摘 要： 以AT89C52單片機(jī)為核心研制的新型節(jié)電照明控制系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的工作原理、硬件結(jié)構(gòu)和軟件流程。
關(guān)鍵詞： 照明 控制 節(jié)電 AT89C52單片機(jī)
能源的開發(fā)和控制是一個(gè)世界性的課題，直接關(guān)系到人類的生存和發(fā)展。電能是應(yīng)用最廣的一種能源方式，也是能源消耗中最主要的組成部分。目前我國電力工業(yè)發(fā)展速度很快，但是電力供應(yīng)不足和用電效率低下的狀況依然比較嚴(yán)重。因此推行照明節(jié)電技術(shù)節(jié)約電能是改善電力負(fù)荷緊張狀況的主要途徑之一。我國照明用電約占總發(fā)電量的12%左右，且以低效照明為主，因此成為終端節(jié)電的主要對(duì)象之一。照明用電大都屬于峰時(shí)用電，由此可見，照明節(jié)電具有節(jié)約電量和緩解高峰用電的雙重作用。
1 系統(tǒng)工作原理
提倡照明節(jié)能，不等于降低對(duì)視覺作業(yè)的要求和降低照明質(zhì)量。照明節(jié)能的基本原則應(yīng)是保證不降低工作場所的視覺要求，在保證照度標(biāo)準(zhǔn)和照明質(zhì)量的前提下，力求減少照明系統(tǒng)中的能量損失，最有效地利用電能。
根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測量，電壓與燈源的功率關(guān)系為：
從上述可知，降壓節(jié)電是一種切實(shí)可行的方法，不僅節(jié)約了電能，而且穩(wěn)定了電壓，延長了燈泡的使用壽命，達(dá)到了雙重意義上的節(jié)能。
根據(jù)日光燈的特性，在啟動(dòng)時(shí)需要瞬時(shí)高壓才能發(fā)光，啟動(dòng)后僅需要較低的電壓就可以維持。節(jié)電控制器便是利用日光燈的這個(gè)特性，在電網(wǎng)上電初始階段，以220V電壓輸出，等日光燈運(yùn)行穩(wěn)定后再降到200V、190V或180V低電壓輸出。
節(jié)電控制器的工作模式為：節(jié)電器開始工作后，首先以滿電壓在預(yù)設(shè)的預(yù)熱時(shí)間段內(nèi)運(yùn)行（參見圖1的a段）；預(yù)熱時(shí)間過后，節(jié)電器的輸出電壓開始平滑下降（參見圖1的b段），直至輸出電壓降至預(yù)設(shè)的節(jié)電水平，并保持這一水平穩(wěn)定運(yùn)行（參見圖1的c 段）。當(dāng)節(jié)電水平設(shè)置值改變或節(jié)電控制信號(hào)斷開，輸出電壓將改變?yōu)樾碌墓?jié)電水平或恢復(fù)滿電壓輸出（參見圖1的d段）。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。它包括強(qiáng)電部分、單片機(jī)及其外圍電路、電流采樣電路、電壓采樣電路和驅(qū)動(dòng)電路等。
2.1 電氣組成
系統(tǒng)強(qiáng)電部分有一部三抽頭變壓器，輸入為220V交流電，輸出分別為200V、190V、180V，再加上220V，一共四級(jí)。分別由繼電器J2、J3、J4和J1控制?？赏ㄟ^控制閉合特定的繼電器，達(dá)到控制輸出電壓的目的。繼電器J5連接限流器接在變壓器兩端。電流過大時(shí)，繼電器J5閉合分流，從而使流過變壓器的電流不至于過大。
2.2 單片機(jī)及其外圍電路
單片機(jī)選用AT89C52，其內(nèi)含256B的RAM，32條I/O線，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，且自帶8KB的電擦除E2PROM，用以保存控制程序。用ADC0809作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流、電壓由模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，時(shí)鐘是單片機(jī)的ALE經(jīng)D觸發(fā)器縮頻，控制口由P2.7、WR、RD和或非門組成的標(biāo)準(zhǔn)控制電路，結(jié)果輸出采用延時(shí)方式，延時(shí)大約為180μs。單片機(jī)的P0口與ADC0809的輸出端口連接，讀取AD轉(zhuǎn)換后的結(jié)果。
2.3 電流、電壓采樣電路和驅(qū)動(dòng)電路
系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)的電壓和電流，作出相應(yīng)的控制策略。所以采樣是必不可少的。用電流互感器作為電流檢測元件，能夠反映主電路中的電流，并能將控制電路與主電路隔離，從而提高安全性，降低干擾。互感器中的電流經(jīng)過整流、電流電壓轉(zhuǎn)換、濾波，校準(zhǔn)后，輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809。
電壓采樣通過變壓器采集電網(wǎng)電壓，變壓器也具有隔離作用，采集到的電壓經(jīng)過整流、濾波，校準(zhǔn)后輸出給ADC0809。
單片機(jī)輸出脈沖經(jīng)隔離、功率放大后可直接接到繼電器控制級(jí)，控制繼電器。為降低來自電網(wǎng)的干擾，由單片機(jī)I/O線產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖，必須經(jīng)隔離后送至繼電器的控制電路中。繼電器J1～J4工作時(shí)，在同一時(shí)刻最多只有一個(gè)繼電器閉合，所以共有八種狀態(tài)。單片機(jī)的三路（P1.0～P1.2）經(jīng)三八譯碼器轉(zhuǎn)換后可得到八路控制信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)放大后用于控制繼電器動(dòng)作。不需要繼電器動(dòng)作時(shí)，可由P1.3關(guān)閉三八譯碼器的輸出。
2.4 X5045
由于系統(tǒng)參數(shù)較多，所以選用一片X5045，它含有512個(gè)8位E2PROM，以串行方式與單片機(jī)通信，可以對(duì)設(shè)定參數(shù)進(jìn)行斷電保存，其片內(nèi)的SPI存儲(chǔ)器用于存放預(yù)設(shè)節(jié)電水平值和運(yùn)行時(shí)段設(shè)置值。另外它還包括一個(gè)可編程的看門狗定時(shí)器和低電壓檢測電路，能夠保護(hù)單片機(jī)可靠地運(yùn)行。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本程序采用模塊化設(shè)計(jì)思想，以主程序?yàn)楹诵脑O(shè)置了很多功能模塊子程序，使大量的功能在子程序中實(shí)現(xiàn)，簡化了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。運(yùn)行過程中通過主程序調(diào)用各功能模塊子程序。程序主框架圖和主程序流程圖分別如圖3和圖4所示。 該系統(tǒng)的工作流程包括三部分：系統(tǒng)初始化，系統(tǒng)進(jìn)入延時(shí)狀態(tài)，系統(tǒng)達(dá)到并穩(wěn)定在節(jié)電狀態(tài)。系統(tǒng)初始化用來設(shè)置看門狗定時(shí)器、讀入系統(tǒng)變量以及初始化數(shù)據(jù)。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。
軟件主要需完成三個(gè)功能模塊：按鈕、顯示模塊實(shí)現(xiàn)相應(yīng)信號(hào)從單片機(jī)輸入和輸出；控制信號(hào)模塊實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的編碼輸出；外部輸入模塊實(shí)現(xiàn)控制模塊對(duì)外部控制信號(hào)的接收。
由于實(shí)際使用環(huán)境的復(fù)雜性及存在著各種各樣的干擾因素，因此系統(tǒng)的可靠性需使用抗干擾技術(shù)來維持。這里用到的抗干擾技術(shù)是看門狗技術(shù)（WDT），WDT能防止“跑飛”。“跑飛”指PC值超出應(yīng)用程序區(qū)，將非程序中的數(shù)作為指令碼運(yùn)行。WDT看門狗的運(yùn)行能使程序在“跑飛”狀態(tài)下產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，有效防止程序“跑飛”。
4 結(jié)束語
本文研制的節(jié)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理新穎，硬件簡單，有很好的節(jié)電效果。
實(shí)驗(yàn)證明，該節(jié)電器的節(jié)電效率為25％左右。該系統(tǒng)不僅具有節(jié)電、延長燈泡壽命的功能，而且能使日光燈在電壓波動(dòng)范圍較大的情況下穩(wěn)定運(yùn)行。由于該系統(tǒng)采用了單片機(jī)控制，所以具有較高的性能價(jià)格比和柔性，即可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行變更和擴(kuò)展，提高了系統(tǒng)靈活性和適應(yīng)性，有利于應(yīng)用和推廣。
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