2 設(shè)計(jì)方案
2.1 路燈工作方案
??? 供電質(zhì)量的好壞對照明燈具的使用效果及使用壽命都有較大的影響。照明燈具端電壓偏離燈具所要求的額定電壓值越大，對燈具的使用效果和使用壽命的影響就越大，并由此導(dǎo)致燈電流、燈輸出功率和燈輸出光通量的變化。
以下分室內(nèi)照明和室外照明來討論工作方案。
2.1.1 室內(nèi)照明
??? 熒光燈是一種利用汞放電產(chǎn)生紫外輻射激發(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給出了熒光燈照度、壽命與電壓關(guān)系^[1]。
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??? 由表1可知，電網(wǎng)電壓為額定電壓是220V，采用90%額定電壓供電,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(jì)算的，照度衰減7%，人的視覺能夠感覺到光線變暗1.6%，此時(shí)節(jié)約電能19%，達(dá)到了最佳能效比。如電網(wǎng)電壓超過220V，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(yùn)行與節(jié)能電壓。

2.1.2 室外照明
??? 夜晚道路的照明作為對白天照明的延續(xù)，要求考慮到人們的生理特征，即存在著開燈和關(guān)燈時(shí)的照度設(shè)定問題。通常在早晨的時(shí)候，由于人們剛經(jīng)過一個(gè)黑夜的睡眠，對光線的亮度較為敏感，道路照明關(guān)燈的設(shè)定值可以在較低的照度值上；在傍晚的時(shí)候，因?yàn)閯倓偨?jīng)過了一個(gè)明亮的白天，人們對外界光線的亮度反應(yīng)較為遲鈍，道路照明開燈的設(shè)定值應(yīng)該在較高的照度值上。因此道路照明的開關(guān)值并不是恒定的，開燈時(shí)的照度值較高，關(guān)燈時(shí)的照度值較低。
??? 由于日照時(shí)間隨季節(jié)變化，所以室外路燈工作方案又分為冬季和夏季兩種，具體設(shè)置見圖2、圖3。

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??? 以冬季工作方案為例，對上述方案作節(jié)能率分析：
??? 假設(shè)照明系統(tǒng)負(fù)荷R恒定，且節(jié)能率只計(jì)算有功功率。則電壓調(diào)整前耗電量：
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電壓調(diào)整后耗電量：
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節(jié)能率：
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??? 同理，可得出夏季路燈工作方案實(shí)施后的節(jié)能率為23.3%。
2.2 電壓控制方案
??? 以室內(nèi)方案為例，輸出電壓保持在198V(=220V×90%)。
??? 設(shè)輸入電壓" title="輸入電壓">輸入電壓為U_in，輸出電壓為U_out；t時(shí)刻i(i=1，2，3)相輸入電壓為U_in(i，t)，t時(shí)刻i相輸出電壓為U_out(i，t)；設(shè)定的輸出電壓為U_S。先判斷輸入電壓Uin處于上升階段還是下降階段：
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??? 如(4)式，若某路t時(shí)刻輸入電壓大于(t-1)時(shí)刻輸入電壓，則輸入電壓處于上升階段。設(shè)定輸出電壓值為US，即電壓上升到US時(shí)觸點(diǎn)開關(guān)跳變。反之，若某路t時(shí)刻輸入電壓小于(t-1)時(shí)刻輸入電壓，則輸入電壓處于下降階段，設(shè)定輸出電壓值為(U_S+5)，即電壓下降到(U_S+5)時(shí)觸點(diǎn)開關(guān)跳變。
??? 其中，5V為回差，使電壓在上升和下降兩個(gè)階段有兩個(gè)不同的閾值。設(shè)置該回差是為了保證觸點(diǎn)開關(guān)在輸入電壓波動頻繁時(shí)不會隨之頻繁跳變。
??? 顯然，當(dāng)t時(shí)刻輸入電壓與(t-1)時(shí)刻輸入電壓相等時(shí)，不需進(jìn)一步處理，只需延時(shí)等待下一個(gè)采樣周期即可。
輸入電壓乘各開關(guān)支路電壓變比ai(i=1,2,3)的積，與設(shè)定輸出電壓US或(U_S+5)比較取絕對值最小Min[|U_out(i，t)-U_out(i，t-1)|]的一路開關(guān)閉合：
????U_out(i,t)=U_in?·α_i??????????????????????????? ?(5)
??? 當(dāng)出現(xiàn)兩路電壓比較后絕對值相等的情況時(shí)，若存在與上一采樣周期相同的一路開關(guān)，則開關(guān)不變；否則取最靠近上一周期所閉合開關(guān)的那一路開關(guān)閉合。
??? 室外兩種方案與室內(nèi)方案相似，只是在最初應(yīng)先判斷該時(shí)刻所處的時(shí)間段(如圖2、圖3所示)，以確定其設(shè)定輸出電壓值，再進(jìn)行上述各步驟。
2.3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)方案
??? 該人機(jī)界面采用類似PC機(jī)的Windows菜單操作。如果用一般的方法實(shí)現(xiàn)該功能，編寫程序時(shí)會涉及復(fù)雜的多重嵌套，若每層菜單有n個(gè)選項(xiàng)，就需要作n次判斷。這不僅使得程序繁鎖，還會占用很多的程序內(nèi)存空間。
在該設(shè)計(jì)中采用了一種根據(jù)菜單的樹狀特點(diǎn)，結(jié)合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)思想設(shè)計(jì)的“菜單值”原理方法^[2]：采用變量菜單值MenuNumber對每一層菜單的變量計(jì)數(shù)，根據(jù)此菜單值轉(zhuǎn)向執(zhí)行相應(yīng)的子程序。具體做法如下：
??? (1)開機(jī)后，進(jìn)入開機(jī)畫面，延時(shí)后自動進(jìn)入主菜單；
??? (2)以后每按一次“Enter”鍵，MenuNumber×10+1；每按一次“Esc”鍵，MenuNumber/10；
??? (3)每按一次“Up”鍵，MenuNumber-1；每按一次“Down”鍵，MenuNumber+1；
??? (4)根據(jù)上述方法形成“菜單值”（10進(jìn)制），如圖4菜單目錄樹中所標(biāo)出的數(shù)字；
??? (5)到達(dá)菜單頂層，設(shè)置一標(biāo)志，此時(shí)，按“Up”、“Down”后，再按一次“Enter”，視為“執(zhí)行”功能，MenuNumber??不變化，跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)函數(shù)執(zhí)行。如圖4所示。

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??? 在該路燈控制器的人機(jī)界面設(shè)計(jì)中，菜單只有兩層窗口，每層最多四個(gè)項(xiàng)目，所以把MenuNumber定義為一個(gè)字節(jié)已足夠。
??? 傳統(tǒng)的方法是采用兩個(gè)變量Windows和Level，并將Window和Level分開判斷，這種方法將二者合成為一個(gè)“菜單值”來判斷。由于“菜單值”的形成過程清楚，大大節(jié)省了程序設(shè)計(jì)時(shí)間，使程序清晰簡潔，便于維護(hù)修改，并大大提高了程序的可讀性。
3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 硬件部分
??? 主要包括微處理機(jī)、數(shù)據(jù)采集電路、觸點(diǎn)開關(guān)驅(qū)動電路、時(shí)鐘及人機(jī)接口電路(如圖5所示)。電網(wǎng)電壓經(jīng)整流濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路被采集到微處理機(jī)，微處理機(jī)通過運(yùn)算確定此時(shí)需閉合的變壓器副邊開關(guān)位置，同時(shí)發(fā)出命令，令相應(yīng)繼電器驅(qū)動與其對應(yīng)的觸點(diǎn)開關(guān)閉合，從而實(shí)現(xiàn)其基本功能。人機(jī)交互接口用于設(shè)定時(shí)間，以及隨時(shí)查看各相測量電壓、調(diào)整電壓和觸點(diǎn)開關(guān)閉合情況等信息。

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3.2 軟件部分
??? 路燈控制器的軟件流程如圖6。
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4 試驗(yàn)結(jié)果
4.1 室內(nèi)方案運(yùn)行結(jié)果
??? 室內(nèi)方案要求24小時(shí)工作，電壓值要求穩(wěn)定在198V。
在主菜單上，進(jìn)入方案選擇項(xiàng)，選定“室內(nèi)”選項(xiàng)。通過調(diào)壓器將電壓從210V上升至250V，再降至210V。在這個(gè)電壓變化的過程中觀察該路燈控制器的測量電壓值、調(diào)整電壓值以及選擇開關(guān)位置。室內(nèi)電壓調(diào)整結(jié)果如表2。
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4.2 室外(夏季)
??? 以夏季室外方案(圖3所示)為例，19：00～21：00時(shí)，要求電壓穩(wěn)定在210V；21：00～0：00時(shí)，要求電壓穩(wěn)定在200V；0：00～5：00時(shí)，要求電壓穩(wěn)定在190V。
??? 同上，進(jìn)入主菜單，選定“室外2”選項(xiàng)。通過調(diào)壓器將電壓從205V增大到240V，再逐漸減小到210V。與室內(nèi)方案不同的是，在調(diào)節(jié)電壓的同時(shí)，還需相應(yīng)地對時(shí)間進(jìn)行設(shè)置，才能反映路燈控制器是否按照設(shè)定方案正常工作。在這個(gè)過程中，觀察該路燈控制器的測量電壓值、調(diào)整電壓值、選擇開關(guān)位置以及工作時(shí)間。室外電壓調(diào)整結(jié)果見表3。