地节约能源、减少照明灯具的损耗。
关键词：补偿变压器；单片机；稳压
中图分类号：TP368.1 文献标识码：A
Design of Energy Economizer of Intelligent Street Lamp Based on P89C51RD2 Microcontroller Control
XIE Zi-dian ZHU Xiu
(Computer and information engineering dept.,Heilongjiang institute of science and technology, Haerbin 150027, China)
Abstract：The paper analyses the reasons why electricity energy made use of the city street lamps illumination consumes bigger and service life of the street lamps is short, puts forward the solution which adopts compensated transformer regulating voltage mode and P89C51RD2 microcontroller to control the voltage steady, and designs energy economizer of intelligent street lamp. It introduces the working theory of AC manostat of compensated transformer mode, the design of the hardware circuit and the function of the software. The energy economizer of intelligent street lamp can economize the energy and reduce the lighting lamp wasted.
Key words：compensated transformer；microcontroller；regulate voltage
0 引言
随着大中城市规模的不断扩大，城市市容的改善，照明路灯的数量越来越多，其用电量占城市的总用电量的比例不断增加。以往的路灯照明大多采用直接供电方式，人工送电人工关闭。这种方式有许多不足：供电系统在不同的时间电压是波动的，在用电高峰期，电压都低于额定值，在用电低谷期供电电压又高于额定值，当电压高时不但影响照明设备的使用寿命，而且耗电量也大幅增加（电源电压若增加20%，则耗电量增加44%），当低谷时，照明设备又不能正常工作；利用人工送电，增加人员开资，有时又不能及时开闭，即影响正常照明又浪费电能。因而有必要针对上述问题开发出一种使用方便又节能的装置，这种装置应有如下功能。
（1）稳压控制：无论在用电高峰还是用电低谷，始终能使供电电压稳定在额定值范围内；
（2）显示功能：可显示输入电压、输出电压、三相电流、功率因数、有功、无功等参数；
（3）定时启停：不同地区不同季节，昼夜交替时间是不同的，系统能根据地区和季节自动调节开闭路灯时间；
（4）根据天气情况调节启停时间：在定时启停功能上能有根据天气情况开闭路灯；
（5）自动功率因数补偿：随着照明设备的不断升级，系统应有功率因数补偿功能；
（6）效率高，无波形畸变，电压调节平稳，适应负载广泛，能承受瞬时超载，可长期连续工作，手控自控随意切换，设有过压，欠压自动保护功能。
1 系统工作原理
交流调压方式有多种，常见的有自耦变压器调压方式、调相方式、磁饱和稳压方式等。这几种方式均无法满足路灯节能装置的功能要求，自耦变压器方式在大电流供电时，由于其碳刷的限制，不能满足要求；而调相方式存在着波形畸变，即对电网有干扰，又对一些新型照明设备有干扰，无法满足要求；磁饱和方式在大功率时因其体积庞大无法满足要求。
补偿变压器方式可应用于交流调压中，这种方式的电气原理图如图1所示。现以一相为列，说明其稳压工作原理。若不计补偿变压器阻抗压降，则
Uo=Ui+Ub
式中：Uo—稳压器输出电压；
Ui—稳压器输入电压；
Ub—补偿变压器的输出电压。
调压变压器是一个双触头输出，每个触头均可在全程范围内移动。当触头A在上，触头B在下时，补偿变压器的输出电压Ub相位与Ui相同；当触头A在下，B在上时，补偿变压器输出的电压Ub相位与Ui相反。当输入电压Ui增加ΔUi时，控制电路调节触头A与B移动，使触头B移到上端，A移到下端，补偿电压Ub也相应改变ΔUb，且ΔUb=-ΔUi，Uo= Ui-ΔUb，使输出电压Uo保持不变；当输入电压Ui减小ΔUi时，控制电路则将触头A移到上端，B移到下端，此时ΔUb=ΔUi，Uo=Ui+ΔUb，使输出电压Uo保持不变。
当系统是三相电源时，电路由三相补偿变压器TB、三相调压器TUV、电压检测单元、伺服电机控制机构，保护电路等组成，电气原理图如图2所示。
调压变压器TUV的一次绕组接成Y形，连接在稳压器的输出端，二次绕组连补偿变压器TB的一次绕组，而补偿变压器的二次绕组串联在主电路中。
其稳压过程是：根据输出电压的变化，由电压检测单元采样，检测并输出信号，控制伺服电机转动，带动变压器TUV上的电刷来调节变压器的二次电压，以改变补偿电压的极性与大小，实现输出电压自动稳定在稳压整定精度允许的范围内，从而达到自动稳压的目的。
补偿变压器方式具有体积小、控制灵活、调压变压器的功率和输出电流可减至最小、可连续工作和过载能力强等特点。
2 控制电路的硬件设计
控制系统的硬件电路由控制单片机、A/D转换器、LCD显示、时钟电路、伺服驱动器等组成。硬件框图如图3所示。
2.1 单片机
单片机采用P89C51RD2，P89C51RD2单片机具有64K并行可编程的非易失性FLASH 程序存储器，并可实现对器件串行在系统编程ISP 和在应用中编程IAP。在系统编程ISP（In-system Programming），内部有1KB的RAM，通过并行编程器选择6 时钟/12 时钟模式（芯片擦除后默认的时钟模式为12 时钟），4 个中断优先级，双DPTR 寄存器，可编程计数器阵列PCA，PWM输出等功能。P89C51RD2单片机应用到本系统中不用外扩程序存储器及数据存储器，单片机的所有I/O口均工作在普通I/O工作方式，为节约口线，外围器件均选用带串行数据通讯的芯片，为防止干扰所有与强信号打交道的信号线均采用光电隔离，串口经电平转换后一方面可做ISP功能，另一方面将来可与上位机进行通信。
2.2 模数转换电路
模数转换电路由信号调理电路及A/D转换电路组成。信号调理电路主要功能是将外部的电压、电流和环境光线等信号转换成A/D能够接受的信号范围，A/D转换芯片采用TLC2543转换器。TLC2543是14通道输入的12位A/D转换器，芯片内部利用3个通道，外部有11个通道，输入电压是0~5V（VER-=0，VER+=5V），TLC2543与CPU的接口采用SPI方式，其管脚有转换结束EOC、片选CS、数据输入DI、数据输出DO，TLC2543可工作在8位和12位方式，可在初始化中选择，转换启动利用命令方式，只要在命令中送入相应的通道号TLC2543即开始转换，转换结束后EOC有低脉冲送到单片机，单片机响应中断后可对TLC2543读转换数据，同时可送下一通道启动命令。
2.3 步进电机驱动电路
步进电机驱动采用市售的步进电机驱动模块，与单片机接口只需5条线，模块的管脚有方向控制、步进脉冲、制动信号、GND和VCC。单片机采集三相电压后，与设定值比较运算后，决定步进电机的运行方向及步进脉冲数，一旦输出电压在误差范围内，步进电机即停止运行。
2.4 显示及键盘电路
显示器采用128×64LCD显示器，各数据可分屏显示，显示器与单片机的接口是4线式串行数据传输方式。键盘采用4×4矩阵式键盘，共16个按键，通过键盘可设定系统时间、稳定电压、经纬度、开关路灯时间等参数。
2.5 环境光线检测电路
环境光线检测电路的功能是检测室外的光线，只要在设定时启动此功能，当室外光线暗到一定程度时，装置可自动开启路灯。电路如图4所示。
当环境光线很亮时，光敏电阻RS阻值很小，此时三极管集电极电压很低，当环境光线暗到一定的程度时，输出OUT电压升高，当高于设定值时，单片机控制路灯开启。
2.6 功率因数检测电路
电压及电流经整形后，送到单片机的INT0、INT1，当INT0（电压信号）产生中断后启动定时器T0计数，当INT1（电流信号）产生中断后读T0计数，当再一次INT0中断时读出T0值，同时清T0。由T0两次读出的值可算出电源的频率及功率因数。
3 控制电路的软件设计
软件程序使用C51语言，采用模块化方式编程。软件由主程序、A/D采样程序、数字滤波程序、显示程序、键处理程序、步进电机驱动程序、电压调节程序、功率因数补偿程序等组成。
3.1 主程序
系统开始工作后主程序首先对单片机内部及外部的资源初始化，然后依次调用各功能模块程序。
3.2 A/D采样程序
A/D采样程序由主程序循环调用，每次对外部10个模拟量采集12次，经数字滤波后送到数据缓冲区，供其它程序使用。
3.3 电压调节程序
电压调节程序采用PID算法，其输入量是设定的稳压值与输出电压经PID运算后再经标度变换，转换成步进电机输出的脉冲数，供步进电机驱动程序使用。步进电机驱动程序比较简单，根据PID算出的脉冲数及方向经I/O口向步进电机驱动器送出相应的脉冲，由于系统的稳压精度可通过键盘设定在一定的范围，因而系统在调压过程中不存在超调现象。
3.4 显示程序
显示程序是将电压、电流、功率因数、系统时间、工作状态等参数分屏显示到LCD上，由于LCD模块内部有汉字库，因而在显示汉字时可直接送汉字的内码，动态数字也利用LCD内部的字模显示，在程序中无需建立字模。
3.5 功率因数补偿程序
根据中断INT0、INT1读回的数据算出功率因数，与设定的功率因数比较，经运算后控制外部的继电器对电容组进行投切，可使路灯供电支路的功率因数保持在设定范围内。
4 结论
智能化路灯节能装置采用变压器补偿稳压方式，利用单片机运算控制能力强的特点，具有体积小、工作可靠、节能等优点，如能推广使用，会使城市路灯管理工作提高到一个新的水平，它不但节约能源，同时也可减少照明灯具的损耗，因而具有广泛的推广前景。
参考文献：
[1] 陶永华、尹怡欣．新型PID控制及其应用[M]．北京：机械工业出版社，2000．
[2] 浦昭邦、王宝光．测控仪器设计[M]．北京：机械工业出版社，2001．
[3] P89C51RD2 Data Sheet．http://www.zlgmcu.com．
[4] TLC2543 Data Sheet．http://www.zlgmcu.com．
作者简介：谢子殿，男，1962年4月生，汉族，副教授，现从事计算机自动控制、数据通信方面的教学与研究工作。电话：0451-88036189，E-mail：xiezd@163.com" xiezd@163.com
Author’s brief introduction: Xie Zidian, Male, born in April, 1962, Han nationality, Adjunct professor, is now engaged in the teaching and study of autocontrol and data traffic. Tel: 0451-88036189, E-mail: xiezd@163.com" xiezd@163.com.
作者单位：黑龙江科技学院计算机与信息工程系
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