照明是城市基礎(chǔ)設(shè)施的組成部分，在城市的交通安全、社會治安、人民生活和市容風(fēng)貌中居于舉足輕重的地位，并發(fā)揮著不可替代的作用，也標(biāo)志著城市實力和成熟的程度。現(xiàn)有的城市路燈70％以上使用的都是高壓鈉燈，其設(shè)計壽命為24 000小時(5年)。但是，由于電壓波動大，許多地區(qū)的波動甚至超過額定電壓的15％，特別是在后半夜，由于電負(fù)荷減少，使得電網(wǎng)電壓有時接近245 V，高電壓不但浪費了電能，還縮短了燈泡的使用壽命，事實上，現(xiàn)在城市路燈的實際使用壽命平均不到一年。
目前，在供電電源端節(jié)能的方式主要有兩種，一是采用半夜燈，二是采用調(diào)壓方式。并夜燈是通過在下半夜關(guān)掉一部分照明燈的方法來達(dá)到節(jié)能，它具有簡單易行的特點，缺點是道路照明不均勻，且無法解決下半夜電壓高而影響光源壽命的問題，也不適用于商場、學(xué)校這些室內(nèi)場所。而通過降低供電電壓的方法不但可以節(jié)能，還可延長光源的壽命，是一種較好的節(jié)能方式。
為此本文提供了一種基于C8051F310單片機(jī)的節(jié)電控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，該系統(tǒng)能針對電網(wǎng)電壓偏高和波動現(xiàn)象，并根據(jù)用戶現(xiàn)場的實際需求，實時在線調(diào)控輸出最佳照明工作電壓，以將其穩(wěn)定在允許的范圍內(nèi)，從而提高電力質(zhì)量，節(jié)約照明用電，延長燈泡的使用壽命，十分適用于路燈、學(xué)校、商場等室內(nèi)和室外的照明節(jié)電控制。
1 基本設(shè)計思路
本文所設(shè)計的路燈控制器采用自耦變壓器形式調(diào)整負(fù)載路燈的電壓，自耦變壓器的一、二次側(cè)線圈不僅有磁的聯(lián)系，還有電的聯(lián)系，所以，在輸出電壓調(diào)節(jié)范圍不大時，它的容量比較小，所以消耗的材料小，造價低，效率高，其最大的優(yōu)點是克服了可控硅斬波型產(chǎn)品產(chǎn)生諧波的缺陷，實現(xiàn)了電壓的正弦波輸出，其結(jié)構(gòu)和功能都很簡單，可靠性也比較高。
圖1所示是一個路燈照明節(jié)電系統(tǒng)的基本框圖。該路燈節(jié)電控制器要實現(xiàn)的基本設(shè)計思路是通過閉合在自耦變壓器二次邊不同變比的四個觸點開關(guān)，使路燈兩端電壓在電網(wǎng)電壓變化時(主要是夜間電網(wǎng)電壓偏高時)能夠自動穩(wěn)定在一預(yù)設(shè)值。
熒光燈是一種利用汞放電產(chǎn)生紫外輻射來激發(fā)熒光粉層而發(fā)光的低氣壓放電燈，是目前工廠、大廈、商場、機(jī)關(guān)、學(xué)校和家庭照明的一種主要電光源。表1給出了熒光燈的照度、壽命與電壓的關(guān)系(令額定電壓下的壽命為1)。
由表1可知，若電網(wǎng)電壓為額定電壓220 V，采用90％額定電壓供電時，燈具壽命可延長一倍，照度衰減7％。從人體視覺學(xué)可知，人的眼睛對光強(qiáng)度變化的感覺是按對數(shù)關(guān)系計算的，照度衰減7％，人的視覺能夠感覺到光線變暗1．6％，此時節(jié)約電能19％，可以達(dá)到最佳能效比。如電網(wǎng)電壓超過220 V，則節(jié)能率一般在20％以上。所以，90％額定電壓為室內(nèi)照明供電最優(yōu)運行與節(jié)能電壓。
1．1 觸點開關(guān)設(shè)置方案
由以上分析可知，90％的額定電壓為路燈或室內(nèi)照明最優(yōu)運行與節(jié)能電壓，即200伏。我國電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)為220 V(-15％~+10％)，即電網(wǎng)電壓的波動范圍為187～242 V。假設(shè)電網(wǎng)電壓在以上電壓范圍內(nèi)波動，并設(shè)自耦變壓器各路開關(guān)變比分別為a0、a1、a2、a3，那么，可以取電網(wǎng)波動的四個電壓點來計算設(shè)定自耦變壓器的變比，以使電網(wǎng)電壓在這四個點的時候，變壓器輸出均為200V，這四個點為200V，210V，220V，230V。
設(shè)旁路變比為1，即當(dāng)電網(wǎng)電壓為200 V時，其變比a0=1，則其他各路開關(guān)的變比為：a1=0．95，a2=0．90，a3=0．87。以這四個點為中心，我們可以把電壓波動的范圍分成4個段，如圖2所示。設(shè)電網(wǎng)電壓為X，輸出電壓為Y，變比為ax。
由圖2可知，其輸出電壓值的精度至少可達(dá)到94．3％。
現(xiàn)以冬季為例需要為道路照明的時間為17：00至次日6：00。根據(jù)電壓觀測的結(jié)果，電網(wǎng)電壓通常應(yīng)穩(wěn)定在220 V左右，但在半夜0：00至次日6：00，由于電網(wǎng)負(fù)荷小，電網(wǎng)電壓會逐漸攀升至230 V。據(jù)此可以計算出節(jié)電率。其電壓調(diào)整前的耗電量：
通過計算可知，其節(jié)電率可達(dá)21％。
1．2 電壓控制方案
設(shè)輸入電壓為X，輸出電壓為Y；t時刻的電網(wǎng)輸入電壓為X(t)，觸點開關(guān)跳變值為P，那么，可以先通過下式判斷輸入電壓X處于上升階段還是下降階段：
若某路在t時刻的輸入電壓大于(t-1)時刻的輸入電壓，則輸入電壓處于上升階段。設(shè)定電壓跳變值為P，即電壓上升到P+2時。觸點開關(guān)跳變。反之，若某路t時刻的輸入電壓小于(t-1)時刻的輸入電壓，則輸入電壓處于下降階段，若設(shè)定電壓跳變值為P，即電壓下降到(P-2)時，觸點開關(guān)跳變。
其中，可以設(shè)定4 V的回差，以使電壓在上升和下降兩個階段有兩個不同的閾值。設(shè)置該回差是為了保證觸點開關(guān)在輸入電壓波動頻繁時不會隨之出現(xiàn)頻繁跳變。
1．3 采樣方案
針對該系統(tǒng)的電網(wǎng)電壓幅值變化不是很快的特點，該路燈控制器的采樣速度和采樣精度的要求都不需要很高。而微控制器C8051F310自帶的10位AD轉(zhuǎn)換器本身的精度就能滿足系統(tǒng)要求。信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換之后，再由微處理器計算相應(yīng)電壓的有效值，并進(jìn)一步進(jìn)行判斷即可。該設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、成本低，且足夠滿足采樣速度和采樣精度的要求。
A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度，是由其參考電壓和輸出字段長度共同決定的。所謂轉(zhuǎn)換精度是指一個A/D轉(zhuǎn)換器可以對最小電壓變化的監(jiān)測能力。實際上，轉(zhuǎn)換精度就是A／D轉(zhuǎn)換器的最小步進(jìn)電壓，只需將MD轉(zhuǎn)換器的參考電壓與該轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換值的數(shù)量相除，就可以得到該電壓值。
由于C8051F330采用3．3 V作為基準(zhǔn)電壓，故其轉(zhuǎn)換精度為3．3／1024，即3．22 mV，完全可以滿足本系統(tǒng)的精度要求。
1．4 遠(yuǎn)程通訊控制方案
遠(yuǎn)程通信是指多臺路燈控制器與PC機(jī)之間的通信，便于用戶對分布在各處的路燈控制器的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，本系統(tǒng)通過C8051F310自帶的UART口和PC機(jī)的串口進(jìn)行通信，以將檢測到的各種狀態(tài)信息傳給上位機(jī)(如電網(wǎng)的電壓，A、B、C各相的電流，以及路燈控制器所處的各個狀態(tài)等等)，而用戶則可根據(jù)上位機(jī)的軟件來選擇要監(jiān)控的路燈控制器，然后根據(jù)其狀態(tài)來發(fā)出各種控制命令，如旁路或者選擇節(jié)能所處的檔位。
鑒于采用的是一臺PC機(jī)對多臺路燈控制器的方式，故可采用偵聽方式來規(guī)定其通信協(xié)議，即給每一臺控制器分配一個通信地址。通信開始之前，主機(jī)先發(fā)送通信地址，每一臺控制器都接收這個地址，然后與自身的地址相比較，地址匹配的路燈控制器開始與主機(jī)通信，其它的保持偵聽狀態(tài)。這樣，用戶就可方便地對任何一臺控制器進(jìn)行監(jiān)控。
綜合考慮總線的傳輸距離和抗干擾能力等因素，本設(shè)計在控制板上采用RS-485接口，并采用差分方式傳輸信號，故其抗共模干擾的能力很強(qiáng)。
2 硬件設(shè)計
本節(jié)電控制系統(tǒng)的硬件部分主要包括微處理機(jī)、電壓檢測電路、電流檢測電路、觸點開關(guān)驅(qū)動電路、時鐘及通訊接口電路等。當(dāng)電網(wǎng)電壓經(jīng)整流濾波電路被采集到微控制器后，微控制器將通過自帶的AD轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，然后通過運算來確定此時需閉合的變壓器副邊開關(guān)位置，同時發(fā)出命令使相應(yīng)繼電器驅(qū)動與其對應(yīng)的觸點開關(guān)閉合，從而實現(xiàn)其基本功能。KEY電路包含外部的一些手動邏輯控制。圖3所示是本系統(tǒng)的硬件電路框圖。
2．1 電壓檢測電路
本系統(tǒng)中的電壓檢測電路框圖如圖4所示。該電路中包括有各種信號調(diào)理電路。其電網(wǎng)電壓經(jīng)220 V／7．5 V變壓器之后，再通過運放組成的比例放大器調(diào)整其幅值，然后通過全波整流電路將其變成直流，再經(jīng)過RC濾波電路之后進(jìn)入微控制器進(jìn)行AD采樣。
電流檢測電路的結(jié)構(gòu)與電壓檢測電路基本相同，只不過電流是通過電流互感器之后，再轉(zhuǎn)換成電壓信號，其信號調(diào)理過程基本一致。
2．2 觸點開關(guān)驅(qū)動電路
圖5所示是觸點開關(guān)驅(qū)動電路的示意圖。在圖5中，微控制器的輸出可通過驅(qū)動電路接到三極管，以控制其通和斷，并由此來控制繼電器線圈的通和斷，再通過繼電器控制自耦變壓器觸點開關(guān)的通和斷。
2．3 通信接口電路
本節(jié)電器和PC機(jī)的通信采取串口通信，使用的是微控制器的UART口，其中RX0為微控制器接收信號，Txo為微控制器發(fā)送信號。UART口通過專用的RS485芯片將信號發(fā)送到總線或從總線上接收信號。其電路圖如圖6所示。
圖中的光耦起到了隔離作用，用于防止微控制器被其它信號干擾，防雷一般采用的是瞬態(tài)二極管。
3 軟件設(shè)計
圖7所示是本系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)流程圖。當(dāng)系統(tǒng)開機(jī)之后，微控制器首先初始化，然后啟動內(nèi)部定時器進(jìn)行電流和電壓采樣。如果電流過流，控制器將使整個系統(tǒng)旁路，以免燒毀元器件，之后，微控制器再對采集到的電網(wǎng)電壓進(jìn)行分析，以判斷自耦變壓器應(yīng)該處在什么檔位。并結(jié)合PC機(jī)傳給控制器的命令來綜合分析應(yīng)該采取的動作。
通信程序應(yīng)保障計算機(jī)與單片機(jī)之間的聯(lián)系暢通并能實現(xiàn)多機(jī)通信。當(dāng)開機(jī)之后，連接在總線上的每一臺設(shè)備都將分配一個通信地址。計算機(jī)要與哪一臺設(shè)備通信，可以通過控制界面進(jìn)行選擇，從而監(jiān)控每臺設(shè)備的信息，并可通過遠(yuǎn)程發(fā)送控制命令。此時，總線上的每臺設(shè)備都接收到計算機(jī)發(fā)出的信息，而只有通信地址與信息中包含的地址相匹配的設(shè)備才可以做出相關(guān)的動作，同時獲得向計算機(jī)發(fā)送自身狀態(tài)信息的權(quán)利。
4 結(jié)束語
實驗表明，該節(jié)電裝置實現(xiàn)起來簡單方便，可靠性較好，通過在重慶機(jī)務(wù)段的廣場照明實驗，其節(jié)電率可達(dá)20％以上，基本符合理論計算的結(jié)果，可以滿足節(jié)電照明的商業(yè)化要求，能實現(xiàn)長期安全可靠的運行。