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1、1 绪论改革开放以来，我国经济快速发展，电力资源得到广泛应用，导致我国的能源需求量加大。随着经济的发展，人民的生活水平也显著提高，各种旅游景点也相继诞生，数量也越来越多，因而照明耗能迅速上升，照明节能也已日益受到重视。我国人口众多，人均资源占有量非常少，在开发的过程中不注意保护资源，导致了现在煤炭资源的缺乏，使得电厂发电成本不断升高，这导致了景观照明用电消费的增长。与此同时，景观照明还有规模过大、系统设计不合理、亮度过高等严重问题，也造成了资源浪费。据不完全统计，景观照明耗电量占全国用电量的2%到4%，因此景观照明节能具有很重要的意义。1.1研究背景及意义照明用电供电系统中，为了避免送电过程中
2、的线路损耗及用电高峰造成的末端电压过低，导致灯不亮的情况出现，往往都是以较高的电压传输，超出了用电设备的额定电压，由于照明用电时间多在夜间电网波峰段，所以供电电压偏高，而此时景观内的游客数量很少，必然会导致照明的光通量增大，使照度升高，造成浪费。在传统的照明节能控制系统中，控制装置受电网波动的影响较大，也不能实现对电压的精确调节控制，这也造成了系统的不稳定性。为了实现可持续发展，照明节能势在必行。随着科技的创新，智能照明技术也日益趋于完善，它可以实现对照明调压实现智能，减少电能的消耗，具有较高的可靠性和经济型，是目前社会上应用最广泛的节电手段。目前智能照明节电装置加入了很多新技术，这也大大增加
3、其生产成本。因此为了节省电能，同时又要降低成本，需要设计出新的智能照明管理系统，使其不但可以对照明调压实现智能，也能减少电压波动对灯具的损耗，降低耗电量。1.2国内外的研究现状在欧美国家，节电行业是一个每年上百亿欧元的庞大市场，节电成为政府号召节约能源的重要内容，在国内，很多企业存在电能浪费的现象，成千上万的企业正等待着进行节电改造，通过节电，不但可以减低成本，也可以在同行业中更具有竞争力，可谓是一举多得。随着世界能源危机的加剧，各国都在寻求各种解决能源危机的办法，一种是新能源和可再生能源的利用;另一种是开发新的节能技术，提高能源的利用率，降低能源的消耗。近年来，国际节电研究界提出了一种叫“在
4、保证照明效果下点着灯节电”的新概念，这样的概念才是科学的，合理的，这是发达国家道路照明系统的重要设计思想。在国外，美国、英国、法国、德国等发达国家已经开始研发新型的照明节电设备，在韩国，室内场馆的照明节电已经严格落实到了每一个人，馆长会将节电制度手册发给每一个员工，并要定期检查员工的阅读情况，如果完成效果不好，将要对其罚款。在日本，有更加严格的用电节能制度，城市景观每周每地区会定时关灯一小时，时刻告诉人们节能就在身边。目前国际照明节能的主要方式分为两种:(1)在照明系统中使用高效的节能型光源，即选择发光效率高的灯源。(2)将节能控制设备加装在己经使用的照明系统中。 两种方法各有优缺点，从对照明
5、系统使用的方面来讲，新设计的照明系统中多采用第一种节能方式。而对已经建设好的的照明系统，若要采用高效节能光源就需要更换现有的所有灯具，这样就会需要投入大量的资金和人力。同时，高效节能光源的价格会很高，一般是传统光源价格的6-10倍。这样，如果投入使用，虽然会使照明场所的节能效果得到提高，但是总经济投入不会降低，达不到整体节约的目的。国外的照明节能管理系统，大多采用上述第二种方式，并采用光控、声控、时控等控制方式，成本低且安装维护比较方便，但是不能够合理额准确的控制灯源的亮度。比如在天气不好的时候不能准确的做出判断，也不能根据季节自动的进行调整。现阶段，智能照明节电装置加入了许多新技术，其生产成
6、本要高于前面的那两种传统的照明节电设备，但是新型的智能节电设备不但要可以对照明调压实现智能，且能减少电压波动对灯具的损耗，降低电能的使用。目前节能这类的照明节能控制方式也日趋完善，产品的具有更高的可靠性和经济型，也是目前社会上应用最广泛的节电手段。近些年来，我国能源浪费比较严重，为实现可持续发展，照明节电已经势在必行。目前，国内的景观照明节能和国际节能方式类似，也是主要依靠两种方式：在系统中采用高效的节能光源，也就是选择使用发光效率较高的灯；在照明系统中加装节能控制设备。前一种节能方式，现在较多的被应用，但是高效的节能光源价格较高，会增加照明设施的运行资金，同时更换照明光源，还需要消耗大量的人
7、力，这样虽然节能效果有提高，但是资金投入会增大，达不到节约的目的。第二种方式中，系统中的节能控制设备采用了新技术，成本更高，但是可以实现智能调压，减少了电压波动的影响，也减少了电能的损耗，目前这种照明节能控制方式发展很快，也趋于完善，成为世界上最广泛应用的节能手段。景观照明系统的控制方式很多，如光控、时控等。光控方式简单，安装维护非常方便且价格低廉，缺点是控制的准确性较差，在天气条件不好的情况下容易误作；时控系统也比较简单，安装维护也非常方便并且价格便宜，但控制不方便，开启和熄灭时间相对固定，对于景观节能非常不利，也不能根据季节自动调整。景观照明节能是一项系统工程，一般来说其与选用的光源、灯具
8、和控制系统、照明标准、照明方式以及后期照明设施维护与管理等多个因素密切相关。为此我国绿色照明工程办公室启动一次绿色照明项目，进一步从照明产品、照明设计、照明管理、天然光利用等方面挖掘照明节能潜力。还开发了不少智能照明设计，如智能灯具、智能照明控制与管理系统，包括在照明方面的计算机硬件和软件。此外计算机在照明设计和测试方面也得到广泛应用。俄罗斯开发的智能照明管理系统，日本的智能照明建筑，特别是现代化办公室的智能照明技术等都值得我们研究与借鉴。 智能照明系统是由控制器、远程IO模块或扩展I0 模块、触摸屏等来实现控制。我国的某些景观照明系统采用了PLC控制器来实现节能，它能够方便照明系统的按照、调
9、试、维护、故障诊断等工作，且其扩展性好，自动化程度高，具有良好的发展前景。根据参考文献，照明节能管理系统有的采取单片机做CPU，充分利用了单片机体积小，抗干扰能力强的优点，保证了照明管理系统的可靠性，同时单片机价格便宜，满足了景观经济性要求。基于单片机的照明控制系统，用软件的方法为每一个单片机分配一个唯一标识的单片机编号，每个单片机再与一个照明灯线路相连，通过微型计算机串口与多个单片机相连。当微型计算机向单片机发出控制命令时，相应编号的单片机便可控制与其关联的照明灯的开关。照明灯具开关控制程序是在单片机中运行的程序，由此程序来控制灯具的开关。基于MCS-51单片机的照明节能管理系统是以MCS-
10、51单片机为核心的一个集采集、处理、控制为一身的自动控制系统，其工作原理是首先通过被动热释电红外探测器和环境噪声探测是否有人，并探测环境亮度，如果没人，则照明设施不开。该系统设计采用模块化设计思想，以主程序为核心设置功能模块子程序，运行过程中通过主程序调用各功能模块子程序，因为照明设施控制实时要求不高，循环控制即可满足要求。基于AT89C51单片机的照明控制系统的设计原理与实现方法。该控制系统可以同时控制多个照明灯具的开关，也可对某个指定的照明灯具进行控制。此方法简单有效，控制成本低，实时性强，可以达到节约电源的目的。1.3 景观照明节能管理系统设计的基本任务景观照明节能管理系统主要是通过对系
11、统主电路的设计，实现通过控制调压供电系统通断、按时段控制供电电压幅值，在保证安全照明前提下，实现耗电量最小。关于系统的电压稳定性，可以通过增加电压反馈环节，通过数字控制器调节。电子技术的快速发展，单片机技术日益成熟，以单片机为基础的照明控制系统已经得到了广泛的应用。本文将采用单片机系统实现数字调压控制与照明系统节能供电管理。1.4 景观照明节能管理系统的特点传统的景观设计照明，采用的是手动按钮开关、断路器等对开关进行控制，这种控制方式简单、方便，但是不适用大范围的景观照明管理，大面积的景观照明维护和管理工作费时、费力、费人，同时还造成了电能的浪费。目前景观照明大多采用的是全硬件电路，结构复杂、
12、功能单一，维护费用高且不能不能根据实际需求做出相应的改变，同时还存在难以实现节能的目的等一系列问题。本文将进行调压系统的设计，设计一套采用自适应控制思想且场景、调度相结合的智能化控制系统。进一步探讨节能的方式，实现最大限度的节能，并综合单片机的使用，使照明系统更加智能化、维护简单化，提高照明技术和科技含量。1.5本章小结本章节叙述了所选课题的研究背景及意义、国内外的研究现状、研究的基本任务以及所研究系统的特点，并简明的概述了全文的章节。在对国内外的研究现状描述时，扼要的介绍了目前国内景观照明节能所采用的两种方式：在系统中采用高效的节能光源；在照明系统中加装节能控制设备。这两种节能方式都有各自的
13、特点，也都能达到一定的节能效果。2 景观照明调压系统主电路景观照明调压系统是一个包含供电系统、调压系统、照明管理系统的复杂控制电路，它主要由接触器、晶闸管、空气开关、电压反馈、单片机等部分组成。2.1 景观照明节能管理系统主电路的器件的选择2.1.1 主电路接触器的选择电磁式电器的执行部分是触点，触点的接触方式分为三种：点接触、线接触和面接触。电磁式接触器是利用电磁吸力的作用使主触点闭合或分断电动机电路或其他负载电路的控制电器。用它可以实现频繁地远距离操作，具有比工作电流大数倍乃至十几倍的接通和分断能力。其体积小、价格低和维护方便，因而用途十分广泛。接触器按其主控点控制的电路中电流的种类分类可
14、分为直流接触器和交流接触器。选用时，一般交流负载用交流接触器，直流负载用直流接触器。景观照明供电系统采用的是负载为50A的交流电，因此可采用交流接触器。另外景观照明管理系统需要接触器控制电容器和白炽灯，接通时的冲击电流可达到额定值的几十倍，因此从接通方面考虑，应当选用AC4类的接触器。不同类型的照明设备，起动电流和起动时间也不一样，起动时间很短，可选用约定发热电流等于照明设备工作电流的1.1倍即可。总上，该系统可选用型号为CJX2-6311的交流接触器。2.1.2 主电路晶闸管的选择晶闸管是一种整流元件，其整流电压可以控制，当供给整流电路的交流电压一定时，输出电压能够均匀调节。在整流电路中，晶
15、闸管在承受正向电压的时间内，改变触发脉冲的输入时刻，即改变控制角的大小，在负载上可以得到不同数值的电压，因而控制了输出电压的大小。实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能正常可靠工作。照明系统中需要在电路中随时关断晶闸管，可选用可关断晶闸管，因为其门级端加合适的触发信号后就会关断。但是，晶闸管的应用会产生谐波，谐波电流流过绕组时会产生附加损耗，还会造成电容器的过负荷，严重时会损坏电容器。另外谐波频率越高，趋肤效应也就越明显，有效电阻也随之增大，引起导线发热而增加电能的损耗。为了防止上述问题的产生，应该考虑其他技术的应用。目前电力电子器件快
16、速发展，单片机开发应用也日益广泛，这也促进了PWM控制技术的发展，PWM技术也被广泛应用于各种控制系统中。本课题研究内容为景观照明节能管理系统的设计，考虑到其负载电流为50A，故应当选用大功率性的晶闸管。结合参考文献和网上查阅资料，选定BTA100-1200B双向可控硅晶闸管，其额定正向平均电流为100A，最大稳定工作电流为100A，正向重复峰值电压为1200V，反向阻断峰值电压为1200V，且其门极散耗功率仅为0.5W，满足系统设计的要求。2.1.3 主电路空气开关的选择空气开关是指触头在大气压力下得空气中分合的断路器，是低压配电网络和电力拖动系统中非常重要的一种电器。它的绝缘介质为空气，用
17、锁扣保持合闸位置，由脱扣机构作用于跳闸并具有灭弧装置的低压开关，被广泛用于500V一下的交、直流装置中，在电路中作接通、分断和承载额定工作电流和短路、过载等故障电流。因此空气开关具有过载、短路、欠电压保护等多种保护功能，动作值可调、分断能力高、操作方便、安全等优点，并利用一定的触头结构，限制分断时短路电流峰值的限流原理，对提高断路器的分断能力有明显的作用，所以目前被广泛应用。空气开关的工作原理是短路电流远大于正常负载电流，短路电流导致脱扣器脱扣，动触头在弹簧作用下与静触头分开，使得电路断开。短路电流有多种方式实现脱扣器脱扣，一般是采用电磁铁的原理实现的，线圈中经过负载电流时电磁铁吸引力小，经过
18、短路电流时吸力足以使衔铁动作，带动脱扣器脱扣。大点的空气开关还具有过负载保护，一般采用双金属片，当电路过负荷达到一定时间的时候，热量会使双金属片变形导致脱扣器脱扣从而断开电路。挑选空气开关时应注意:空气开关额定电压大于等于线路额定电压；空气开关的额定电流和过电流脱扣器的额定电流大于等于线路计算负载电流。如果空气开关的额定电流选择的偏小，就会使空气开关频繁跳闸，引起不必要的停电；如果选择的过大，则达不到预期的保护效果。因此选择额定容量电流大小很重要。考虑到以后用电负荷增加的可能性，为以后需要留有裕量。空气开关的额定电流有几安培至几百安培，景观照明调压系统主电路中，负载电流为50A，因此可选用型号
19、为C63A的空气开关。2.1.4 电气隔离装置在控制系统中，大量应用的是开关量的控制，这些开关量一般经过单片机的I/O口输出，但是I/O口的驱动能力有限，一般不能够驱动一些执行器件，需要加接驱动介面电路，为了避免相互间的干扰，因此需要采取隔离措施。如可控硅所在的主电路一般是交流强电回路，电压较高，电流较大，不易与微机直接相连，可应用光耦合器将微机控制信号与可控硅触发电路进行隔离。本课题照明管理系统中，是强电输入，电压较高，电流较大，不能直接与单片机相连，因此可用光耦合器将单片机控制信号与系统触发主电路隔离。电气装置中，输入、输出信号往往容易产生相互干扰，会对信号造成一定的影响。所以应当选用合适
20、的隔离器来隔离输入、输出端。经过查文献资料等，发现光电耦合器可以对输入端、输出端实现完全的电气隔离。光电耦合器可把电信号转换成为光信号，然后再将光信号恢复为电信号的半导体器件，属于电光电转换器件。其基本结构是将光发射器和光敏接收器装在同一密闭的壳内，彼此间用透明绝缘体隔离。它以光为媒介传播电信号，其输入端和输出端的传输是通过光信号来实现的，两端口之间在电气上是完全隔离的，耐压一般可超过1kV，有的甚至可以达到10kV以上。当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极管通过电流而发光，其发光的强弱与信号电流成正比，亦即与流过二极管的正向电流的大小成正比，输出端的光敏三极管受到光照后CE导通。而当输
21、入端无信号时，发光二极管不亮，光敏三极管截止，CE不通。从而实现了光电的传输和转换。电信号的传输具有单向性等特点，信号从光源单向传输到光接收器时不会出现反馈现象，其输出信号也不会影响输入端，所以没有电信号的干扰和反馈，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生，因此光电耦合器的抗干扰能力强，性能稳定，可用于该照明调压管理系统中。通过对光电耦合器类型的分析研究，在照明调压管理系统中，可选用线性光耦合器，因为其电流传输比能够在一定的范围内做线性调整，使系统稳定性更强，智能性也得到提高。光电耦合器有很多类型，下图所示为其中一种光电耦合器原理图：还应注意，在光电耦合器的输入部分和输出部分必须分别采用独立的电源，
22、若两端共用一个电源，则光电耦合器的隔离作用将失去意义。2.1.5 照明灯具的选择随着时代的发展，科学技术的日益提高照明灯具已经不仅仅局限于照明，选择灯具时还应必须考虑到安全、节能、防水、耐腐蚀等参数指标。目前，景观照明中，灯具主要有一下几种：白炽灯、高压汞灯、高压钠灯、低压钠灯、金属卤化物灯、氚灯、LED灯和光纤。白炽灯使用寿命太短，且功率比较大，耗能较多；高压汞灯种类较多，常用于水池或树木植物的投光照明；高压钠灯发光效率较高，使用寿命为5000h，辐射的光为金黄色，因此显色性较差，适合暖色调的建筑物；低压钠灯是单色光，是目前所有光源中光效最高的一种光源，其使用寿命为19000h，适用于一般景
23、观建筑物的照明；金属卤化物灯可形成不同颜色的光源，发光效率高，显色性好，其使用寿命为2000h；氚灯工作稳定，耐低温也耐高温，但是使用寿命太短，光效较低；LED灯以发光二极管作为光源，较适用于需要快速响应或高速运动的场合，另外LED灯是实心的全固体结构，能承受住震动或冲击，适用于条件较为恶劣的场合；光纤是利用另外的光源通过光纤作为传导方式，能有效的完全分离光和电，安全性很好，但是价位比较高。景观照明不需要太高的照明亮度，只有营造一个照明特色就行了，设计时需要考虑节能。选取的照明灯具应当使照明能耗较少到最低程度，也应使管理维护方便合理。低压钠灯是利用低压钠蒸汽放电发光的点光源，是光衰最小和发光效
24、率最高的点光源，它透雾性很好，特别适合高速公路、公园、景观等场所的照明，可使人清晰地看到色差比较小的物体，是替代高压汞灯节省电能的一种高效灯种。目前，低压钠灯有18W、26W、35W、36W、55W、66W、90W、135W等多种规格。综合考虑各种因素和各灯具的特点，本设计可选用功率为18W的低压钠灯作为景观照明的灯具。2.2 按光亮度控制调压供电系统通断、按时段控制供电电压幅值2.2.1 按光亮度控制调压供电系统通断景观照明节能管理系统，需要根据外界不同的的光亮度进行适当的调压控制。在光亮度较暗或天气不好需要光照时，系统可以自动的开启照明模式；在晴天白天的时候，不需要进行灯光照明，系统应可使
25、照明系统自动关断。目前，光敏电阻已经被广泛的被应用于显示和照明系统，用以节省电能的损耗。因此可选用一个光敏电阻来感受外界的光照亮度，然后通过照明管理系统进行调节。设计系统时利用环境光感测方案，实现照明的自动调节。光敏电阻的选择，应当使其输出与光强度成线性关系，可以感知外界光强度并自动调节照明亮度，从而减少电能损耗。另外其暗电流小，灵敏度高，可低照度响应，光谱波长敏感度接近人眼，可准确的感应光亮度，即使是阴天等天气不好需要照明时也可以实现系统的自动照明，从而可准确的进行照明亮度的调节。2.2.2 按时段控制供电电压幅值景观照明中，还需考虑一个时间问题，时间段不同，供电系统供电的电压幅值也应随之变
26、化，使其达到节能的最好效果。在白天时段，一般照明设施不用开启，照明供电系统可以暂时关断；在傍晚或夜晚时段，景观对照明设施的光亮度要求会增加。因此需要根据时间段的不同来对电压进行幅值调节。按时段进行电压幅值调节，就要先对时间段进行一定的设置，选用单片机即可实现。采用电脑时钟与单片机的输入接口相连，对单片机进行时间上的编程，让其根据时间的变化控制PWM控制电路从而实现对照明系统主电路通断的控制。2.3 电压反馈环节电力系统的运行方式、线路阻抗及有功负荷和无功负荷的变化会导致电压偏差的出现，导致了实际电压的幅值在某一时间内缓慢的变化而偏离额定电压。大型用电设备负荷快速变化引起的冲击性负荷容易造成电压
27、波动，导致实际电压幅值在某一个时间段内急剧变化而偏离了额定电压，导致电压高低变化。电气设备长时间工作在电压不稳定的情况下，使用寿命会严重缩短，造成了不必要的经济损失。电压不稳定，电气设备在非额定电压下工作，会造成电能的浪费，增大景观照明的开支。因此需要采取一定的措施来维持电压的稳定性。电压的稳定性对照明管理调压系统有着至关重要的作用。考虑到负载瞬态响应、输出精度、隔离输出等方面，可以采用电压反馈使电压保持在一个固定的值，保证了电压的稳定性。电压反馈环节最主要的部分就是高增益运算放大器，它把输出电压与参考电压的误差放大，并产生电压误差信号。误差放大器在额定输出电压时会产生一个“零误差”点，若输出
28、电压偏离额定值，放大器就会改变其输出的误差电压，电源系统用此来校正脉宽，使得输出电压回归到额定值。由于照明电路中电压源是220V的交流电，电压反馈环节不能直接与单片机相连。因此需要整理电路和滤波电路。整理电路是把交流电压转变为脉动的直流电压，本课题设计中选用单向全波桥式整理电路来实现交流电与直流电的转换。转换后的电压为脉动电压，这就还需要滤波电路将脉动直流转换为真正的直流，可在桥式整理电路的输出并联接上一个滤波电容器，利用电容可以同交流，不能同直流的特性，达到滤波的效果。为了使通入单片机的电压不太大烧毁单片机，可在整理电路的负载两端并接一个电压表，实时监测流过的电压值。为了更好的维持电压的稳定
29、，应该选用数字控制器与照明管理调压系统中的电压反馈部分连接。数字控制器是计算机控制系统的核心，其通常是利用计算机软件编程，完成特定的控制算法。数字控制器采用双环控制的PID调节，外环设计为电压有效值控制环，进行数字滤波，获得输出电压的有效值；内环设为电压瞬时值反馈环，控制输出电压的瞬时值，内环控制器采用PD控制器，可以保证系统有足够的稳定裕度。这也保证了在负载变化或系统受到干扰后仍可维持输出电压有效值的稳定性，克服了干扰对输出电压波形的影响，改善了控制系统的动态性能和稳态性能。数字控制器，信号进入A/D转化器后要经过采样过程和量化过程两个过程。在采样过程后得到离散信号，在时间上是间断的。量化过
30、程是把离散信号表示成最小位二进制的整数倍，成为数字信号，也就是编码。经过A/D转化，连续的时间信号变成离散的数字信号。因为数字信号位数有限，所以具有有限的精度。因此也就在转化的时候存在一些误差。这个有误差的信号后来进入D/A环节，再经历解码和复现两个过程。复现是把离散信号复现为连续模拟信号直接控制连续的被控对象，而离散信号不能够直接控制连续的被控对象。这带误差的信号与A/D转化前的信号之间的误差就是引起数字控制器精度的原因。通过对数字控制器误差的分析和A/D位数对控制精度的影响的研究，得出A/D位数与D/A位数一致和不一致时两信号之间的误差，也就明确了数字控制器的精度。当A/D位数与D/A位数
31、一致，均为8位时，误差为0.39%，景观照明节能管理系统的供电电压为220V，其误差也就为0.858V，因此控制精度为0.858V，满足了其为1V的需求。因此一般选用A/D位数为8位的就能满足控制要求。综合考虑，可以选用TCL549。TLC549是一种低价位、高性能的8位A/D转换器，以8位开关电容逐次逼近的方法实现 A/D转换，其转换速度小于 17us，电源为 3V至 6V。它可采用三线串行接口方式方便直接的与各种典型的8位或16位的微处理器相连，构成廉价的测控应用系统，无须附加逻辑接口电路，且能与CMOS及TTL兼容。其接线图如下：2.4单片机控制电路的设计及应用随着科学技术的不断发展，单
32、片机因具有体积小、可靠性高、适应温度范围宽、抗干扰能力强、价格低、易扩展、功能强、功耗低等优点，越来越多的代替电气控制产品，其主要广泛的应用于监测和控制系统中。MCS-51单片机是比较常用的单片机，使用十分方便，所以本次设计可选用89C51，其内部有4KB的程序存储器，不需要外部扩展，是硬件电路简单。2.4.1 89C51 单片机的介绍MCS-51单片机的内部结构主要包括CPU、只读存储器ROM、随机存储器RAM、定时器/计数器、I/O接口电路、中断系统、串行口、特殊功能寄存器SFR等部件。共包含44只引脚，其中4只是无用的引脚。89C51单片机的主要工作特性如下：1、片内程序存储器内含4KB
33、的Flash的程序存储器，擦写寿命为1000次，片内数据存储器内含128字节的RAM；2、具有32根可编程I/O口和两个可编程的定时器；3、中断系统具有5个中断源和两个中断优先级；4、串行口是具有一个全双工的可编程串行通信口；5、低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式两种；6、其工作电压电压为5V，最高工作频率为24MHz。89C51单片机的功能如下：RST：复位输入信号，高电平有效。在振荡器稳定工作时候，在RST脚施加两个机器周期（即24个晶振周期）以上的高电平，将器件复位。Vcc电源电压输入引脚。GND接地。XTAL1片内振荡器反相放大器和时钟发生电路的输入端。使用片内振荡器时，连接外部石英晶
34、体和微调电容。XTAL2片内振荡器反相放大器的输出端。当使用片内振荡器时，外接石英晶体和微调电容。当使用外部振荡器时，引脚XTAL1接收外振荡器信号，XTAL2悬空。P0口：8位漏极开路双向8位三态I/O口，P0口可驱动8个TTL负载。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高祖输入。能够用于外部程序数据存储器，可以被定义为数据/地址的低八位。P0口也可作通用I/O口使用，但需要加上拉电阻，变为准双向口。当作为普通输入时，应将输出锁存器置1。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：带内部提供上拉电阻的8位准双向I/O口，可驱
35、动4个LS型TTL负载。P1口管脚写入1时，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，由于内部上拉的缘故将输出电流。在编程和校验时，可用做输入低8位地址。用做输入时，应先将输出锁存器置1。P2口：带内部上拉电阻的8位准双向I/O口，也可作普通I/O口使用。P2口缓冲器可接收、输出4个TTL门电流，当P2口被写1时，其管脚被内部上拉电阻拉高，作为输入。作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。用做输入时，应先将输出锁存器置1。当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，输出地址的高八位。P3口：带内部上拉电阻的8位准双向I/O口，双功能复用口，可驱动4个LS型T
36、TL负载，可作为普通的I/O口。用做输入时，应先将输出锁存器置1。在编程/校验时，P3口接收某些控制信号。还可提供各种替代功能。另外，P3口也可作为单片机89C51的一些特殊功能口：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时可为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。2.4.2 89C51 单片机的复位、晶振电路的设计AT89C51单片机复位、晶振电路如下图
37、： 如上图所示，晶体振荡器、电容和上电复位电路构成单片机的最小系统。晶振电路是给单片机提供时钟信号。复位电路提供单片机复位功能，上电时可给单片机RST脚提供相应的复位电平信号。如上图所示晶振电路，电容C2、C3 可起频率微调作用，电容值在5pF30pF之间选择，本电路选22pF。晶体振荡器选用12MHz的高稳定无源晶体振荡器，它与89C51中的反向放大器构成振荡器，给CPU提供高稳定的时钟信号。上图复位电路具有上电复位的功能，电阻给电容充电，电容的电压缓慢上升直到vcc，没到vcc时芯片复位脚近似低电平，于是芯片复位，接近vcc时芯片复位脚近高电平，于是芯片停止复位，复位完成。如图所示，当给系
38、统上电时C1有一个充电放电的过程，放电过程中会产生一个高电平。单片机正常工作时，按下开关S1，RST端的电平为高电平，此时芯片也会产生一个高电平复位信号。2.4.3 89C51 单片机键盘输入模块、显示器的设计键盘分为编码键盘和非编码键盘，键盘上闭合键的识别由专门的硬件编码器实现，并产生键编码号或键值的称为编码键盘，比如计算机键盘；而非编码键盘是靠软件编程来识别的。在单片机组成的各种系统中，应用最广泛的就是非编码键盘，本课题的设计也采用非编码键盘。非编码键盘又分成独立键盘和行列式（矩阵式）键盘。独立式键盘是指各按键相互独立的接通一条输入数据线，即每个按键都需接一个I/O口，各按键之间相互独立，
39、因此会占用比较多的I/O口，不适合在按键较多的场合应用，但是电路简单。当任何一个按键按下时，与之相连的输入数据线即可读入数据0，未按下时读入1；而行列式（矩阵式）键盘以N个端口连接控制N*N个按键，实时在显示器上显示按键信息，省下来很多的I/O端口。矩阵式键盘用N条I/O线作为行线，N条I/O线作为列线组成的键盘。在行线和列线的每个交叉点上设置一个按键，这样键盘上的按键就有N*N个，这种结构可以有效的提高I/O的利用率，但是矩阵式键盘编程比较复杂，制图较独立式键盘繁杂。本课题的研究中，需要采用按键对时间和电压值进行相应的设置，不需要太多的按键，因此采用独立式键盘进行系统设计即可。如左下图所示，
40、单片机P0.4-P0.6接三个控制电压值和时间段的按键，如右下图所示，P3.5-P3.7接三个设置年月日的按键。单片机显示器模块，一般分为两种。第一种是采用多个数码管显示，其利用二极管发光显示字母和数字，因此亮度较大，价格低，接口设计也比较简单。但是它显示的信息量有限，不能够显示汉字，工作电流也比较大，所以在应用中会受到很大的限制。第二种是采用液晶显示，它功耗低，使用寿命长，不产生辐射污染，并且具有汉字显示功能，不仅可以实现基本的显示信息，还可以显示各种符号丰富信息量，被广泛应用在单片机系统和智能仪器仪表中。通过对上述两种显示方式的对比，本课题系统采用第二种显示模块。为了克服LCD模板比较脆弱
41、的特性，目前都已将LCD控制器、驱动器、RAM、ROM和LCD显示器用PCB连接到一起，我们称之为液晶显示模板（LCM）。组成的模块可以以8位二进制数的形式，生成32个字符。若用单片机进行对LCM的控制，可向LCM输入相应的命令和数据，就可实现对所需内容的显示。LCM一般有包括8条数据线、3条控制线、3条电源线在内的18个引脚。通过对各种类型液晶显示器的分析对比，本课题可采用LCD12864液晶显示器。其工作电压在4.5V-5.5V之间，工作电流为2mA，低电压低功耗，具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，其接口简单，操作方便。本课题设计中，LCD12864的DB0-DB7对应P1口
42、的各个引脚，RST接电源，CS2、CS1、D1、R/W、E分别接单片机P2.3-P2.7。LGM12641BS1R显示电路如下：2.5本章小结本章节，主要对景观照明节能管理系统主电路进行了设计，选取了接触器、晶闸管、空气开关和电气隔离装置的规格型号；也对实现按光亮度控制调压供电系统通断、按时段控制供电电压幅值进行了相应的研究分析；为了保持电压的稳定性和准确性，设计了电压反馈环节，并利用数字控制调节器来调节电压的稳定性，保证了电压的控制精度；本设计采用89C51单片机来进行相应的控制，本章也扼要的介绍了89C51单片机的功能及应用，并设计出了复位和晶振电路，完成了单片机最小系统的设计，同时也设计
43、出了单片机键盘输入模块和显示器，从而完成了对单片机最基本的设计。3 景观照明光传感器模块及实时时钟的设计为了实现照明管理系统按光亮度控制调压系统的通断和按时段控制供电电压的幅值，系统中还需要光敏电阻来感测外界光亮度，需要电脑时钟来确定准确的时间，实现照明的智能化、节能化。3.1光敏电阻的选择照明调压管理系统中，主要照明设施是灯泡，对传感器的信号要求比人眼看到的数量要高的多。若要通过对外界光亮强度的感测控制照明调压系统，则需要脉冲（开关）式光电开关传感器和单片机来实现。当外界环境较暗需要照明时，脉冲（开关）式光电开关传感器给单片机一个触发脉冲，使得单片机控制的主电路接触器导通，照明电路开始工作。
44、照明调压管理系统中，主要照明设施是灯泡，对光亮度的信号要求比人眼看到的数量要高的多。通过参考文献，发现光敏电阻5516可以满足系统设计的要求。在外界环境较暗时，其电阻值为1-10M欧姆，外界环境较明亮时（100LX），它的阻值仅有几百到几千欧姆。其对光的敏感性与人眼对可见光的响应很接近，只有人眼可感受到的光，都会引起光敏电阻5516阻值的变化。因此可2C BUS接口对应I2C BUS接口使照明调压管理系统能够根据光照强度的范围进行编程，更好的优化该感测系统。如下图所示，当有光照时，光敏电阻的阻值变小，比较器 3点的电压降低，当其低于比较器2点的电压时，比较器LM358输出低电平信号。当没有光照
45、时，光敏电阻阻值变大，比较器3点电压升高，高于比较器2点的电压时，比较器LM358输出高电平信号。滑动变阻器可用来调节灵敏度。3.2实时时钟模板的设计为了实现景观照明节能管理系统能够按照时段控制供电电压的幅值，需要一个实时时钟提供定时、测控。单片机根据实时时钟显示的时间的变化而改变对PWM的控制，从而控制了供电电压。目前实时时钟的集成电路有很多种，如DS1302、DS1307、PCF8485等，这些电路的接口比较简单，价格也相对便宜，均被广泛的应用在计时电路中，本课题只需要选择合适的芯片即可。DS1302可实时显示时间，可对年、月、日、时、分、秒进行计时。它采用串行数据传输，可为掉电保护电源提
46、供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能，工作电压为2.5-5.5V，采用普通的37.768Hz晶振。本课题设计要求按照时段控制电压幅值，可通过编程，设置电压在不同时间段的不同幅值，夜间电压值要相对高些，满足景观照明的需求，在白天时段，设置电压值比较低，然后再配合按光亮度控制调压系统的通断，实现了景观照明的节能化、智能化。3.3本章小结本章节，主要就景观照明系统按光亮度控制调压系统的通断和按时段控制供电电压的幅值进行了光敏电阻的选择和时钟模板的设计。选择了对光的敏感性与人眼对可见光的响应很接近的光敏电阻5516，实现了对外界光亮度的感测，把信号传给单片机进行对照明电路的控制。时钟模板中，选用D
47、S1302来进行对时段电压幅值的控制。使得照明电路电压值在不同的时间段具有不同的幅值。4 景观照明节能管理系统中同步检测的设计近年来，双向可控硅因其效率高、控制特性好、可靠性高等优点，获得了快速的发展，已成为自动控制领域中重要的组成部分。双向可控硅是一种功率半导体器件, 也称双向晶闸管, 在单片机控制系统中, 可作为功率驱动器件, 由于双向可控硅没有反向耐压问题, 控制电路简单, 因此特别适合做交流无触点开关使用。双向可控硅接通的一般都是一些功率较大的用电器, 且连接在强电网络中, 其触发电路的抗干扰问题很重要,通常都是通过光电耦合器将单片机控制系统中的触发信号加载到可控硅的控制极。为减小驱动
48、功率和可控硅触发时产生的干扰,需要采用触发电路。双向可控硅是否得以成功应用，关键在于其触发电路。其触发电路有两种：移相触发和过零触发。移相触发负载上的电压时有缺角的正弦波，容易造成电源波形畸变，产生的高频电磁波而干扰周围电子设备的正常工作，因此触发电路一般采用过零触发。本课题的设计也采用过零触发。过零触发是指在电压为零或零附近的瞬间接通。要采用过零触发，电路还需正弦交流电过零检测电路。过零检测，是指交流电压过零点被自动检测进而产生驱动信号，使双向可控硅在此时刻开始导通。现在过零检测技术与光耦隔离技术相结合，采用过零检测给主芯片提供一个标准，该标准的起点是零电压，双向可控硅导通角的大小就依靠这个
49、标准。如下图所示，当正弦交流电压接近于零时，光电耦合器U1的发光二极管截止，导致三极管Q1截止，三极管Q1的输出端接反向器与单片机INT0引脚相连，再接一反向器与INT1引脚相连。在中断服务子程序中使用定时器累计移相时间，然后向双向可控硅发出同步触发信号。从而实现照明电路得到完整的正弦波。为了实时的检测电压的稳定性，景观照明管理系统还增设了测电压波形的示波器，可测得不同时间段的电压波形，更加直接的清晰的了解到电压的波动情况，便于进行调压控制。景观照明节能管理系统模型大体如下，通过光敏电阻对外界光环境的感测，给单片机发出信号，使其通过控制双向可控硅和接触器控制照明主电路的通断，实现根据光亮强度控制调压系统的通断。另外，时钟模板与单片机连接，对单片机进行相应的
