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1、The Control System of Streetlamp for Energy Saving摘 要城市当中规模庞大的路灯系统对电能的消耗也相当可观，特别是路灯一般需要通宵长明，路灯的节能效应不可低估。除了在器件上选择节能产品和保持合理照度外，通过控制来实现节能也是很有效的。它通过使用电力电子器件，单片机，低压电器等进行调压等自动控制，降低过高的夜间电压,合理调压，按时开关，使路灯系统达到节能的目的。其核心就是设计节能控制系统的电路，特别是使用电力电子调压技术。PWM技术就是其中之一，他基于单片机和3525驱动电路来实现控制。较传统方法更加有效，污染较小。通过3525的特性的应用，设计控
2、制电路，由输入基准电压控制输出。 关键词 路灯节能 调压控制 PWM 单片机 3525 AbstractIn modern large cities, the huge streetlamp system costs so much power, and it must be on work all the night to meet the need of safety, so it is valuable to save energy resources. There are three ways-keep certain lightness, adopting low-power-cos
3、t products, and a better control system. The last one will save energy effectively. It works by the drives of the single chip computer, electric electron technology controlling voltage and low voltage electric equipments to save power. The control system will turn down the high night voltage to a us
4、ual level. The useful control can adjust voltage, turn on and turn off lights. By now, it is widely used in modern cities and the technology has been advanced, and PWM is one of the technologies. It is more effectively, and crates less harmonic wave pollution than usual method. According to the appl
5、ication characteristic of KA3525，we have designed a kind of PWM control circuit based on KA3525 with the auxiliary of onechip computer，realized steady voltage and adjustable out putting voltage Keywords power saving of streetlamp steady voltage power PWM single chip computer KA3525目 录前 言1第1章 我国路灯系统现
6、状101.1 路灯的节能需求101.2 路灯主要的节能方式101.2.1 可控硅斩波型照明节能装置101.2.2 自耦降压式调控装置101.2.3 智能照明节电器11第2章 节能的实现方案122.1 路灯的节能原理122.2 主要设计方案122.2.1 人工遥控122.2.2传感器智能控制122.2.3 预先编程和传感器结合控制13第3章 各部分基本原理153.1 电力电子器件调压原理153.1.1 PWM技术153.2 开断动作的实现20第4章 电路设计23第5章 电路工作原理25第6章 参数计算26结束语27谢 辞28参考文献29前 言国外对路灯节能的探索。在电力紧张的背景下，政府出台了一
7、些文件，要求在后半夜，采取“亮一隔一”或“亮一隔二”的措施，关闭部分光源。这只能作为缓解电力紧张局面的权宜之计。因为，“亮一隔一”或“亮一隔二”不仅减小照度，同时区别于不同的灯杆布置方式，照度均匀度将不同程度、甚至是严重的下降，对交通、行人安全、对维护社会治安产生不利影响。七十年代的世界性能源危机中，日本大藏省曾要求在工厂、办公室和道路上进行间隔点灯的试验，结果导致生产率和办公效率降低以及治安、道路交通事故的大幅上升，不到一年时间就在一片反对声中全部放弃了。显然，这种消极的节电是不可取的。另外，这种方式由于需要在同一路径上敷设两根路灯供电电缆，也增加了建设投资。“在保证照明效果下点着灯节电”，
8、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设计思想之一。我国路灯照明现状。据调查，我国小型城市在夜晚9点后，大中城市在午夜12点后，道路上几乎空无一人，即便是北京、上海、广州这样的繁华都市，凌晨2点以后，道路上也已罕见行人、车辆。从这一时段直至清晨6点路灯熄灭，在低交通流量的道路上仍然保持较高照度显然没有必要。城市公共照明在我国照明耗电中占30的比例，约439亿kWh，以平均电价0.65元kWh计算，一年开支285亿元。在市政开支极度紧张的今天，国内绝大部分的城市和地区几乎不约而同地采用了日本等国家在七十年代就抛弃了的路灯隔盏关灯的省钱方法，其中的弊病不言而喻不仅导致了路面照度分
9、布不均，给治安及交通安全埋下了隐患，而且不能避免后半夜电网电压的升高对路灯寿命的减损，因此不能称做是真正意义上的节能。当发达国家在讨论什么是“恰到好处的照度水平”的今天，我们这种控制方法就太落后了。九十年代以来，夜景照明建设成为都市市政设施建设的一个重要环节，各地也取得了相应的成绩，但是市政开支普遍紧张与增设夜景照明形成了很大的矛盾以沿海某开放城市为例，大批路灯在安装后迫于财政紧张的压力，支付不起沉重的照明电费开支，又不得不关掉近一半的灯，结果近年新装的部分路灯形同摆设，造成变相浪费。要实现路灯的节能，一方面是使用节能器件，特别是灯具和镇流器的节能化；另一方面是实现控制节能，采用节能控制技术，
10、比如智能光源降压稳压调光技术，电磁按时段换档控制方案，电磁固定降压控制方案。智能光源降压稳压调光技术。智能光源降压稳压调光技术是国际上流行的全数字智能路灯节能控制技术。它充分考虑了城市道路照明的实际状况，依据人体工程学中的视觉理论，采用现代控制论中的最优控制方法，实现了对路灯电压及照度的动态智能化管理。此项技术的基本思路就是：在繁忙的时段，控制路灯保持较强的照度，接近午夜时分，开始自动调光，在后半夜车稀人少时，则控制路灯保持较低照度的照明(类似房灯的调光器，可以随需要而任意调光)。它的主要优点就是在调光的同时也大幅降低了电耗，节约有功电耗达30以上。房灯调光已流行多年，主要是因为室内灯功率小，
11、容易实现。而道路照明则完全不同：首先，灯泡功率大，不易控制；其次，使用环境恶劣，九十年代，电力电子元件技术有了突飞猛进的发展，调光技术有了可靠的质量保障，通过一些地区的规模应用，其完美的调光效果和节电功能得到了一致认同，在德国，美国这些耗电大国，此类技术也得到了政府的大力扶持和推广。智能光源降压稳压调光技术的控制过程是：通过测取城市道路车辆及行人的“时间车辆(人)”统计规律，获取相应的照度调整率，依此来设计计算机的控制程序，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，使路灯输入电功率与实际照度要求达到最佳匹配，不仅节约了电能，而且稳定了电压，延长了路灯的使用寿命，达到了双
12、重意义上的节能。开灯比关灯更省钱前面提到的关灯节能方法是以牺牲城市照明和诱发犯罪率以及交通事故上升为代价的，而智能光源降压稳压一调光技术所达到的节电率高于30，由此而言，采用智能光源降压稳压调光技术，开灯比关灯更省钱。算一笔看不见的帐。我国现有的路灯70以上使用的都是高压钠灯，其设计寿命为24000小时(5年)。但是由于我国城市电网技术落后，造成线路的电压波动大大超过国际标准，许多地区的波动甚至超过额定电压的左右15，特别是在后半夜，由于电负荷减少使得电网电压有时接近245V，致使路灯灯泡的实际使用寿命平均不到一年。现在，可以算这样一笔帐：以沿海开放城市为例，路灯每年需要更换一次灯泡，更换一只
13、灯泡所需费用(含镇流器损耗、人工、车辆等)为120元，该市共有两万多只常开的路灯，则每年仅更换路灯灯泡的费用就高达两百多万元人民币，如果采用了智能光源降压稳压调光技术，路灯灯泡的使用寿命可延长一倍，仅此一项，一年就可节约开支两百多万元，加上节电30，一年可节约七百多万元电费，两项相加就有近千万元之巨。如果450万元作为先期投入，半年内所节约的费用即可回收，逐年节约的资金可以重新投入市政建设。据1999年全国道路照明专业委员会第九届年会上得到的不完全统计数字，目前国内所有城市道路照明的总灯数约300万只(套)，工矿企业、车站、机场、码头、高速公路照明等非市政照明灯具约100万只(套)，总数400
14、多万只，并且每年递增10以上。如果及时采用此项技术，仅从节约电费、降低灯泡损耗和人工开支三项来计算，五年时间可为国家节约近100亿元人民币，可以少建三座装机120万kW的火电站，同时节约了大批的原煤。对于全国的总耗电量而言，道路照明只占一个小小的百分数，也正因如此，它才有可能成为推动节能运动的一个突破口。从道路照明着手，花两三年时间摸索出一套符合中国国情的商业化运作模式，然后在全国各行各业全面推广。当然，这需要政府下大决心、花大力气去进行推动。电磁按时段换档控制方案。目前，市场上大部分照明节能产品，都采用传统电磁换档技术，现在的产品均是接触器换档方式。但是灯具电压随电网电压波动而波动，没有稳压
15、功能；由于耗用大量铜材和矽钢，被盗和破坏严重。电磁固定降压控制方案。具有价格便宜，寿命长的优点，只要能接受开机就降压。但是由于固定降压，不需要高亮度照明的后半夜，由于电网电压升高，灯具反而更亮。器件的节能:在高压钠灯的工作电路中除了灯泡外，还必须按内触发高压钠灯或外触发高压钠灯分别选用相应的工作电路，如灯泡+镇流器或者灯炮+镇流器+触发器的工作电路，方可达到高压钠灯正常工作的要求外触发高压钠灯的燃点电路.电容补偿。路灯采用的光源，基本是气体放电灯，其功率因数相当低，一般在0.45以下，从而使回路电流大，在线路上产生的损耗相当可观。城市道路照明设计标准中，要求气体放电灯应加电容补偿，补偿后功率因
16、数应不小于0.8。采用单灯分散补偿，减少了路灯电源至路灯灯具这一段线路上产生的损耗，将起到较好的节电效果，补偿后单灯功率因数将不小于0.85。镇流器。电阻性镇流器体积小，价格便宜，与高压钠灯配套使用会发生启动困难，工作时电阻产生很高的热量，需有较大的散热空间、消耗功率很大，将会使电路总照明效率下降。它一般在直流电路中使用，百交流电路中使用灯光有明显所闪烁现象。 电容性镇流器虽然不象电阻性镇流器自身消耗功率很大，温升低，在电源频率较低时，电容器充电时，会产生脉冲峰值电流，对电极造成极大损害，灯光闪烁，影响灯泡使用寿命；在高频电路中工作，电压波动能达到理想状态，成为理想的镇流器。电感性镇流器损耗小
17、，阻抗稳定，阻抗因素性偏差小，使用寿命长，灯泡的稳定度比电阻性镇流器好，目前与高压钠灯配套使用的镇流器均为电感性镇流器。其缺点较笨重及价格偏高。另外，电子镇流器已经开始出现，目前其价格昂贵，可靠性还不能与高压钠灯相匹配，除特殊场合使用外，一般情况下很少被采用。所以，高压钠灯必须串联与灯泡规格相应的镇流器后方可使用。高压钠灯的点灯电路是一个非线性电路，功率因数较低，因此在网路上考虑接补偿电容，以提高网路的功率因数。比如环行采用气体放电灯的路灯照明系统中，除光源自身的功耗外，与气体放电灯配套的电感镇流器也要消耗一部分电能。电感镇流器的工作效率高低、节能与否，对路灯照明系统的电力消耗有一定的影响。相
18、对于传统的电感镇流器而言，环形电感镇流器，由于其采用圆环形铁芯和线圈，使环形铁芯卷片的几何形状与磁力线回路和曲线更加适应，磁路分布更趋合理，进一步改善了磁通，降低了铁损，减少了总的电力消耗。可广泛适用于高压钠灯、汞灯和金属卤化物灯。需要注意的是，这种方式仅仅是减少了镇流器的损耗，对路灯系统电耗中占主要比例的光源的电耗并没有减少。还有可变功率镇流器。可变功率镇流器，利用气体放电灯在工作电流适当减少时，仍能正常运行的原理，通过后半夜增加镇流器电抗，从而降低光源电流，减少路灯系统电耗中占主要比例的光源的电耗，达到路灯系统整体节能的目的。采用新型节能光源。高压钠灯使用时发出金白色光，它具有发光效率高、
19、耗电少、寿命长、透雾能力强和不诱虫等优点。广泛应用于道路、高速公路、机场、码头、船坞、车站、广场、街道交汇处、工矿企业、公园、庭院照明及植物栽培。高显色高压钠灯主要应用于体育馆、展览厅、娱乐场、百货商店和宾馆等场所照明。工作原理:当灯泡启动后，电弧管两端电极之间产生电弧，由于电弧的高温作用使管内的钠汞齐受热蒸发成为汞蒸汽和钠蒸汽，阴极发射的电在向阳极运动过程中，撞击放电物质有原子，使其获得能量产生电离激发，然后由激发态回复到稳定态；或由电离态变为激发态，再回到基戊无限循环，多余的能量以光辐射的形式释放，便产生了光。高压钠灯中放电物质蒸汽压很高，也即钠原子密度高，电子与钠原子之间碰撞次数频繁，使
20、共振辐射谱线加宽，出现其它可见光谱的辐射，因此高压钠灯的光色优于低压钠灯。 高压钠灯是一种高强度气体放电灯泡。由于气体放电灯泡的负阻特性，如果把灯泡单独接到电网中去，其工作状态是不稳定的，随着放电过程继续，它必将导致电路中电流无限上升，最后直至灯光或电路中的零、部件被过流烧毁。目前大部分路灯使用的光源为高压钠灯，光效是白炽灯的7倍、高压汞灯的2至2.5倍。用高压钠灯取代荧光高压汞灯，照度相同，但节电37.5；而用金属卤化灯取代荧光高压汞灯，照度降低13.6，但节电37.5。设计目的：主要侧重于通过控制来实现节能。研究的对象设定为一路路灯，电压220V，总电流60A，城市情况，包括电压浮动，日照
21、时间参照XX市的情况。灯具选择高压钠灯，电压220V,电流3A,功率250W，20盏；高压钠灯电感镇流器，电压220V,电流3A,250W,短路电流5.20A，功率因数cos0.065，阻抗60。具体实现目标：灯在城市中起照明作用，在维护交通安全和社会治安方面作用很大。因此，要求路灯要在天黑以后彻夜长明。由于夜晚不同时间对照明的要求不同，如在10点前由于行人较多要求正常照明，而在午夜以后人流较小照度要求也要降低，同时电力系统的电压又是变化的，前半夜较低后半夜较高，电能浪费比较严重，同时还会缩短路灯的使用寿命，因此要求实现路灯的电压调控。由于全年的每日日照时间也是在变化的，同时还要考虑到天气变化
22、等其他因素的影响，开、关灯时间也要实现控制。因此实现对路灯电压和开关时间的控制，天黑亮灯，天亮熄灯，晚十点以前正常电压供电，十点以后根据电力系统电压等级降压供电，在保障正常照明要求的前提下实现路灯的节能。首先是按时开关路灯。以往的路灯开关是使用工人值班手动开关，尽管灵活但是需要职守而且可靠性不高，但是在自动控制系统中作为应急手段仍然是不可缺少的，因此选择自动开关系统，但是要预留人工接口以应对突发事件，如恶劣天气，像阴雨，大雾，沙尘等，还有日食的发生，以及故障排除，检修等。使用自动开断装置，如继电器，交流接触器等等。其次是电压的调节，主要是降压调节。可以有很多选择，如变压器（一般使用自耦变压器）
23、，电力电子器件调压。还有就是控制部分，包括对以上两部分的控制，可以用到单片机，PC，DSP等等。最后就是整体的整合，参数协调。由于目前在元器件的设计上技术已经比较成熟，通过使用控制来节能相对富有活力。特别是目前电力电子技术，自动控制理论，计算机技术的成熟，使得智能光源降压稳压调光技术有了很好的发展，已经有了很多成功的例子。将三者结合来实现路灯系统控制的灵活性，可靠性和节能性，以及提高效率，减少路灯的损耗和人工成本。关于调压部分，有电力电子技术和变压器技术。电力电子产品的晶闸（见图1），IGBT等都可以实现调压。特别是PWM调压技术，分为电压型和电流型，其中主要应用的是电压型PWM整流电路（见图
24、2）。考虑到负载是高压钠灯及其镇流器，是阻感负载。VTVTU图1 晶闸管调压电路 利用晶闸管的移相触发，对电网电压进行斩波调压，从而对感性照明负载（电感镇流器灯具）。而PWM就是脉冲宽度调制，就是脉冲（多数为方波）的幅度与频率不变，只是脉冲的宽度发生变化，一般用于开关电源。图2 使用IGBT的PWM半桥整流调压电路负载变压器的调压可以使用自耦变压器（如图3）来实现。对于变比的控制，可以用步进电机来实现。自耦变压器是只有一个绕组的变压器，当作为降压变压器使用时，从绕组中抽出一部分线匝作为二次绕组；当作为升压变压器使用时，外施电压只加在绕组的部分线匝上。通常把同时属于一次和二次的那部分绕组称为公共
25、绕组，其余部分称为串联绕组，同容量的自耦变压器与普通变压器相比，不但尺寸小，而且效率高，并且变压器容量越大，电压越高这个优点就越加突出。因此随着电力系统的发展、电压等级的提高和输送容量的增大，自耦变压器由于其容量大、损耗小、造价低而得到广泛应用。 和普通双绕组变压器相比，自耦变压器有以下主要特点： (1)由于自耦变压器的计算容量小于额定容量所以在同样的额定容量下，自耦变压器的主要尺寸较小，有效材料(硅钢片和导线)和结构材料(钢材)都相应减少，从而降低了成本。有效材料的减少使得铜耗和铁耗也相应减少，故自耦变压器的效率较高。同时由于主要尺寸的缩小和质量的减小，可以在容许的运输条件下制造单台容量更大
26、的变压器。但通常在自耦变压器中只有k2时，上述优点才明显。 (2)由于自耦变压器的短路阻抗标幺值比双绕组变压器小，故电压变化率较小，但短路电流较大。 (3)由于自耦变压器一、二次之间有电的直接联系，当高压侧过电压时会引起低压侧严重过电压。为了避免这种危险，一、二次都必须装设避雷器，一、二次绕组不是串联的，一次已装、二次就可省略。 (4)在一般变压器中。有载调压装置往往连接在接地的中性点上，这样调压装置的电压等级可以比在线端调压时低。而自耦变压器中性点调压侧会带来所谓的相关调压问题。因此，要求自耦变压器有载调压时，只能采用线端调压方式。图3 自耦变压器UINUOUT设计工作将通过对各种方案的对比
27、来选择合适的调压方案。单片机，DSP，PC都可以用来进行控制。单片机即单片微型计算机的简称，它是将CPU、ROM、RAM、TIMER/COUNTER以及输入/输出接口（I/O）等集成在一块超大规模集成电路芯片上而制成的，有些单片机还集成了模数转换器（ADC）、脉宽调制模块，技术已经比较成熟，特别是MC51系列，体积小，功耗低，价格廉。单片机的应用在后PC时代得到了前所未有的发展，但对处理器的综合性能要求也越来越高。综观单片机的发展，以应用需求为目标，市场越来越细化，充分突出以“单片”解决问题，而不像多年前以MCS51/96等处理器为中心，外扩各种接口构成各种应用系统。单片机系统作为嵌入式系统的
28、一部分，主要集中在中、低端应用领域（嵌入式高端应用主要由DSP、ARM、MIPS等高性能处理器构成），在这些应用中，目前也出现了一些新的需求，主要体现在以下几个方面：（1）以电池供电的应用越来越多，而且由于产品体积的限制，很多是用钮扣电池供电，要求系统功耗尽可能低，如手持式仪表、水表、玩具等。（2）随着应用的复杂，对处理器的功能和性能要求不断提高。既要外设丰富、功能灵活，又要有一定的运算能力，能做一些实时算法，而不仅仅做一些简单的控制。（3）产品更新速度快，开发时间短，希望开发工具简单、廉价、功能完善。特别是仿真工具要有延续性，能适应多种MCU，以免重复投资，增加开发费用。（4）产品性能稳定，
29、可靠性高，既能加密保护，又能方便升级。单片机技术的发展特点。自单片机出现至今，单片机技术已走过了近20年的发展路程。纵观20年来单片机发 展历程可以看出，单片机技术的发展以微处理器(MPU)技术及超大规模集成电路技术的发 展为先导，以广泛的应用领域拉动，表现出较微处理器更具个性的发展趋势。单片机长寿命 这里所说的长寿命，一方面指用单片机开发的产品可以稳定可靠地工作十年、二十年，另一方面是指与微处理器相比的长寿命。随着半导体技术的飞速发展，CPU更新换代的速度越来越快，以386、486、586为代表的MPU，很短的时间内就被淘汰出局，而传统的单片机如68HC05、8051等年龄已有15岁，产量仍
30、是上升的。这一方面是由于其对相应应用领域的适应性，另一方面是由于以该类CPU为核心，集成以更多I/O功能模块的新单片机系列层出不穷。可以预见，一些成功上市的相对年轻的CPU核心，也会随着I/O功能模块的不断丰富，有着相当长的生存周期。新的MPU类型的加盟,使单片机队伍不断壮大,给用户带来了更多的选择余地。8位、16位、32位单片机共同发展 这是当前单片机技术发展的另一动向。长期以来，单片机技术的发展是以8位机为主的。随着移动通讯、网络技术、多媒体技术等高科技产品 进入家庭，32位单片机应用得到了长足发展。以Motorola 68K为CPU的32位单片机97年的销售量达8千万枚。过去认为由于8位
31、单片机功能越来越强，32位机越来越便宜，使16位单片机生存空间有限，而16位单片机的发展无论从品种和产量方面，近年来都有较大幅 度的增长。单片机速度越来越快 MPU发展中表现出来的速度越来越快是以时钟频率越来越高为标志的。而单片机则有所不同，为提高单片机抗干扰能力，降低噪声，降低时钟频率而不牺牲运算速度是单片机技术发展之追求。一些8051单片机兼容厂商改善了单片的内部时序，在不提高时钟频率的条件下，使运算速度提高了很多，Motorola单片机则使用了锁相环技术或内部倍频技术使内部总线速度大大高于时钟产生器的频率。68HC08单片机使用4.9M外部振荡器而内部时钟达32M，而M68K系列32位单
32、片机使用32K的外部振荡器频率内部时钟可达16MHz以上。低电压与低功耗 自80年代中期以来，NMOS工艺单片机逐渐被CMOS工艺代替，功耗得以大幅度下降，随着超大规模集成电路技术由3m工艺发展到1.5、1.2、0.8、0.5、0.35m。近而实现0.2m工艺，全静态设计使时钟频率从直流到数十兆任选，都使功耗不断下降。Motorola 最近推出任选的M.CORE 可在1.8V电压下以50M/48MIPS全速工作，功率约为20mW。几乎所有的单片机都有Wait、Stop等省电运行方式。允许使用的电源电压范围也越来越宽。一般单片机都能在3到6V范围内工作，对电池供电的单片机不再需要对电源采取稳压措
33、施。低电压供电的单片机电源下限已由2.7V降至2.2V、1.8V。0.9V供电的单片机已经问世。低噪声与高可靠性技术 为提高单片机系统的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片机商家在单片机内部电路中采取了一些新的技术措施。如美国国家半导体NS的COP8单片机内部增加了抗EMI电路，增强了“看门狗”的性能。Motorola也推出了低噪声的LN系列单片机。OTP与掩膜 OTP是一次性写入的单片机。过去认为一个单片机产品的成熟是以投产掩膜型单片机为标志的。由于掩膜需要一定的生产周期，而OTP型单片机价格不断下降，使得近年来直接使用OTP完成最终产品制造更
34、为流行。它较之掩膜具有生产周期短、风险小的特点。近年来，OTP型单片机需量大幅度上扬，为适应这种需求许多单片机都采用了在片编程技术(In System Programming)。未编程的OTP芯片可采用裸片Bonding技术或表面贴技术，先焊在印刷板上，然后通过单片机上引出的编程线、串行数据、时钟线等对单片机编程。解决了批量写OTP 芯片时容易出现的芯片与写入器接触不好的问题。使OTP的裸片得以广泛使用，降低了产品的成本。编程线与I/O线共用，不增加单片机的额外引脚。而一些生产厂商推出的单片机不再有掩膜型，全部为有ISP功能的OTP。MTP向OTP挑战 MTP是可多次编程的意思。一些单片机厂商
35、以MTP的性能、OTP的价位推出他们的单片机，如ATMEL AVR单片机，片内采用FLASH，可多次编程。华邦公司生产的与8051兼容的单片机也采用了MTP性能，OTP的价位。这些单片机都使用了ISP技术，等安装到印刷线路板上以后再下载程序。8051类单片机 最早由Intel公司推出的8051/31类单片机也是世界上用量最大的几种单片机之一。由于Intel公司在嵌入式应用方面将重点放在186、386、奔腾等与PC类兼容的高档芯片的开发上，8051类单片机主要由Philips、三星、华邦等公司接产。这些公司都在保持与8051单片机兼容的基础上改善了8051许多特性(如时序特性)。提高了速度、降低
36、了时钟频率，放宽了电源电压的动态范围，降低了产品价格。而使用微机进行控制，可操作性更强，但是成本也会上升。DSP（digital signal processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，源源超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。 DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于
37、进行数字信号处理运算的微处理器具，其主机应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特点：（1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；（2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；（3）片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；（4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；（5）快速的中断处理和硬件I/O支持；（6）具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；（7）可以并行执行多个操作；（8）支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。在过去的几十年里，单片机的广泛应用实现了简单的智能控制功能。随着信息化的进程和
38、计算机科学与技术、信号处理理论与方法等的迅速发展，需要处理的数据量越来越大，对实时性和精度的要求越来越高，低档单片机已不再能满足要求。近年来，各种集成化的单片DSP的性能得到很大改善，软件和开发工具也越来越多，越来越好；价格却大幅度下滑，从而使得DSP器件及技术更容易使用，价格也能够为广大用户接受；越来越多的单片机用户开始选用DSP器件来提高产品性能，DSP器件取代高档单片机的时机已经成熟。DSP器件与单片机的比较1.单片机的特点。所谓单片机就是在一块芯片上集成了CPU、RAM、ROM(EPROM或EEPROM)、时钟、定时/计数器、多种功能的串行和并行I/O口。如Intel公司的8031系列
39、等。除了以上基本功能外，有的还集成有A/D、D/A，如Intel公司的8098系列。概括起来说，单片机具有如下特点：具有位处理能力，强调控制和事务处理功能。价格低廉。如低档单片机价格只有人民币几元钱。开发环境完备，开发工具齐全，应用资料众多。后备人才充足。国内大多数高校都开设了单片机课程和单片机实验。2.DSP器件的特点。与单片机相比，DSP器件具有较高的集成度。DSP具有更快的CPU，更大容量的存储器，内置有波特率发生器和FIFO缓冲器。提供高速、同步串口和标准异步串口。有的片内集成了A/D和采样/保持电路，可提供PWM输出。DSP器件采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存
40、取程序和数据。内置高速的硬件乘法器，增强的多级流水线，使DSP器件具有高速的数据运算能力。DSP器件比16位单片机单指令执行时间快810倍，完成一次乘加运算快1630倍。DSP器件还提供了高度专业化的指令集，提高了FFT快速傅里叶变换和滤波器的运算速度。此外，DSP器件提供JTAG接口，具有更先进的开发手段，批量生产测试更方便，开发工具可实现全空间透明仿真，不占用用户任何资源。软件配有汇编/链接C编译器、C源码调试器。因此，可以得出结论，DSP器件是一种具有高速运算能力的单片机，从应用角度看：DSP器件是运算密集型的，而单片机是事务密集型的。从节能调压系统的实际要求来看，选择单片机更合理一些。
41、设计的最终结果是优化整合各种方案，实现设计要求。通过对各个功能模块和具体器件的选择来实现。第1章 我国路灯系统现状1.1 路灯的节能需求随着我国城市化建设的不断深入，经济高速持续的发展，人们的生活水平也不断提高。在繁华的都市，城市道路、夜景照明已成为城市文明的标志和城市文化的代表。在推进城市亮化工程的进程中，照明光源及调控设备得到了空前的发展，当然，城市照明的电能消耗和灯具损耗也越来越大，由于电力紧缺和电费的上涨，照明节能降耗将越来越受到广泛重视。路灯的节能控制相当重要，来实现按时开关灯，午夜后降压供电等要求。1.2 路灯主要的节能方式目前国内照明节能主要的途径有三种：合理照度；采用高效的节能
42、型光源，也就是使用发光效率高的灯泡或灯管；在现有照明系统上加装节能控制设备。从实际应用的角度来看，第二种方案适用于新设计的照明回路。对于已有的照明系统，因需更换所有灯具，初期投入资金和人力比较大，在不能分批分次更新灯具的照明场所，这样做一次性投入太大。对现有照明系统的节能改造，一般采用加装节能设备，较为经济和实用，目前国内销售的照明节能设备很多，其中照明控制调控装置所占比例最大。从工作原理上大致分为三大类。 1.2.1 可控硅斩波型照明节能装置 原理：采用可控硅斩波原理，通过控制晶闸管（可控硅）的导通角，将电网输入的正弦波电压斩掉一部分，从而降低了输出电压的平均值，达到控压节电的目的。这类节能
43、调控设备对照明系统的电压调节速度快，精度高，可分时段实时调整，有稳压作用，因为主要是电子原件，相对来说体积小、设备轻、成本低。 但该调压方式存在一致命缺陷，由于是相控调压，使电压无法实现正弦波输出，还会出现大量谐波，形成对电网系统谐波污染。 1.2.2 自耦降压式调控装置 现在市场上最多照明节电产品就是此类产品。它的原理是，通过一个自耦变压器机芯，根据输入电压高低情况，接连不同的变压器抽头，将电网电压降低5， 10，15，20V等几个档，从而达到降压节电的目的。 这类产品最大的优点是克服了晶闸管相控型产品产生谐波的缺陷，实现了电压的正弦波输出，结构和功能都很简单，当然可靠性也比较高。但是不能用
44、来控制照明调控装置进行频繁切换，一般做不到实时稳定电压、多时段调控等功能。 1.2.3 智能照明节电器.智能照明节电器，即智能光源降压稳压调光技术。智能照明调控装置工作原理，采用微电脑控制系统，实时采集输出、输入电压信号与最佳照明电压比较，通过计算进行自动调节，从而保证输出最佳的照明系统工作电压。第2章 节能的实现方案2.1 路灯的节能原理节能的核心就是在保持合理照度的前提下在电压过高时降压供电，一般在后半夜由于路上行人车辆较少同时灯具如高压钠灯灯可以在低电压下运行，可以把过高的电网电压降到190V进行供电,极大地节约了电能。2.2 主要设计方案设计应该结合各种方案的优缺点，从目前的实际情况出
45、发，进行设计。由于目前节能器件比较成熟，设计主要侧重于控制部分的设计。工作部分又有很多方案，比如使用变阻器，步进电机拖动自耦变压器，电力电子器件等，在研究方向上选择使用电力电子器件，如晶闸管，IGBT等。控制部分可以使用手动或自动，如单片机的应用。但还要兼顾应急性，需要同时使用人工控制。计划了3个方案，分别是A人工遥控，B传感器智能控制和C预先编程和传感器结合控制。2.2.1 人工遥控第一种技术较为落后，第二种方案过于复杂可靠性低，最终选择的第3种方案，同时还要结合第一种设置人工干预接口。框图如下：A方案如图4：图4 方案A框图控制装置照明系统遥控装置人工通过有线或无线方式遥控路灯系统的运行，
46、灵活性高，但是增加了人力成本。而且人工控制的准确性，可靠性不高。2.2.2 传感器智能控制图5 方案B框图光敏传感器电压传感器单片机直流电源驱动电路D/A转换人工控制路灯系统调压系统A/D转换B方案如图5：通过传感器来判别时间亮度和电压，综合控制。自动性能好，但过于复杂，遇到特殊情况需要人工参与完成。现在城市中常见的路灯控制系统一般对光照变化对应的开关灯控制环节仍然使用人工控制，很大程度上是为了实现灵活的开关灯时间控制。2.2.3 预先编程和传感器结合控制C方案如图6图6 方案C框图电压传感器单片机直流电源驱动电路D/A转换人工控制路灯系统调压系统A/D转换这是主要选择的方案。由于全年的日照时
47、间的变化规律是一定的，因此将全年的光照时间变化规律（以XX市所在纬度）记录到单片机中。单片机内有定时器，可以通过定时器中断来控制开关和调压开始时间。按此运行，就可以实现接近B方案的效果。同时考虑到天气等意外情况，通过人工接口来改变开关灯的时间。同时使用电压传感器，比如变压器等简单装置就可以实现对电压的跟踪，产生反馈，使单片机输出电压控制信号，在一定时间内对电压进行调整。单片机的输出数字信号经过D/A转换和放大，驱动控制器。控制器也有很多选择，比如使用电力电子器件。诸如晶闸管或IGBT，通过改变相位角来实现电压的调整。或者使用步进电机，通过对自耦变压器的调整来调整电压。同时还要驱动电源开关，在这
48、里使用交流接触器，实现开关。还有人工接口，可以使用方案A的办法，或者直接用闸刀开关来操作。最后是一些前面提到的节能措施，在于前面的控制环节没有冲突的情况下可以尽量选择。第3章 各部分基本原理这样主体框架就是利用单片机与电力电子器件来实现控制。3.1 电力电子器件调压原理3.1.1 PWM技术电力电子器件也有很多选择，主要有相控节能，利用晶闸管的移相触发，或者PWM整流技术调压。由二极管或晶闸管组成的整流电路，虽然控制简单，成本较低，技术成熟，但输出电流谐波含量很大，总的功率因数很低，已成为电网的主要谐波源。将整流电路中的二极管或晶闸管换成IGBT，MOSFET等自关断器件，并将SPWM技术应用于整流电路，这就形成了PWM整流电路。通过对PW
