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1、 第 27 页 共 28 页引言在现代城市的管理中，城市照明管理是资金、科技含量较高、难度较大的一项工作，它需要投入大量的人力和物力。而节能系统和自动化监控系统的启用为城市照明建设和管理构筑起一个新的平台。在很大程度上为我市的城市照明管理工作发挥着重大的作用，也具有其深远的社会效应和经济意义。照明工程师社区:s*N7d;Z+BU8n投入节能装置以后，不仅可以节省用电量，还能延长灯具及电器配件的使用寿命、减少维修费用、工人的强度和提高管理水平。这样，在创造了良好社会效益的同时也具有明显的经济效益。这套系统是根据公式，其中，则，由以上公式可知灯泡的功耗与电压的平方成正比，电压参数的偏高，势必增大灯
2、具的能量损耗，增大了用电量。由于电压每升高1%，则用电量便会成倍增加，这样，一年的用电量就比额定范围内增加18%-30%。这既造成能源的浪费，也使灯泡及电器配件的使用寿命大大缩短，从而增加维修工作量和路灯运行成本，也增加了电量的损耗。由于路灯管理维修项目费用成本主要是电费和维修费，我市电网供出的电压普遍偏高，而且还随用电负荷的不同而波动，大部分电压在晚上10点以前较稳定，约为220V-230V，而10点以后普遍升高10%V以上，约为230V-250V，特别是12点以后，有些地方甚至达到265V以上，电压参数的偏高，势必增大电能的损耗，也增大了用电量，从而增加了经济成本。本文给出一种基于自动控制
3、的路灯控制系统，主要完成了对传感器（光敏电阻）测量、单片机数据分析、可控硅控制和各控制单元功能模块电路的设计和验证，并着重进行了对可控硅的控制设计。在此控制系统中不仅可以实现自动控制路灯开关，同时也可以手动实现路灯光强。1 系统设计1.1 任务要求（1）掌握节能路灯控制原理；（2）光敏电阻传感器的工作原理；（3）单片机数据采集系统的设计；（4）可控硅控制导通角原理；（5）按照要求控制路灯开关；（6）测试环境光强的变化，用于自动控制路灯亮灭；（7）根据环境光强的不同范围控制路灯的亮度，可以分几个范围；（8）设定手动开关路灯；（9）设定光强大于一定值手动开关无效。1.2 总体设计图1-1列出了节能
4、路灯控制系统的构成，它主要由6个部分组成：单片机控制模块、可控硅控制模块、稳压电源模块、光敏电阻传感器模块、路灯与键盘、光耦隔离模块。首先利用稳压电源模块将220V、50HZ市电转换为系统工作的直流5V电压。光敏电阻传感器上的数据通过信号转换后，被采集到单片机自带ADC模块中，单片机通过数据对可控硅导通角进行控制。同时可以根据用户实际需要通过按键手动进行路灯光强改变。为防止系统跑偏，单片机与外界控制时需要光电耦合器进行光电隔离。单片机控制可控硅工作根据其编写的控制程序。单片机控制系统可控硅路灯按键光敏电阻稳压电源220V市电光电耦合器图1-1系统硬件构成框图2 方案论证2.1 路灯控制方案2.
5、1.1路灯控制器的选择方案1：继电器控制法：该方法采用继电器作为单片机与外界路灯的控制元件，单片机通过数据采集后通过程序控制继电器导通与否继而控制路灯。方案2：可控硅控制法：可控硅是P1、N1、P2、N2四层三端结构元件，共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成。当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流Ib2流过，经BG2放大，其集电极电流Ic2=2Ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以Ib1=Ic2。此时，电流Ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流。这个电流又流回到
6、BG2的基极，表成正反馈，使Ib2不断增大，如此正向反馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。 2.1.2路灯控制方案比较由于继电器只是相当于一个开关，不能调节电流，可控硅能控制其导通角，调节电流大小。从节能方面来说可控硅更加节能，可控硅的响应速度很快达到微秒级，接触器的速度是一百多毫秒，接触器是当有电压时就吸合。可控硅是当电压升高到一定时才通断，可以连续调节用做无级调节方面比较多。基于以上比较本系统采用可控硅，改变其导通角来控制电流继而控制路灯。2.2 可控硅控制器2.1.1可控硅控制器的外形结构以及工作原理不管可控硅的外形如何，它们的管芯都是由P型硅和N型硅组成的四层P1、N1
7、、P2、N2结构。见图2-1。它有三个PN结（J1、J2、J3），从J1结构的P1层引出阳极A，从N2层引出阴级K，从P2层引出控制极G，所以它是一种四层三端的半导体器件图2-1可控硅的结构意图可控硅是P1、N1、P2、N2四层三端结构元件，共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成，其等效图解如图2-2所示图2-2可控硅工作原理等效图当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流Ib2流过，经BG2放大，其集电极电流。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以。此时，电流再经BG1放大，于是BG1
8、的集电极电流(、分别是BG1、BG2的电流放大系数)。这个电流又流回到BG2的基极，表成正反馈，使不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，需要条件才能转化。表2-1 可控硅关断特性转化表状态条件说明从关断到导通1、 阳极点位高于阴极电位2、 控制极有足够的正向电压和电流两者缺一不可持续导通1、 阳极电位高于阴极电位2、 阳极电流
9、大于维持电流两者缺一不可从导通到关断1、 阳极电位低于阴极电位2、 阳极电流小于维持电流任一条件都可接下来就是介绍可控硅的静态伏安特性：晶闸管阳极与阴极间的电压和阳极电流的关系称为晶闸管伏安特性，如图2-3所示。图2-3晶闸管伏安特性曲线晶闸管的伏安特性包括正向特性（第一象限）和反向特性（第三象限）两部分。晶闸管的正向特性又有阻断状态和导通状态之分。在正向阻断状态时，晶闸管的伏安特性是一组随门级电流的增加而不同的曲线。当=0时，逐渐增大阳极电压，只有很小的正向漏电流，晶闸管正向阻断；随着阳极电压的增加，当达到正向转折电压时，漏电压突然剧增，晶闸管由正向阻断状态突变为正向导通状态。这种在=0时，
10、依靠增大阳极电压而强迫晶闸管导通的方式称为“硬开通”。“硬开通”使电路工作于非控制状态，并可能导致晶闸管损坏，因此通常要避免。晶闸管正向导通后，要使晶闸管恢复阻断，只有逐步减小阳极电流，使其下降到小于维持电流，则晶闸管又由正向导通状态变为正向阻断状态。晶闸管的反向特性与一般二极管的反向特性相似。晶闸管的基本工作特性可以归纳如下：（1） 承受反向电压时（0时，0才能导通）。（3） 要使晶闸管关断，必须使晶闸管的电流下降到某一数值以下。（4） 晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管，从阴极流出；为保证可靠、安全的触发，触发电路所提供的触发电压、电流、和功率应限制在可靠触发区，即保证有足够的触发功率，
11、又确保不损坏门极和阴极之间的PN结。本系统所使用的是双向晶闸管，双向晶闸管可认为是一对反并联连接的普通晶闸管的集成，它有两个主电极和一个门极。正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第一和第三象限有对称的伏安特性；门极正、负脉冲电流均可触发导通，双向晶闸管不但经济，而且控制电路简单，在交流调压电路和固态继电器应用较多。2.3 单片机及其外围电路2.3.1电源模块本系统的工作电压为直流5V，即须将220V、50HZ的市电转换为系统所需的稳压电源。该模块由电源变压器、整流电路、滤波电路以及稳压电路组成。其中在整流电路部分，采用的是单相桥式整流电路。该整流电路的优点是电路由4只二极管组成，继而全波整
12、流克服了半波整流的输出电压低、交流分量大（即脉动大）、效率低等缺点。整流电路采用4只二极管组成，其构成原则就是保证在变压器副边电压的整个周期内，负载上的电压和电流方向始终不变。滤波电路：滤波电路采用的是最常见的电容滤波电路。在整流电路的输出端并联一个电容就构成了电容滤波电路，滤波电容容量较大一般采用电解电容。该电路利用的是电容的充放电作用使输出电压趋于平滑。稳压电路：虽然整流滤波电路能将正弦交流电变换为较为平滑的直流电压，但是，一方面，由于输出电压平均只取决于变压器副边电压有效值，所以当电网电压波动时，输出电压平均值将随之产生相应的波动；另一方面，由于整流滤波电路内阻存在，当负载变化时，内阻上
13、的电压将发生变化，于是输出电压平均值也将随之产生相反的变化。稳压电路的组成常规上讲最简单由稳压二极管和限流电阻。对任何稳压电路都应从两个方面考察其稳压特性，一是设电网电压波动，研究其输出电压是否稳定；二是设负载变化，研究其输出电压是否稳定。本系统是采用稳压芯片7805来组成稳压电路。2.3.2主控制模块本系统的核心控制器就是单片机，单片机的主要作用为。根据外部自然条件的改变（自然光强的改变即光控），通过光敏器件参数改变控制器，即可使单片机达到控制照明灯的目的。根据单片机自带的ADC来采集光敏器件的参数变化，通过编写程序使单片机做出相应的判断以控制照明灯。主控制模块中由时钟电路、复位电路、按键。
14、时钟电路和复位电路是单片机正常工作的保证。单片机的时钟信号由两种电路产生：内振荡电路和外振荡电路，在任何时刻，只需要一种振荡电路便能使单片机正常工作。本系统使用的是内振荡电路提供时钟脉冲，需要在XTAL1和XTAL2之间外接石英晶体振荡器，这时的内部振荡电路仅相当于一个高增益放大器，和石英接在一起形成一个正反馈的自激振荡，在经过整形和分频形成单片机内各逻辑部件所需的时钟脉冲。要使单片机正常工作的还需要复位电路，单片机的复位操作由复位引脚RET/VPD上出现的高电平引起，高电平持续时间不少于两个机器周期，CPU在第二个机器周期内执行复位操作。如果RET/VPD持续为高电平，那么每隔24个振荡周期
15、重复一次复位操作。最后还有按键电路4个按键分别是控制路灯开关以及亮暗程度。分别接到单片机的P21、P23、P25、P27口实现控制。2.3.3外部驱动模块外部驱动模块主要是由光电耦合器、可控硅、路灯组成。光电耦合器光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。光电耦合器管脚图如下图2-4所示图2-4MOC3021光电耦合器引脚图工作原理：在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。 基本工作特性：（1）共模抑制比很高 在光电耦合器内部，由于发光管和受光器之间的耦合电容很小（2pF以内）所以共模输
