路燈節能的控制系統設計分析

李茹雪

（淮北市市政工程管理處，安徽 淮北 235000）

1 系統硬件電路的設計

1.1 智能路燈控制系統

該智能路燈節能系統主要由電量檢測電路、實時時鐘、自耦變壓器電路、顯示電路及載波通信等電路組成。將一年大致分為三個季節段來對路燈進行控制，使其在不同的季節有不同的開關燈時間。而從開燈到關燈根據當地交通又可大致分為三個階段(高峰、正常、低谷)來對路燈進行控制。從實時時鐘芯片中將當前的路燈工作狀況進行相應的歸類，由單片機輸出控制接觸器的線圈的斷合，而其觸點的輸出分別控制自耦變壓器的三個觸頭，對應著四個檔位，每個檔位對應著相應的路燈電壓。由于電力傳輸中有諧波干擾造成電力不穩，要時刻檢測路燈的電量，以電量芯片ATT7028 檢測出電流或者電壓過高或者過低，將得到的信息傳給AT89C51 單片機，單片機同時與鐵電存儲器的信息相比較，如果發現電流或者電壓過高或者過低，單片機馬上做出調整，適當地降低或者升高電壓，以實現對路燈過載、過壓等各種功能進行控制，用電力載波通信技術將現場情況傳送至監控室。

1.2 電量檢測電路的設計

電量采集模塊主要完成路燈電流和電壓的數據采集。將采集到的信號轉換為ADC 電路可采集處理的模擬信號，通過電量芯片轉換為數字信號送到單片機中，檢測電壓和電流是否超載，依據此來控制電路負載的電壓。設計中采用三相電能專用計量芯片ATT7028A，適用于三相三線和三相四線應用，能夠測量各相以及合相的有功功率、有功能量，同時還能測量各相電流、電壓有效值、功率因數、相角、頻率等參數，充分滿足三相復功率多功能電能表的需求。同時將電量信號存入到鐵電存儲器AT24C24 里，該存儲器數據不易丟失，以便有功電能歷史記錄的查詢。ATT7028A 提供一個SPI 接口，方便與外部單片機之間進行計量參數以及校表參數的傳遞。設計中應用ATT7028A 測量電流和電壓有效值，采用軟件校表，通過SPI 接口與外部單片機之間進行計量參數的傳遞，以此來檢測路燈電壓電流的有效值。另外對檢測到的過載、過壓等故障進行報警。

1.3 路燈控制電路

路燈控制電路由譯碼電路、開關電路與變壓器控制電路組成。為了使路燈分時控制取得優良的節能效果，除了要根據時間段來開啟不同檔位電壓外，還需要實際考慮到電網電壓在不同時段的電壓波動情況。故將單片機檢測到的電量信號與處理的實時時鐘芯片DS1302 信號作為74LS155 二-四譯碼器譯碼地址輸入端，譯碼器的四個端輸出經三極管放大后分別驅動四個接觸器的線圈，而其四個觸點分別對應自藕變壓器的三個觸頭，亦即路燈四種檔：全壓(220 V)、高峰期檔(額定電壓的 93%)、正常期檔(額定電壓的 88%)、低峰期檔(額定電壓的 83%)。從而達到既兼顧路燈亮度又達到節能的效果。KM4 接在母線上還能關閉路燈，原理如圖1 所示。

圖1

1.4 電力載波通信

為了實現控制室能夠方便及時了解現場路燈運行情況，采用電力線載波通信技術將現場路燈檢測運行的狀況傳送至控制室。以LM1893集成芯片實現電力載波通信，LM1893 是美國國家半導體公司生產的FSK 制式的調制解調芯片。能夠實現可靠的串行數據的半雙工電力線通信，具有發送和接收數據兩種工作模式，能夠與51 單片機相兼容。LM1893 調制解調數據輸入端DATAIN 與AT89C51 單片機的串行輸出口TXD 相連，輸出端DATAOUT 與AT89C51的串行輸入口RXD 相連。LM1893 的TX／RX 發送接收控制端由單片機的P1.O 端控制，高電平為發送狀態，低電平為接收狀態。路燈控制器接收到外部數據信息后，先要對所收數據的報文頭和地址進行判斷。當報文頭正確，地址為本機地址時，它才執行相應的燈控命令，執行完后進入發送狀態。

2 軟件設計

軟件主要完成：根據比較所得的結果控制硬件切換檔位以達到路燈定時工作的要求；檢測實時電網電壓以控制是否要改變檔位以達到電網實時監控的目的；最后則是配合主控室完成多機通信。整個智能路燈節能控制系統被分為了分時分段模塊(主要通過時鐘芯片DS1302和鐵電存儲芯片AT24C02 配合完成)、電壓監控調檔模塊 (由電工參數測量芯片ATT7028 加以軟件判斷來實現)、遠程通信模塊(由LM1893 完成)以及實時顯示模塊組成。

將一年大致分為三個季節段來對路燈進行控制，每個季節段有著不同的開關燈時間。從開燈到關燈根據當地交通又可大致分為三個階段來對路燈進行控制，分別為交通高峰期、交通正常期和交通低谷期。這三個階段加上避免電網電壓過低的全壓運行檔，就構成了全壓、高峰、正常、低谷四個工作時間段，根據本地區的實際情況進行劃分。系統通過對日歷時鐘芯片DS1302 讀出來的當前與鐵電存儲器芯片AT24C02 中存儲的開、關燈時間進行比較，在各檔開啟的時刻就切換至相應檔位，在關閉的時段關閉，其余時段進行監控。在交通高峰時段，保證路燈有足夠的照明度。于是正常情況下，路燈應投入第1 檔運行。此時，當電網電壓過低(低于208V)，則路燈應全壓運行；如果電網電壓過高(高于236V)，路燈可以跳過第1 檔，直接投入第2 檔運行。在交通正常階段，要兼顧照度和節電效果，正常情況下，路燈應該投入第2 檔運行。在電網電壓低手205V 時，返回第1 檔運行；在電網電壓高于242V 時，則投入第3 檔運行。在交通低谷階段，重點考慮節電效果。正常情況下投入第3 檔運行，只有當電網電壓過低(低于195V)時，路燈才會返回第2 檔運行。但是由于電網的波動或干擾，可能會出現電壓偶爾的不正常，若一旦檢測到電壓超限就切換檔位，很容易造成誤操作，從而導致頻繁的切換。設計中采用了以下方法來避免檔位的頻繁切換：當路燈運行于1～2 檔時刻之間，需使電壓維持在208～236V 之間，這里采用 COUNT，COUNT_H，COUNT_L 三個計數器來監測電壓。COUNT 從0 開始，每分鐘加1，加到5，即5min 后清零。COUNT_H 從0 開始，每min 比較當前電壓與電壓上限值的大小，若超過上限則將COUNT_H加1，在每次COUNT 清零之前，若COUNTH 值等于5，則認為連續5min 電壓超出上限運行，相應地將路燈運行檔位切換至低一檔運行；若COUNT_H 值小于5，則認為是電網的波動，不進行切換。電壓下限監測同理。每5min 將三個計數器同時清零從SPI 總線上獲取ATT7028檢測的電工參數的計量結果，再對檢測值進行校表，即可對校表寄存器賦值來進行軟件校表。

顯示模塊主要是在控制室內顯示當前時間及檢測到的路燈的運行情況。

圖2 軟件流程圖

主程序與各個子模塊之間采用定時中斷聯系，每隔1min 中斷一次，在每次中斷時均要完成四大任務，即讀出實時時間發送至主控室，決定是否換檔，根據電網波動實際情況控制決定是否改變檔位，以及將原邊電網電壓根據實際情況發送至監控室。軟件流程圖如圖2 所示。

3 節能效果分析

以1kw 路燈為例，設當路燈電壓為205V時，單位時間耗電量為0.87kWh；當路燈電壓為193V 時，耗電為O.77kWh；在滿足行人車輛運行需要的情況下，適當降低路燈的端電壓，可節能20%左右。在深夜行人稀少時，可將路燈的端電壓降至170～180V，路燈1h 內耗電O.55kWh左右，除去其他損耗，可節約電能近40%。

[1]羅永明.水泥混凝土路面裂縫成因及預防措施[J].山西建筑，2009-08-10.