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【摘 要】道路照明是城市建设的一个重要部分，针对目前用力的紧张现状以及道路照明节能的发展前景，分析了道路照明节能技术，并提出一种结合单片机与电力电子技术的道路照明节能控制器的设计。本文简述节能控制主要方式，兼顾考虑电量低谷、环境光线参数及时间参数，详细介绍一种采用C8051F040单片机作为控制单元的LED照明节能控制器。本设计具有硬件成本低、实用价值高、适应范围广等特点。
【关键词】道路照明；节能；C8051F040
0.引言
伴随我们工业的高速发展，对电能的需求越来越高。节能更加提上日程。道路照明在满足辨认可靠、视觉舒适的基本要求的同时，另一方面对节能、控制方便捷等方面提出了新的要求。我国大部分城市路灯都是“全夜灯”式的照明方式，造成了不必要的电能浪费。路灯控制器的设计方案道路照明节能方面一般有几种实现途径：采用降电压控制、分时降功率技术、高效节能的钠灯、高性能电子镇流器以及优质系列灯具等。近年来，随着计算机技术迅速发展，通过可编程器件的控制方式来实现节约能源的控制得到迅速的发展。本文根据“按需供电，按量补给”的思想，提出一种基于单片机C8051F040的节能控制器，设计具有硬件成本低、实用价值高、适应范围广等特点。
1.照明节能的主要方式
1.1控制系统的改进
过去的道路照明控制通常采用人工操作方式，即同一线路同时开关，控制较为简单，但不能有效根据环境控制照明亮度，从而达到节约能源的效果。现行的照明监控系统能完成这样的任务，其主要由中央控制系统、通信系统和道路照明开关箱智能终端构成。该监控系统可根据实时的光照条件和季节变化，采用光控和时控结合的控制方法。
1.2电路设计的改进
电路设计时，可以利用可控元件来控制输出电压、电流、功率，或调节照明设施的灯的工作个数，实现节能。可控器件如可控硅元件。可控硅是传统的电力电子器件，如晶闸管等。其交流调压技术的原理是利用可控硅让交流电在一个周期内间断通断来达到调低电压的目的。但可控硅的使用，在调压的过程中因不断开关而产生高次谐波，从而可能导致线路震荡，不同程度造成灯泡寿命降低和电网的电压波动。
1.3灯源的改进
灯源可采用节能的大功率LED灯。LED具有发光效率高，灯具反射损耗低的特点，一般的白光LED的发光效率约为80lm/W，而传统高压钠灯的发光效率为45～55lm/W，可节约用电50%～60%。近年来，许多厂商开始竞争对LED灯的开发，但总体来说是现行研究的LED灯不同程度的存在照明角度偏小、不均匀，颜色显色指数偏低，在光学、散热上设计也相对复杂。
1.4新能源技术的应用
节能的一个方面，可以使用自带发电装置。如在照明设施上安装太阳能发电、风能发电。这种对自然能的利用可以在一定程度上减少高峰时对电网供电压力，也是未来一个大力发展新能源的方向。这种照明设施在白天太阳能或风能充足时，可以利用太阳光和风力资源发电，晚上也可以利用风力发电机发电，弥补了风能供电或太阳能供电的单一性。在自然能源不是很充足时可利用后备电源进行供电。
2.总体硬件逻辑结构设计
本系统的工作原理是：采集光线、电量数据，利用这些参数分析控制的照明设施工作电压、照明灯的数量，来合理安排达到节能效果。其系统主要由光照检测电路、电量检测电路、输出控制电路及驱动电路组成。时钟电路采用日历时钟芯片DS1302读出来的当前时间参数与单片机C8051F040内flash中存储的开、关灯时间进行比较，并结合当前时间段的光线、电网电量用度参数，对LED灯进行控制。
2.1光照检测电路设计
采用光敏电阻在不同光线条件下，电阻值不同可检测光照条件。当无光照时，光敏电阻阻值很大，随光强增加，电阻值急剧减小。可以通过电压的不同测量光线参数。电压模拟量需转换为数字量，而单片机C8051F040内嵌8位模数转换器。C8051F040器件有一个片内8位SARADC，带有一个8通道输入多路选择器和可编程增益放大器。该ADC工作在500ksps的最大采样速率时可提供真正的8位精度，INL为±1LSB。有8个用于测量的输入端，可以被配置为单端或差分输入。
2.2电量检测电路的设计
电量检测电路主要完成电网线路的电流电压数据，将此数据通过电量芯片转换为数字信号送至单片机进行处理。检测电网中电力紧张情况。根据电网是否处于低谷或电压过高，以此来控制当前LED灯的供电电压调节灯的亮度措施。设计中采用三相电能专用计量芯片ATT7028A。ATT7028A是一颗高精度三相电能专用计量芯片，适用于三相三线和三相四线应用。它集成了六路二阶sigma-delta ADC、参考电压电路以及所有功率等的数字信号处理等电路，能够测量各相的有功功率、各相电流、电压有效值等参数，还提供一个SPI接口，方便与外部MCU之间进行计量参数传递。
2.3输出控制及驱动电路设计
照明输出控制电路由译码电路、继电器开关电路和自耦变压器组成。可以采取不同时间段开启不同档位电压驱动LED灯的亮度，来达到根据电网运行低谷情况和分时控制。从而可以取得优良的节能效果。而时间信号可以采用实时时钟芯片 DS1302。单片机将检测到的电量信号与时间信号，按照一定规定控制三极管放大后，驱动自耦变压器四个接触器的线圈，而其四个触点分别四档：全压（220V）、高峰期档（额定电压的 93%）、正常期（额定电压的 88%）、低峰期档（额定电压的 83%）。单片机可以通过控制74LS155 二-四译码器译码地址输入端，控制LED的前级的继电器，达到LED灯电源切换作用。
2.4软件设计
软件完成对时间信号、电量信号及光照检测的输出信号进行处理，与单片机内flash预存的信息进行比较判断，来完成对LED的控制。对时间处理：一年可以大致分为三季，每个季节有着不同的开灯时间段。每个开灯时间段分时按照不同的档位电压控制LED的亮度。同时电量检测电路的信息可以调节档位，如在交通高峰时，路灯应投入第1档运行，保证路灯有足够的照明度。此时，如果电网电压过高（高于236V），路灯可以跳过第1档，直接投入第2档运行；人流量不大的黎明时，则兼顾照度和节电效果，此时投入第2档运行。在电网电压过低（低于205V）时，则可返回第1档运行，在电网电压过高（高于242 V）时或光线条件较好（光照值0.1～0.3lux）时，则投入第3档运行。在后半夜时，重点考虑节电效果。白天检测光照度低于50 lux时，认为光线较暗可以点亮LED进行道路照明。此时可将LED投切到第2档运行。一般投入第3档运行，只有当电网电压过低（低于195V）时，路灯才会切到第2档运行。为了避免继电器的频繁关合而造成高次谐波，软件设计时设计每1分钟读取一次电压和光线值，当电压或光线值连续5次都处于与第一次不同的电压或光照度时，认为可以进行档位切换，根据上述切换原则进行切换档位。
3.结束语
本照明节能控制器的设计电路简单，有很好的节电控制效果，具有可靠性高、电能利用效率高等特点。该控制器的设计可以实现完全不须人工干预，自动按照设定程序完成一系列现场数据的采集、比较和开关灯控制等工作，节省人力，提高了工作效率。 [科]
【关键词】道路照明；节能；C8051F040
0.引言
伴随我们工业的高速发展，对电能的需求越来越高。节能更加提上日程。道路照明在满足辨认可靠、视觉舒适的基本要求的同时，另一方面对节能、控制方便捷等方面提出了新的要求。我国大部分城市路灯都是“全夜灯”式的照明方式，造成了不必要的电能浪费。路灯控制器的设计方案道路照明节能方面一般有几种实现途径：采用降电压控制、分时降功率技术、高效节能的钠灯、高性能电子镇流器以及优质系列灯具等。近年来，随着计算机技术迅速发展，通过可编程器件的控制方式来实现节约能源的控制得到迅速的发展。本文根据“按需供电，按量补给”的思想，提出一种基于单片机C8051F040的节能控制器，设计具有硬件成本低、实用价值高、适应范围广等特点。
1.照明节能的主要方式
1.1控制系统的改进
过去的道路照明控制通常采用人工操作方式，即同一线路同时开关，控制较为简单，但不能有效根据环境控制照明亮度，从而达到节约能源的效果。现行的照明监控系统能完成这样的任务，其主要由中央控制系统、通信系统和道路照明开关箱智能终端构成。该监控系统可根据实时的光照条件和季节变化，采用光控和时控结合的控制方法。
1.2电路设计的改进
电路设计时，可以利用可控元件来控制输出电压、电流、功率，或调节照明设施的灯的工作个数，实现节能。可控器件如可控硅元件。可控硅是传统的电力电子器件，如晶闸管等。其交流调压技术的原理是利用可控硅让交流电在一个周期内间断通断来达到调低电压的目的。但可控硅的使用，在调压的过程中因不断开关而产生高次谐波，从而可能导致线路震荡，不同程度造成灯泡寿命降低和电网的电压波动。
1.3灯源的改进
灯源可采用节能的大功率LED灯。LED具有发光效率高，灯具反射损耗低的特点，一般的白光LED的发光效率约为80lm/W，而传统高压钠灯的发光效率为45～55lm/W，可节约用电50%～60%。近年来，许多厂商开始竞争对LED灯的开发，但总体来说是现行研究的LED灯不同程度的存在照明角度偏小、不均匀，颜色显色指数偏低，在光学、散热上设计也相对复杂。
1.4新能源技术的应用
节能的一个方面，可以使用自带发电装置。如在照明设施上安装太阳能发电、风能发电。这种对自然能的利用可以在一定程度上减少高峰时对电网供电压力，也是未来一个大力发展新能源的方向。这种照明设施在白天太阳能或风能充足时，可以利用太阳光和风力资源发电，晚上也可以利用风力发电机发电，弥补了风能供电或太阳能供电的单一性。在自然能源不是很充足时可利用后备电源进行供电。
2.总体硬件逻辑结构设计
本系统的工作原理是：采集光线、电量数据，利用这些参数分析控制的照明设施工作电压、照明灯的数量，来合理安排达到节能效果。其系统主要由光照检测电路、电量检测电路、输出控制电路及驱动电路组成。时钟电路采用日历时钟芯片DS1302读出来的当前时间参数与单片机C8051F040内flash中存储的开、关灯时间进行比较，并结合当前时间段的光线、电网电量用度参数，对LED灯进行控制。
2.1光照检测电路设计
采用光敏电阻在不同光线条件下，电阻值不同可检测光照条件。当无光照时，光敏电阻阻值很大，随光强增加，电阻值急剧减小。可以通过电压的不同测量光线参数。电压模拟量需转换为数字量，而单片机C8051F040内嵌8位模数转换器。C8051F040器件有一个片内8位SARADC，带有一个8通道输入多路选择器和可编程增益放大器。该ADC工作在500ksps的最大采样速率时可提供真正的8位精度，INL为±1LSB。有8个用于测量的输入端，可以被配置为单端或差分输入。
2.2电量检测电路的设计
电量检测电路主要完成电网线路的电流电压数据，将此数据通过电量芯片转换为数字信号送至单片机进行处理。检测电网中电力紧张情况。根据电网是否处于低谷或电压过高，以此来控制当前LED灯的供电电压调节灯的亮度措施。设计中采用三相电能专用计量芯片ATT7028A。ATT7028A是一颗高精度三相电能专用计量芯片，适用于三相三线和三相四线应用。它集成了六路二阶sigma-delta ADC、参考电压电路以及所有功率等的数字信号处理等电路，能够测量各相的有功功率、各相电流、电压有效值等参数，还提供一个SPI接口，方便与外部MCU之间进行计量参数传递。
2.3输出控制及驱动电路设计
照明输出控制电路由译码电路、继电器开关电路和自耦变压器组成。可以采取不同时间段开启不同档位电压驱动LED灯的亮度，来达到根据电网运行低谷情况和分时控制。从而可以取得优良的节能效果。而时间信号可以采用实时时钟芯片 DS1302。单片机将检测到的电量信号与时间信号，按照一定规定控制三极管放大后，驱动自耦变压器四个接触器的线圈，而其四个触点分别四档：全压（220V）、高峰期档（额定电压的 93%）、正常期（额定电压的 88%）、低峰期档（额定电压的 83%）。单片机可以通过控制74LS155 二-四译码器译码地址输入端，控制LED的前级的继电器，达到LED灯电源切换作用。
2.4软件设计
软件完成对时间信号、电量信号及光照检测的输出信号进行处理，与单片机内flash预存的信息进行比较判断，来完成对LED的控制。对时间处理：一年可以大致分为三季，每个季节有着不同的开灯时间段。每个开灯时间段分时按照不同的档位电压控制LED的亮度。同时电量检测电路的信息可以调节档位，如在交通高峰时，路灯应投入第1档运行，保证路灯有足够的照明度。此时，如果电网电压过高（高于236V），路灯可以跳过第1档，直接投入第2档运行；人流量不大的黎明时，则兼顾照度和节电效果，此时投入第2档运行。在电网电压过低（低于205V）时，则可返回第1档运行，在电网电压过高（高于242 V）时或光线条件较好（光照值0.1～0.3lux）时，则投入第3档运行。在后半夜时，重点考虑节电效果。白天检测光照度低于50 lux时，认为光线较暗可以点亮LED进行道路照明。此时可将LED投切到第2档运行。一般投入第3档运行，只有当电网电压过低（低于195V）时，路灯才会切到第2档运行。为了避免继电器的频繁关合而造成高次谐波，软件设计时设计每1分钟读取一次电压和光线值，当电压或光线值连续5次都处于与第一次不同的电压或光照度时，认为可以进行档位切换，根据上述切换原则进行切换档位。
3.结束语
本照明节能控制器的设计电路简单，有很好的节电控制效果，具有可靠性高、电能利用效率高等特点。该控制器的设计可以实现完全不须人工干预，自动按照设定程序完成一系列现场数据的采集、比较和开关灯控制等工作，节省人力，提高了工作效率。 [科]