本科毕业论文___自适应LED路灯控制器设计.doc
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1、xx大学学士学位论文自适应LED路灯控制器设计摘要 自适应LED路灯控制器是针对在城市照明上所存在的的能源消耗而设计出的新型节能控制器,它从半导体照明及自适应控制两方面共同实现节能,是将集稳压控制、软起动功能、自动起停、智能调光控制于体的路灯控制装置。PWM(脉冲宽度调制信号)调光和智能路灯控制系统相结合是该控制装置的主要特点,利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制,通过调节脉冲信号的占空比,从而达到改变LED路灯亮度的效果,以实现路灯的自适应功能。 本文对自适应LED路灯控制系统的研制进行了深入分析和研究。讨论了自适应路灯控制系统的构思、设计方案,介绍了该装置的系统设计、工作原理,对大功
2、率LED、单片机AT80C51及路灯控制器进行了详细的介绍,分析了以AT80C51单片机为主控单元的硬件电路,对电路的主程序进行了软件设计,采用了时间控制,环境参数控制以及手动控制相结合的控制策略。 MCS-51系列单片机无PWM输出功能,所以采用定时器配合软件的方法共同实现。通过本文的研究,设计完成了具有实用性的自适应LED路灯控制器。并为产品化设计提供依据。关键词自适应控制;LED;路灯控制器;PWMAdaptive controller design for LED street lampsAbstract Adaptive controller for LED street lamps
3、 is the new energy-saving controller to design for the existence of lighting energy consumption in the city , it can be both semiconductor lighting and Controller to achieve energy-saving, is to set regulator control, soft-start function ,automatically cease, intelligent voltage control in the one s
4、treet lamp control device.PWM (pulse width modulation signal) lamps dimming and intelligent control system combined is the main characteristics of the control devices,using the microprocessor Digital output to control analog circuits,use adjusting the duty cycle of pulse signal,to achieve the effect
5、 of Change the brightness of LED lamps ,in order to achieve the adaptive function of street lighting. This paper it analysis and research for adaptive LED street lamp control system in depth discussed the idea and schematic design of adaptive street lamp control system, introduced the System design
6、and working principle of the control device,introduced the high-power LED, AT80C51 single-chip microcomputer and street lamp controller in detail, the analysis of a single-chip microcomputer AT80C51 main control unit for the hardware circuit for the pulse width of the LED output signal (PWM) control
7、 of the software design, the use of time control, control of environmental parameters, as well as a combination of manual control of the control strategy. MCS-51 family of single-chip non-PWM output function,Therefore, the use of timer used together with the realization of software.Through the study
8、, design completed practical adaptive LED lamp controller. And for prod design provides the basis.Keywords adaptive controll;LED ;street lamp control; PWM;不要删除行尾的分节符,此行不会被打印-II-目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.1.1 课题研究的背景11.1.2 课题研究的意义21.2 国内外大功率LED控制技术的发展21.2.1 国外大功率LED控制技术的发展21.2.2 国内大功率LED控制技术的发展
9、31.3 大功率LED的路灯的发展趋势41.4 论文研究内容6第2章 路灯控制系统设计技术基础72.1 自适应控制72.2 大功率LED路灯82.2.1 LED82.2.2 LED光源的特点92.2.3 LED分类92.2.4 大功率LED路灯102.3 单片机AT80C51112.3.1 80C51的基本特性112.3.2 80C51的基本结构122.4 A/D转换器ADC0809132.5 本章小结14第3章 系统硬件设计153.1 系统的总体方案设计153.1.1 系统的结构模型及功能分析153.1.2 路灯控制器的方案选择163.1.3 系统硬件设计163.2 声光信号采集173.2.
10、1 声音信号采集173.2.2 光照信号采集183.3 控制器的设计以及基本外围电路193.3.1 单片机控制器的设计193.3.2 A/D转换电路203.3.3 开关量输入/输出电路223.3.4 人机交互模块设计233.3.5 电源电路设计243.4 本章小结25第4章 系统软件设计264.1 软件结构设计264.2 主程序设计264.3 自适应照明控制综合策略284.3.1 时间控制策略284.3.2 组群控制策略304.3.3 环境参数与辅助控制策略304.4 本章小结31结论32致谢33参考文献34附录A35附录B41附录C46- IV -第1章 绪论1.1 课题背景1.1.1 课题
11、研究的背景城市路灯的功能日益突出。众所周知,城市公用路灯对美化城市、改善投资环境、推动社会经济发展和保障人民生活安全及道路交通安全等方面起着不容忽视的重要作用。特别是改革开放以来,随着我国经济建设的逐步发展,城市道路建设的发展速度的逐步提高,社会和人民群众对亮灯率和城市形象要求越来越高。因此,对作为城市建设中不可缺少的城市道路照明和管理也就提出了更高的要求。为了适应这发展的需要,提高城市道路照明的管理水平,就必须加快城市道路照明的科技进步和现代化建设进程1,用现代化的智能路灯系统来替代原来较为落后、繁琐的路灯运行方式,将有限的人力和机构节约下来,得以发挥其应有的作用,创造更好的社会效益和更多的
12、经济效益。道路照明对于降低夜间的交通事故发生率有着重要的影响,几年来各国所作的相关研究表明,良好的道路照明可减少约30%的夜间交通事故。另外城市电力供应的日趋紧张,对城市公共照明节电尤其是道路照明节电提出了要求。城市公共照明(主要是道路照明和景观照明)在我国照明耗电中占大约30%的比例,所以城市道路照明的节电潜力很大,为此建设部和国家发改委专门就城市照明节电问题发出通知,明确提出城市照明要向“高效、节能、环保、健康”的“绿色照明”方向发展。道路照明的安全和节能问题已经引起了照明科技领域众多研究机构和企业的高度重视2。我国大部分城市路灯都采用“全夜灯”的方式进行照明,普遍存在的问题有两点:方面,
13、后半夜行人稀少,采用“全夜灯”的方式浪费太大34,因此,有的地方采取前半夜全亮,后半夜全灭的“半夜灯”照明方式;有的地方在后半夜采取“亮隔”或“亮隔二”的节电措施,此种方式虽然节约了电费支出,却带来了社会治安和交通安全问题,不利于城市形象。另方面,在后半夜因行人稀少,而应该降低路灯的照度,以避免光源污染,影响居民的晚间休息。但是,由于后半夜是用电低谷期,电力系统电压升高,路灯反而比白天更亮了。这不仅造成能源浪费,还大大影响了设备和灯具的使用寿命。目前,路灯照明广泛使用高压钠灯,其设计寿命在12000小时以上,在正常情况下至少可用3年,但是由于超压使用,现在路灯灯泡的实际寿命只有1年左右,有的甚
14、至只有几个月,造成维护和材料的浪费极大。较高的电压不仅不能让负载设备更有效地工作,而且会引起发热及过早损坏,还会产生不必要的电费开支。随着城市市政建设日新月异,宽阔的街道,各种各样的路灯给城市带来了光明的同时也增添了城市夜间的魅力。但是由于道路、路灯众多,传统的人工管理模式已经和快速、现代化的城市建设不相适应。而自高亮度白光LED问世后,在照明应用上受到重视,它具有发光效率高节电效果好,并且无污染、寿命长的特点。特别是LED 能实现较完美的调光功能,这使得城市路灯照明系统的节能改造成为可能。LED可以通过单片机实现自适应控制,特别是自适应型LED路灯控制系统可以自动实现白天光线较暗和晚上遇到声
15、响时,路灯自动点亮,从而实现人来灯亮,人走灯灭,还可以在点亮自动调节光的亮度,既方便又实用。不仅节约了电能,而且使用寿命长,可广泛应用于公路、隧道、生活小区等的照明控制。自适应控制的道路照明系统为我们带来了全新的照明控制概念5。1.1.2 课题研究的意义本课题的研究意义可以归结为以下几个方面:1. 为城市公共照明提供种科学有效的节电方案。2. 提高城市路灯管理水平,在改善城市道路照明质量的同时,还可以节省人力物力。3. 从国家的城市公共事业建设策略上来说,网络化的公共照明系统也是数字化城市的个重要组成部分,可以为城市的数字化建设做个良好的基础和参考。4. 提高了城市基础设施管理水平,有利于提高
16、城市形象。路灯是我国经济发展和国家建设中必需的用电设备,它在我国的整体用电量中所占比例巨大,如果通过节能装置对其进行有效控制,就能够降低电力损耗,达到节约能源,降低生产安装成本,有助于我国经济的快速发展。本文研究的自适应LED路灯控制器是在路灯的启停和运行过程中,通过不同的照明控制策略来调节LED路灯的输出脉冲宽度,控制LED路灯的照明亮度,从而改变了其在不同时段的耗电量,达到了节约电能的目的。1.2 国内外大功率LED控制技术的发展1.2.1 国外大功率LED控制技术的发展国外LED照明控制器的发展一直领先于国内。德国生产的STECA太阳能路灯控制器,有12V和24V两种,可以自动识别,可满
17、足绝大多数太阳能照明系统使用,它采用脉冲调制技术,不仅能有效的保护蓄电池,防止过充电现象的发生。它还能快速、平稳的为蓄电池充电,其内置温度补偿装置,充电过程完全符合IU曲线,SLX系列充电控制器最大的优点在于它能自动识别季节和时间,可以夜晚开灯、早晨关灯,光控与时控相结合,可以分别控制两个时段,使太阳能路灯系统更加智能化。德国STECA太阳能路灯控制器具有的独特功能,主要特点是:PWM脉宽调制充电方式、自动识别12V24V系统、PWM充电电路(智能三阶段充电)、SOC,自动学习功能STATE-OF-CHARGE算法等特点。所实现的路灯功能为自动识别季节和时间、光控开时控关、时控开光控关。国外照
18、明节能技术的发展具有以下特点:。1 大力推动绿色照明,在光源的材料,使用规范上加以有效管理,出台了系列的标准和管理要求,将照明节能推广到全民范围;2 不断提高功率器件性能要求,主要体现在镇流装置上技术提高。通过对镇流器技术改进来提高照明设备的功率因素。3 积极推广节能奖励政策,鼓励民众节能,节电,建立了完善有效的奖励机制。61.2.2 国内大功率LED控制技术的发展在北京奥运会上,LED照明技术在奥运历史上首次大规模使用并获得成功。据官方统计,北京奥运会总共包括36个比赛场馆,其照明产品需求就达5亿元左右,这还不包括奥运村、奥运花园等其他公共照明设施市场。 LED照明除了比用常规照明至少节能6
19、0%以外,还拥有长寿命、易集成、快响应、利环保、光分布易于控制、色彩丰富等优势。以“水立方”为例,仅使用LED灯的“水立方”景观照明工程,预计全年可比传统的荧光灯节电74.5万度,节能达70%以上。国内不少城市已经开始纷纷采用各种技术对城市公共照明系统进行了集中管理改造,基本实现了对全市路灯的遥控、遥测、遥信。全国各地积极推进LED节能照明,我国南方部分政府和企业都已经纷纷大力推广LED路灯用作道路照明。福建省政府新闻办召开发布会宣布,2009年福建省光伏产业项目对接会将于4月9日至10日在泉州南安市举行。此次活动将作为“618”海峡项目成果交易会的系列活动之,将搭建光伏产业成果转化、项目对接
20、和投资洽谈的平台7。 东莞勤上光电股份有限公司作为东莞LED行业的龙头企业,大功率LED节能路灯就是勤上光电众多产品中的“拳头”产品之。这产品技术上使用了具有企业自主知识产权的无线控制系统,可对灯具实现远程控制,既可对灯具进行远程开、关和调光,又能远程采集灯具工作时的电量、温度等数据,还能节省大量人工维护成本。节能也是这产品的显着特点,由于采用了非成像二次光学设计系统、电路驱动等先进系统和材料,其相较传统的高压纳灯节能60%以上,还具备着稳定和光衰小、无污染的特点。近日,海南三亚市路灯节能样板、文明路LED路灯节能亮化工程也顺利收尾。 重庆推广照明节能控制器调节路灯明暗可节能30%。在现有路灯
21、线路上加个节电控制器器,可节能30%。,目前多家科技公司正在我市推行智能型照明节电控制器器试点工作,通过改变电压控制灯光明暗,为主城道路公共照明设施节能。目前主城区路灯及灯饰工程耗电量很大,仅以高新区为例,每年电费就要200万元。智能型照明节电器可通过电脑对控制器进行设定,从而根据天色的明暗自动调节灯光。比如深夜的时候,灯光会暗些,而晚上八九点时则亮些,也达到节能的目的。根据不同路段实际情况,台节能控制器能控制约千盏路灯,将节能30%左右。北京市路灯原来在每台变压器都装了个编好程序的控制仪,按照日出和日落的时间控制路灯的亮灭8。但是,碰到阴天和雨、雪、雾的天气,有时天已经很黑了,路灯却没有亮。
22、改造以后的路灯不是在每天固定的时刻亮/灭,而是根据天黑和天亮的情况亮/灭。大连市采用大连现代高技术发展公司研制的城市路灯监控管理系统,其基本功能是通过光控和时控技术对接触器进行控制,可检测到每条路段的亮灯率9,可有效控制全夜或半夜灯,可对供电变压器(电流或电压)线路短或开路等事件及时报警。1.3 大功率LED的路灯的发展趋势道路照明与人们生产生活密切相关,随着我国城市化进程的加快,绿色、高效、长寿命的LED路灯逐渐进入应用领域。目前,大功率LED照明技术日趋成熟,大功率LED光源功效已经达到120 lm/W,城市LED路灯照明节能改造成为发展趋势。表1-1是传统路灯与LED路灯对比。就以路灯为
23、主的大功率LED产品市场而言,已经有部分LED企业在 2005 年下半年研发成功LED路灯产品,并逐步推向市场,替代原有传统的路灯产品。中国是目前全球城市化进程最快的国家之一,可以预料在未来的数十年内,全国各地对于大功率、高亮度、节能的LED路灯产品的市场需求是极其庞大的。据2006年国家路灯行业统计,我国城市道路照明共有1500万只以上的路灯,近几年的增长率在20%以上。照此估算,全国每年照明 路灯的市场规模不低于50亿元,如使用LED路灯,每年可节电20亿度以上10。表1-2是传统路灯与LED路灯五年总体费用的比较。表1-1 传统路灯与LED路灯对比杆高7米9米光源高压钠灯LED高压钠灯L
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