全自動節(jié)能路燈控制系統(tǒng)設計說明書.doc

全自動節(jié)能路燈控制系統(tǒng)設計說明書 設計者：陳明偉、龔攀君、張海江、秦芍芍、喬禹 指導老師：王玉林 （機械工程學院、電氣工程學院）作品內容簡介 路燈是城市道路照明的重要設施，對夜間行人及車輛行駛的安全具有重要意義。 目前常用的路燈控制方式是按照規(guī)定時間亮滅，而不能根據天氣條件對路燈的亮滅時間及明暗程度進行合理的調整。另外，對于車流量和人流量均少的街道，控制方式任與繁忙街道一樣，采用統(tǒng)一的控制方式。因此，這種傳統(tǒng)的控制方式不但不能滿足現(xiàn)代社會的照明需求，同時也造成了大量的資源浪費。針對以上不足，本設計提出了一種光線控制節(jié)能路燈，并且能根據交通情況自動調節(jié)亮燈狀態(tài)；該路燈能夠根據自然光的強弱，自動控制路燈開關及明暗程度，對于車流量和人流量少的街道，該街道的路燈會根據有無車或行人來控制路燈的亮滅。在滿足人類生活的前提下實現(xiàn)“綠色照明”。 1 研制背景及意義我國現(xiàn)有的路燈70以上使用的都是高壓鈉燈，在電力緊張的背景下，我國政府出臺了一些文件，要求在后半夜，采取“亮一隔一”或“亮一隔二”的措施，關閉部分光源。這只能作為緩，照度均勻度將不同程度、甚至是嚴重的下降，對交通、行人安全、對維護社會治安產生不利影響。高壓鈉燈其設計壽命為24000小時(5年)。但是由于我國城市電網技術落后，造成線路的電壓波動大大超過國際標準，許多地區(qū)的波動甚至超過額定電壓的左右15，特別是在后半夜，由于采取“亮一隔一”或“亮一隔二”的措施，電負荷減少使得電網電壓有時接近245V，致使路燈燈泡的實際使用壽命平均不到一年。因為，“亮一隔一”或“亮一隔二”不僅減小照度，同時區(qū)別于不同的燈桿布置方式。還有調壓技術，傳統(tǒng)調壓節(jié)電方法包括晶閘管斬波型節(jié)能和自我禍壓式調控兩種方法。其中晶閘管斬波型節(jié)能方法具有對路燈照明系統(tǒng)電壓調整速度快速，精度非常高，并可實現(xiàn)分時段的實時調整的優(yōu)點，另外體積小和成本低也是其另外主要優(yōu)點。美中不足的是這種節(jié)電節(jié)能方式會在工作時產生大量諧波，危害電網運行安全，因此在照明電路中并不適宜運用。另一種自我禍壓式調控節(jié)能方法可以有效避免產生諧波，可靠性非常高，但是只能夠進行固定的降壓而不能穩(wěn)壓和升壓，所以也不適宜大量運用推廣。 在國外，智能光源降壓穩(wěn)壓調光技術是國際上流行的全數字智能路燈節(jié)能控制技術。它充分考慮了城市道路照明的實際狀況，依據人體工程學中的視覺理論，采用現(xiàn)代控制論中的最優(yōu)控制方法，實現(xiàn)了對路燈電壓及照度的動態(tài)智能化管理。此項技術的基本思路就是：在繁忙的時段，控制路燈保持較強的照度，接近午夜時分，開始自動調光，在后半夜車稀人少時，則控制路燈保持較低照度的照明。它的主要優(yōu)點就是在調光的同時也大幅降低了電耗，節(jié)約有功電耗達30以上。但是，其未能充分考慮到路燈在不同自然環(huán)境下亮燈的時機，按照傳統(tǒng)思維在固定時間亮燈極易浪費能源并且造成人們生活上的不便。即我國城市一般天還亮著的時候路燈便打開了（打開過晚影響交通及人們正常生活治安），但沒有但沒有相應的控制措施進行節(jié)能控制。 2 設計方案2.1 設計目標根據調查，我國現(xiàn)有的路燈耗電情況比較嚴重，主要是沒有考慮到在不同的環(huán)境亮度來調整路燈的亮度，比如我國大部分城市在天還沒完全黑的情況下就開路燈，這樣就造成資源的浪費。通過我們所設計的系統(tǒng)，能夠讓路燈根據外界環(huán)境的光線強度和時間段來自動調節(jié)路燈的亮度，同時根據路段的繁忙狀況控制路燈的亮滅，這樣能夠避免資源的浪費，也能夠使資源得到充分的利用。根據計算，應用我們設計的系統(tǒng)每年可以為我國城市公共照明節(jié)省約25億元資金，并且有效的提高了高壓鈉燈的壽命，這樣也為我國節(jié)省了資金。2.2設計內容 如今在節(jié)約型社會的倡導下，國內外在路燈的節(jié)能方面做了大量工作，例如由節(jié)能燈、高壓鈉燈替代普通燈泡，由夜間全亮轉變?yōu)椤傲烈桓粢弧?、“亮一隔二”等方法都取得了較好的節(jié)能效果。本課題在此基礎上，對路燈的控制方式進行研究，力求達到更好的節(jié)能效果。主要研究內容如下： (1)通過光電傳感器感知外界環(huán)境的光強變化。本作品在現(xiàn)有節(jié)能燈的基礎上加入光電傳感器，通過光電傳感器的感光作用將光能模擬信號轉化為數字信號，從而感知外界光線強度的變化情況。 (2)根據光線強度變化對路燈亮度的調節(jié)。本作品首先將路燈的亮暗程度大致的規(guī)定在一定范圍內，并且將變化的電信號傳送給單片機，單片機根據電信號的變化，選擇電路中不同的控制路線，從而做出對路燈的相應調整。 (3)根據時間段調節(jié)路燈的亮度。本作品能實現(xiàn)：在繁忙的時段，控制路燈保持較強的照度，接近午夜時分，開始自動調光，在后半夜車稀人少時，則控制路燈保持較低照度的照明。 (4)根據街道的繁忙程度控制路燈的亮滅。本作品對某些車流量和人流量少的冷清街道，實施當有物體快進入給街道時開啟該街道的路燈，當物體離開該街道一定距離時關斷該街道路燈。2.3 擬采取的設計方法及技術路線設計方法：本作品主要采取的設計方法主要為文獻法和個案研究法。本小組首先確立了研究光線控制節(jié)能路燈方向,在此礎之上搜集有關資料，在進行了一系列系統(tǒng)全面的調查之后，總結了各方面的技術，找出了現(xiàn)階短節(jié)能路燈的不足之處-目前實際生產生活中路燈亮起和熄滅時間無法做出細化的控制，造成一定的資源浪費的實際情況，本小組針對這一點展開詳細的研究。本小組擬在現(xiàn)階段節(jié)能路燈的基礎之上，加以光電傳感器、超聲波傳感器、單片機、電壓控制裝置、整流器等一系列的電氣元件。在一天當中，根據不同時刻的自然光線強度的不同，通過采光元件對光線進行采集，然后將采集到的光信號利用光電轉換器轉換為單片機可以識別的電信號，此電信號的強弱大小將直接影響單片機執(zhí)行不同的程序，從而控制不同的電路，實現(xiàn)產生不同的電壓，經過后期整流器的調整，從而減小電壓的突變對路燈器件的損害，進而實現(xiàn)對路燈的穩(wěn)壓控制，最終可以實現(xiàn)根據每天不同時刻外界自然光線強弱程度的不同，光敏原件的采光量不同，達到對路燈施加不同的電壓，同時配合穩(wěn)壓器的作用，實現(xiàn)路燈的亮度變化隨外界光線強弱的變化而變化的功能。用單片機根據各個時間段的需求，設置亮燈的亮度。對于某些冷清街道，采用超聲波傳感器判斷有無人或車進入該街道來控制該街道的路燈亮滅。 技術路線：本作品旨在研究全自動節(jié)能路燈控制系統(tǒng)，改變現(xiàn)有的路燈沒有達到合理節(jié)能的現(xiàn)狀，從而實現(xiàn)對資源的節(jié)約。在本次探索過程中，組長負責協(xié)調組織，組員各有分工，如實地調查，資料搜集，電路設計，模型制作等等，實現(xiàn)了組員之間的協(xié)同配合。對于實驗方案，小組成員之間進行了討論，確定了實驗的方向，方法，步驟，并期望在今后的實驗過程中不斷改進。另外，通過市場及實地調查，對實驗所需原件進行了調查，并且對此次科技創(chuàng)新的成本及是否具有可行性進行了充分的估測，在綜合了各方面的信息和數據之后，本小組采取了最經濟最有效的技術路線，將在今后的實驗過程中體現(xiàn)出來。預計最后成果將以模型的形式展現(xiàn)。2.4實驗方案一、對我國城市照明情況進行調查，收集路燈類型、壽命參數、照明時間、不同地域不同環(huán)境下路燈的工作狀況及照明程度、用電狀況等數據。二、對收集到的數據進行分析，并對我國路燈節(jié)能所面臨的主要問題及已有成果進行研究。三、全自動節(jié)能路燈控制系統(tǒng)可行性研究，成本及節(jié)省電能的分析，并討論方案可行性。四、根據以上分析成果進行實驗總體設計，包括實驗原理圖的繪制，應用元件的確定及采購，實驗設備的確定等等。五、實驗項目板塊的確定，初步確定為五個板塊：光電傳感器采光處理、超聲波傳感器識別物體、單片機編程及設計、電壓調節(jié)、穩(wěn)壓設備的設計。六、各個板塊的設計及五個板塊的結合，模擬實驗，可行性、可靠性實驗，項目的修改及完善等。七、根據模擬實驗結果，進行實物模型的設計制作，調節(jié)及完善等，主要解決模擬實驗與實際元件設備的差別問題。八、模型在實際路燈系統(tǒng)中的應用問題的解決，本項實驗項目不足點的定義研究及解決構想等。九、設計構想圖如光敏傳感器路燈系統(tǒng)AC - AC 變流電路電網系統(tǒng)A/D轉換直流電源人工控制超聲波傳 感器模塊D/A轉換PWM波單片機圖一：系統(tǒng)方框圖3 理論設計計算自然界的波長范圍非常廣，但人眼看到的范圍只有390nm - 780nm。通過光敏三極管把光信號轉化為電信號，通過放大電路，用AD進行采樣，通過STM32單片機控制調節(jié)路燈的亮度。 3.1 光敏三極管為在接收微弱光信號時有較大的光電流輸出,光敏三極管的 值必須要求大, 才能將微弱光信號轉換成較強的電信號, 因而 值的設計尤為重要。我們知道, 晶體管共發(fā)射極的電流放大倍數為 = Inc/Ipb = Inc/(Ipe + Ine + Inc )1/ = Ipe/Inc + (Ine - Inc)/Inc =DpeWbNb /DnbLpeNe + W2b/2L2nb=QeWb/QbLpe + W2b/2L2nb (1)式中: Inc 為集電極電流, Ipb 為基極電流, Ipe 為發(fā)射極電流, Ine為發(fā)射區(qū)電子電流, Dpe 和 Dnb分別為空穴在發(fā)射區(qū)的擴散系數和電子在基區(qū)的擴散系數,Lpe為空穴在發(fā)射區(qū)的擴散長度, Lnb為電子在基區(qū)的擴散長度, Nb 和Ne 分別為基區(qū)和發(fā)射區(qū)的摻雜濃度, Qe 和 Qb 分別為發(fā)射區(qū)和基 區(qū)的電阻率, Wb為基區(qū)寬度。設光電二極管的漏電流為 ib, 則光敏三極管的暗電流 ID 為ID = ib (2)要使光敏三極管的漏電流很小, 必須選擇載流子壽命長、 無缺陷的襯底材料; 工藝制作中應控制好基區(qū)- 集電極之間的漏電流, 此外 值不宜過大。 3.2 超聲波傳感器超聲波測距原理是通過超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波,在發(fā)射時刻的同時開始計時,超聲波在空氣中傳播時碰到障礙物就立即返回來,超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為v,而根據計時器記錄的測出發(fā)射和接收回波的時間差t,就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離S,即:S=vt /2 (3)這就是所謂的時間差測距法。由于超聲波也是一種聲波,其聲速C與溫度有關,表1列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時,如果溫度變化不大,則可認為聲速是基本不變的。常溫下超聲波的傳播速度是334米/秒,但其傳播速度V易受空氣中溫度、濕度、壓強等因素的影響,其中受溫度的影響較大，如溫度每升高1,聲速增加約0.6米/秒。如果測距精度要求很高,則應通過溫度補償的方法加以校正（本系統(tǒng)正是采用了溫度補償的方法）。已知現(xiàn)場環(huán)境溫度T時,超聲波傳播速度V的計算公式為：V=331.45+0.607T (4)4 工作原理及性能分析 4.1 光敏三極管 光敏三極管和普通三極管相似，也有電流放大作用，只是它的集電極電流不只是受基極電路和電流控制，同時也受光輻射的控制。 通常基極不引出，但一些光敏三極管的基極有引出，用于溫度補償和附加控制等作用。 光敏三極管又稱光電三極管，它是一種光電轉換器件，其基本原理是光照到P-N結上時，吸收光能并轉變?yōu)殡娔?。當光敏三極管加上反向電壓時，管子中的反向電流隨著光照強度的改變而改變，光照強度越大，反向電流越大，大多數都工作在這種狀態(tài)。 光電三極管特性曲線：圖三：波長特性圖二：照度特性曲線 4.2 超聲波傳感器 超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是指頻率高于20kHz的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產生多普勒效應。 超聲波傳感器及其測距原理:超聲波是指頻率高于20khz的機械波。為了以超聲波作為檢測手段，必須產生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應的原理將電能和超聲波相互轉化，即在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲振動轉換成電信號。5本項目的創(chuàng)新之處針對目前實際生產生活中路燈亮起和熄滅時間無法做出細化的控制，造成一定的資源浪費的實際情況，本項目在綜合了各類節(jié)能路燈的特點的基礎上做出了相應的改革與創(chuàng)新。本項目利用光敏元件、超聲波傳感器、光電轉換元件、單片機以及穩(wěn)壓的配合作用，根據每天不同時刻外界自然光線強弱程度的不同，光敏元件的采光量不同，達到對路燈施加不同的電壓，通過單片機對不同時段對路燈的亮度作相應的調整，根據路段的繁忙程度不同，超聲波傳感器檢測是否將有物體進入街道，來控制那些冷清街道路燈的亮