CN201114941Y - 智能节电路灯控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及智能节电路灯控制系统，由强电部分和控制部分组成；强电部分包括主断路器、电源变压器和电压检测变压器，还包括继电器及与其连接的电磁调压变压器；其特征在于：控制部分包括单片机及与其连接的电源电路、电压检测电路、电流检测电路、继电器驱动电路、外接开关电路和通信电路；外接开关电路与计算机的控制界面连接；通信电路经通信接口与计算机连接。本实用新型由于采用了自耦变压形式调整负载路灯的电压，所以，在输出电压调节范围不大时它的容量比较小，所以消耗的材料小，造价低，效率高。其最大的优点是克服了可控硅斩波型产品产生谐波的缺陷，实现了电压的正弦波输出，结构简单，可靠性也比较高。

Description

智能节电路灯控制系统

技术领域

本实用新型涉及节电控制装置，具体涉及智能节电路灯控制系统。

背景技术

照明是城市基础设施的组成部分，在城市的交通安全、社会治安、人民生活和市容风貌中居于举足轻重的地位，发挥着不可替代的作用，而且标志着城市实力和成熟的程度。现有的路灯70％以上使用的都是高压钠灯，其设计寿命为24000小时(5年)。但是由于电压波动大，许多地区的波动甚至超过额定电压的15％，特别是在后半夜，由于电负荷减少使得电网电压有时接近245伏，高电压不但浪费了电能，还缩短了灯泡的使用寿命，实际使用寿命平均不到一年。目前，在供电电源端节能的方式主要有两种，一是采用半夜灯，二是采用调压的方式。

夜灯是通过在下半夜关掉一部分照明灯的方法来达到节能，它具有简单易行的特点，缺点是使得道路照明不均匀，且无法解决下半夜电压高而影响光源寿命的问题，并且不适用于商场，学校这些室内场所。

通过降低供电电压的方法不但可以节能，还可延长光源的寿命，是一种较好的节能方式。已有的交流调压节能装置有：

(1)可控硅斩波型照明节能装置。采用可控硅斩波原理，通过控制晶闸管(可控硅)的导通角，将电网输入的正弦波电压斩掉一部分，从而降低了输出电压的平均值，达到控压节电的目的。这类节能调控设备对照明系统的电压调节速度快，精度高，可分时段实时调整，有稳压作用，因为主要是电子原件，相对来说体积小、设备轻、成本低。但存在一致命缺陷，由于斩波，使电压无法实现正弦波输出，还会出现大量谐波，形成对电网系统谐波污染，危害极大，不能用在有电容补偿电路中。(现代照明设计要求规定，照明系统中功率因数必须达到0.9以上，而气体放电灯的功率因数在一般在0.5以下，所以都设计用电容补偿功率因数)在国内外已对谐波含量超标的设备限制并入电网使用。如果加装滤波设备，成本太高，是不经济的，所以此类设备是不宜用于照明电路中。

(2)自耦降压式调控装置。自耦变压器与普通变压器的区别在于：自耦变压器的一、二次侧线圈不仅有磁的联系，还有电的联系，所以，在输出电压调节范围不大时它的容量比较小，所以消耗的材料小，造价低，效率高，这类产品最大的优点是克服了可控硅斩波型产品产生谐波的缺陷，实现了电压的正弦波输出，结构和功能都很简单，当然可靠性也比较高。目前应用的有两种方式，即固定抽头方式和连续调节方式。

固定抽头方式为了能做到对电压的调节一般都用的都是交流接触器来进行切换，这是最简单和常用的办法。由于接触器是在电路的主回路中进行切换，所以，切换的电流是很大的，如果用接触器作为节电产品的电压调整装置的话，其安全性、可靠性和无故障工作寿命都不能保障，存在安全隐患。

连续调节方式可通过电刷在线圈的表面平滑移动或滚动，改变线圈的变比而调节输出电压。优点是可实现无级平滑调节，调节精度高，但由于电刷调节回路是串在主回路中，因此承受的电流大，电刷接触不良，会产生火花，引起触点磨损。

因此，有必要加强技术改进，以期减缓能耗上升的趋势。在全球都在提倡绿色照明的时代，照明的节能必然成为一种趋势。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种智能节电路灯控制系统，能针对电网电压偏高和波动现象及用户现场实际的需求，实时在线调控输出最佳照明工作电压，并能将其稳定在允许的范围内，从而提高电力质量，节约照明用电，延长灯泡的使用寿命，适用于路灯，学校，商场等室内和室外的照明节电控制。

本实用新型所述的智能节电路灯控系统，由强电部分和控制部分组成；强电部分包括一个与电网连接的主断路器、与主断路器连接的电源变压器和电压检测变压器，还包括继电器及与其连接的电磁调压变压器；其特征在于：控制部分包括单片机及与其连接的电源电路、电压检测电路、电流检测电路、继电器驱动电路、外接开关电路和通信电路；电源电路的输入端与强电部分的电源变压器连接，输出端与继电器驱动电路和外接开关电路连接；电压检测电路与强电部分的电压检测变压器连接；电流检测电路经电流互感器与强电部分的主断路器连接；继电器驱动电路与强电部分的继电器连接；外接开关电路与计算机的控制界面连接；通信电路经通信接口与计算机连接。

所述的智能节电路灯控制系统，其特征在于：所述的外接开关电路包括手动自动选择电路、手动开关电路和延时开关电路。

电网电压电流输入经过主断路器进入系统，一方面通过电源变压器提供所需的电源，一方面通过电压检测变压器和电流互感器提供检测的电压和电流信号。单片机的输出信号通过“继电器控制电路”来调整电磁调压变压器以达到合适的节电效果。

采样方案：在本系统中，采用平均值采样，输入端的电网电压通过变压、整流、滤波，最终输入A/D转换器的理论最大峰值不会超过单片机的基准电压值，故采用+3.3V作为参考电压。此时，转换精度为3.22mV(3.3V/1024)。在这里主要考虑A/D转换器的两个主要性能指标是转换速度(Cinversion Rate)和转换精度(Cinversion Accuracy)。A/D转换器的转换速度是指完成一次A/D转换所需要的时间，由其时钟频率决定。该系统中使用的单片机C8051F310的时钟频率是25MHz，将其分频为10kHz，得到采样频率，即一个周期之内的采样点数为100个。这样能得到较高的精度。由于平均值等于电压的有效值的0.9倍，由此可以计算出电压的有效值。

电压控制方案：设输入电压为x，输出电压为y；t时刻i相输入电压为x(i，t)，t时刻i相输出电压为y(i，t)；设定输出电压为Y。先判断输入电压x处于上升阶段还是下降阶段。若某路t时刻输入电压大于(t-1)时刻输入电压，则输入电压处于上升阶段。设定输出电压值为Y，即电压上升到Y+2时，控制器记录此时的状态，若延时一段时间后状态未变，触点开关跳变。反之，若某路t时刻输入电压小于(t-1)时刻输入电压，则输入电压处于下降阶段，设定输出电压值为Y，即电压下降到(Y-2)时，延时一段时间状态未变，则触点开关跳变。其中延时时间可根据用户要求设定。控制系统留有4V的回差，使电压在上升和下降两个阶段有两个不同的阈值。设置该回差是为了保证触点开关在输入电压波动频繁时不会随之频繁跳变。显然，当t时刻输入电压与(t-1)时刻输入电压相等时，不需进一步处理，只需延时等待下一个采样周期即可。

本智能节电路灯控制系统要实现的基本功能为，通过闭合在自耦变压器的二次边设置的不同变比的四个触点开关，使路灯两端电压在电网电压变化时(主要是夜间电网电压偏高时)能够自动稳定在某一预置值。将电压分为四个档位，200V以下为一档，当电压处于200V以下时，控制系统旁路，当电压处于200-210V，控制系统控制自藕变压器处于第一档，当电网电压处于210-225之间时，控制系统控制自藕变压器处于第二档，当电网电压为225以上时，控制系统控制自藕变压器处于第三档，此时节电系统根据电压的不同档位控制自藕变压器的输出，使输出的电压始终稳定在某一预设值附近，而当系统检测到过流时，则节电系统旁路，从而达到节电效果和保护效果。

远程控制方案：本控制系统可以即时跟踪电网电压，根据不同的电压使能继电器做出相应的动作，并输出不同的节能状态，并即时监控三相电流，起过流保护作用，当三相电流超过额定电流时，自动切断负载，跳入旁路，能保护设备。本控制系统加上通讯接口能方便地与计算机的通讯，从而为计算机监控提供基础。人们可以通过计算机来监控本控制系统的状态，并且根据其状态作出相应的控制动作，这给工业控制带来了极大的方便。

远程通信是指多台“智能节电路灯控制系统”与PC机之间的通信，便于用户对分布在各处的“智能节电路灯控制系统”的状态进行监控，这主要依靠C8051F310自带的UART口和PC机的串口进行通信，将检测到的各种状态信息传给计算机，如电网的电压，A，B，C相的电流，以及“智能节电路灯控制系统”与计算机之间的通信，便于用户对分布在各处的“智能节电路灯控制系统”与计算机之间的通信，便于用户对分布在各处的“智能节电路路灯控制系统所处的各个状态等等，而用户可根据上位机的软件选择要监控的智能节电路路灯控制系统，然后根据其状态来发出各种控制命令，如旁路或者选择节能所处的档位。

鉴于是采用的是一台PC机对多台智能节电路路灯控制系统的方式，所以，采用侦听的方式来规定其通信协议，即给每一台控制系统分配一个通信地址，通信开始之前，主机先发送通信地址，每一台控制系统都接收这个地址，然后与自身的地址相比较，地址匹配的智能节电路灯控制系统开始与主机通信，其它的保持侦听的状态。这样，方便用户对任何一台控制系统进行监控。

综合考虑总线的传输距离，抗干扰能力等综合因素，在控制板上加两种通讯接口：RS-485接口和RS-232接口。对于传输距离较远的，可以用RS-485接口进行通讯，对于传输距离较近的，可以用RS-232接口进行通讯。RS-232接口适用于通讯距离不大于15m，传输速率小于20kbps的场合，适合短距离通讯。RS-485实际上是RS-422总线的变形。RS-485为半双工，采用一对平衡差分信号线。RS-485更适合多站互联，其最大传输速率可达1200m，适用于长距离通信。一个发送驱动器最多可连接32个负载设备。负载设备可以是被动发送器，接收器和收发器。此电路结构在平衡连接电缆两端有终端电阻，在平衡电缆上挂发送器，接收器或组合收发器。485接口还可可选配GSM/GPRS全球实时(手机)监控系统，通过无线传输进行通信。

通过计算机界面可以了解各个控制系统的状态并且能对其进行远程控制。本控制系统的单片机将通过串口将下位机的数据传给计算机，能对系统实施实时的监控。通过它，用户可以看到电网电压以及各相电流的值，并且能了解控制系统所处的节能档和状态位并能对其进行控制。用户可以查询任何一台节电系统的状态并对其进行控制，界面设有自动手动选择，若用户选择自动档，将由节点系统的控制系统自动根据其电网状态来控制，若选择手动档，将由用户通过界面对系统进行远程控制。用户可以根据“智能节电路灯控制系统”来选择要监控的设备，通过“状态显示”栏来监控设备的状态，通过“数据显示”栏来监控电压和电流的状态，通过“自动/手动选择”栏来发送各种控制命令。

本实用新型由于采用了自耦变压形式调整负载路灯的电压，自耦变压器的一、二次侧线圈不仅有磁的联系，还有电的联系，所以，在输出电压调节范围不大时它的容量比较小，所以消耗的材料小，造价低，效率高。其最大的优点是克服了可控硅斩波型产品产生谐波的缺陷，实现了电压的正弦波输出，结构简单，可靠性也比较高。单片机作为功能实现的核心，具有功能强、体积小、可靠性好和价格便宜等独特优点，能够对采集信号进行精度较高的运算并对外接设备实施实时有效的控制。

附图说明

图1是本实用新型的电路原理框图。

图2是单片机引脚示意图。

图3是电源电路图。

图4是电压检测电路图。

图5是电流检测电路图。

图6是继电器驱动电路图。

图7是手动自动选择电路和手动开关电路图。

图8是延时开关电路图。

图9是通信电路图。

图10是RS-232总线硬件连接示意图。

图11是计算机与单片机控制板的接口原理图。

图12是系统软件主程序流程图。

图13是通信子程序流程图。

参见图1，本实用新型所述的智能节电路灯控制系统由强电部分和控制部分组成；强电部分包括一个与电网连接的主断路器1、与主断路器连接的电源变压器2和电压检测变压器3，还包括继电器4及与其连接的电磁调压变压器5；控制部分包括单片机6及与其连接的电源电路7、电压检测电路8、电流检测电路9、继电器驱动电路10、外接开关电路11和通信电路12；电源电路7的输入端与强电部分的电源变压器2连接，输出端与继电器驱动电路10和外接开关电路11连接；电压检测电路8与强电部分的电压检测变压器3连接；电流检测电路9经电流互感器13与强电部分的主断路器1连接；继电器驱动电路10与强电部分的继电器4连接；外接开关电路11与计算机的控制界面连接；通信电路12经通信接口14与计算机连接。外接开关电路11包括手动自动选择电路、手动开关电路和延时开关电路。

参见图2，本控制系统的单片机采用C8051F310作为控制芯片，自带10位的A/D转换通道，具有较高的转换速度和精度，受温度影响较小，能长时间保证精度，重视性好，功耗较低，且具有多路模拟开关，所以，对于过程控制它是比较理想的。

参见图3，电源电路7它为本控制系统提供稳定的电源，由二极管整流后输入专用的电源芯片，从而输出稳定的直流电压，本控制器所需的电压为+5V，-5V，+3.3V，+24V都由电源电路提供。电网电压经过220V/24V的变压器后输入，经过二极管整流之后通过滤波电容C9输入三端稳压芯片LM7824稳压之后再输出，其中L1为电源指示灯，用以检测电源的好坏。3.3V，5V的电源结构一样，只是所用的三端稳压芯片不同，分别为LM1117，LM7805.

参见图4，电压检测电路8包括：电压差模放大电路、第一全波整流电路和调压电路；其功能是为单片机提供可采样的电压，电网电压通过220/7.5V的变压器进入，经过电压差模放大电路将电压信号变小，再经过第一全波整流电路将其由交流电变为直流电。第一全波整流电路是由运算放大器组成的精密全波整流电路，它比二极管整流有着更好的性能。整流之后无死区，再经过滤波，通过一个调压电路，然后输入单片机。调压电路是由一个20K的电位器与20K的电阻并联之后再与一个100欧的电阻并联，通过调节电位器可以调节输入单片机的电压。

参见图5，电流检测电路9包括：电流差模放大电路和第二全波整流电路；其功能是为单片机提供可采样的电流，电网电流通过电流互感器进入控制系统转换成电压控制信号，经过电流差模放大电路将电流信号放大，再经过第二全波整流电路将其由交流电变为直流电。整流之后再经过滤波，然后输入单片机，由于要检测的是三相电流，所以必须有三个电流检测通道。

参见图6，继电器驱动电路10由三极管放大电路组成，它有三组，以驱动控制不同档位的继电器，分别为旁路，1档，2档，3档。单片机输出高电平，经过反相器74HC14变成低电平，此时三极管9014关断，输出的电压为0V，反之，若单片机输出低电平，则输出24V的电压以驱动继电器。

参见图7，手动自动选择电路和手动开关电路，当J4输入为高电平时，单片机的输入为高电平，当J4输入为低电平时，单片机输入为低电平。单片机根据输入的高低电平进行动作，如果此电平为高电平，则工作在自动控制状态，此时，单片机根据电压档位自动调整继电器的输出状态，如果此电平为低电平，则此电路工作在手动控制状态，由人工来控制。手动开关电路与手动自动选择电路的结构一样，只不过它只能在自动/手动开关为低电平时才有效，当它的输入为高电平时，工作在第三档状态；当它的输入为低电平时，工作在旁路状态。

参见图8，延时开关输入电路，为了保证设备的稳定运行，控制板上设定了延时开关，延时开关分为4档，分为10s，20s，30s，40s分钟。当电压高于某个档位的设定值时，此时延时开始，如果电压值一直保持在这个值之上，那么到了延时时间，单片机控制继电器动作，如果在延时时间内电压值重新低于此档位值，那么延时取消，档位保持不变。当S3第一路延时开关接通时，switch_choose1输出为低电平，此时，单片机延时10s，当第二，三，四路开关接通时，分别延时20，30，40s.

参见图9、图10和图11，通信电路12包括MAX232和SP485等专用芯片，它为远程通信提供硬件接口，提供计算机与单片机的通信。

参见图12，本控制系统的软件主要由上位机监控软件和单片机控制程序构成，单片机主程序完成对整个系统的初始化，包括对数据端口，控制端口，存储器的初始化，初始化完成之后，系统进入工作状态，数据端口负责对电压电流信号的A/D采样，存储器负责存储程序中所用的各项数据。，通断控制和回路检测包含了继电器控制的算法，程序将根据采样的运算的结果对继电器进行控制。主程序还包含了与上位机通信的各种协议，负责与上位机界面进行实时通信。

本控制系统开机之后，单片机初始化，如果初始化成功，则向下继续运行，若初始化不成功，则重新开始初始化，初始化后启动内部定时器以定时进行电流和电压的采样，如果电流过流，单片机将使整个系统旁路，以免元器件烧毁，之后，单片机将判断是否使用自动控制，如果是，则单片机将根据电压的档位判断继电器的动作，如果否，则将由人工控制它的档位。系统完成一个工作循环之后，将立即进入下一个循环，重复执行。

参见图13，通信子程序是为了保障计算机与单片机之间的联系畅通并且能实现多机通信，当开机之后，连接在总线上的每一台设备将分配一个通信地址，计算机要与哪一台设备通信，可以通过控制界面进行选择，从而监控每台设备的信息，并且可以通过远程发送控制命令，此时，总线上的每台设备都接收到计算机发出的信息，计算机发出的信息包中的首位包含了通信地址，此时，单片机比较自身的地址是否与信息中的地址相符，而只有通信地址与信息中包含的地址相匹配的设备才可以做出相关的动作，并且获得向计算机发送自身状态信息的权利。

Claims (2)

1、智能节电路灯控制系统，由强电部分和控制部分组成；强电部分包括一个与电网连接的主断路器(1)、与主断路器连接的电源变压器(2)和电压检测变压器(3)，还包括继电器(4)及与其连接的电磁调压变压器(5)；其特征在于：控制部分包括单片机(6)及与其连接的电源电路(7)、电压检测电路(8)、电流检测电路(9)、继电器驱动电路(10)、外接开关电路(11)和通信电路(12)；电源电路(7)的输入端与强电部分的电源变压器(2)连接，输出端与继电器驱动电路(10)和外接开关电路(11)连接；电压检测电路(8)与强电部分的电压检测变压器(3)连接；电流检测电路(9)经电流互感器(13)与强电部分的主断路器(1)连接；继电器驱动电路(10)与强电部分的继电器(4)连接；外接开关电路(11)与计算机的控制界面连接；通信电路(12)经通信接口(14)与计算机连接。

2.根据权利要求1所述的智能节电路灯控制系统，其特征在于：所述的外接开关电路(11)包括手动自动选择电路、手动开关电路和延时开关电路。

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