基于单片机的节电照明控制系统

基于单片机的节电照明控制系统

上海交通大学机电控制研究所 吴永桥 金康进 施光林

引言

目前我国电力工业发展速度很快，但是电力供应不足和用电效率低下的状况依然比较严重，在今后相当一段时间内将继续存在。推行照明节电技术，节约电能是改善电力负荷紧张状况的主要途径之一。我国照明用电约占总发电量的12%左右，且以低效照明为主，因此成为终端节电的主要对象之一。照明用电大都属于峰时用电，由此可见，照明节电具有节约电量和缓和高峰用电的双重作用。

工作原理

提倡照明节能，不等于降低对视觉作业的要求和降低照明质量。照明节能的基本原则应是保证不降低工作场所的视觉要求，在保证照度标准和照明质量的前提下，力求减少照明系统中的能量损失，有效地利用电能。

根据理论计算和实验测量，电压与灯源的功率关系为：

如当电源180V时，100W的荧光灯所消耗的实际功率：

灯泡的使用寿命与电压的关系如下：

按上例100W灯泡额定使用寿命3000小时，实际使用寿命为：
式中：

P――灯源实际消耗的功率W
PN――灯源额定电压时消耗的功率W
V――灯源实际运行电压V
VN――灯源额定电压V
H――灯源实际使用寿命
HN――灯源额定使用寿命

从上述可知，降压节电是一种切实可行的方法，不仅节约了电能，而且稳定了电压，延长了灯泡的使用寿命，达到了双重意义上的节能。

根据日光灯的特性，在启动时需要瞬时高压才能发光，启动后仅需要较低的电压就可以维持。节电控制器便是利用日光灯的这个特性，在电网上电初始阶段，以220V电压输出，等日光灯运行稳定后再降到200V、190V或180V低电压输出。

节电控制器的工作模式为：节电器开始工作后，首先以满电压在预设的预热时间段内运行（参见图1的a段）；预热时间过后，节电器的输出电压开始平滑下降（参见图1的b段），直至输出电压降至预设的节电水平，并保持这一水平稳定运行（参见图1的c 段）；当节电水平设置值改变或节电控制信号断开，输出电压将改变为新的节电水平或恢复满电压输出（参见图1的d段）。

硬件设计

整个系统硬件结构框图如图2所示。它包括强电部分、单片机及其外围电路、电流采样电路、电压采样电路和驱动电路等。

电气组成

系统强电部分有一三抽头变压器，输入交流220V，输出分别为200V、190V、180V，再加上220V，一共四级。分别由继电器J2、J3、J4和J1控制。可通过控制闭合特定的继电器，达到控制输出电压的目的。继电器J5联接限流器接在变压器两头。电流过大时，继电器J5闭合分流，从而使流过变压器的电流不至于过大。

单片机及其外围电路

单片机选用AT89C52，其内含256个字节的RAM，32条I/O线，3个16位定时器/计数器，且自带8K的电擦除EEPROM，用以保存控制程序。用ADC0809作为模数转换器，实现对电流、电压由模拟量向数字量的转换，时钟是单片机的ALE经D触发器缩频，控制口由P2.7、WR、RD和或非门组成的标准控制电路，结果输出采用延时方式，延时大约为180 s。单片机的P0口与ADC0809的输出端口连接，读取AD转换后的结果。

采样电路和驱动电路

系统根据电网的电压和电流，作出相应的控制策略，所以采样是必不可少的。用电流互感器作为电流检测元件，它能够反映主电路中的电流，并能将控制电路与主电路隔离，提高安全性，降低干扰。互感器中的电流经过整流、电流电压转换、滤波、校准后，输出给模数转换器ADC0809。

电压采样通过变压器采集电网电压，变压器也具有隔离作用，采集到的电压经过整流、滤波，校准后输出给ADC0809。

单片机输出脉冲经隔离、功率放大后可直接接到继电器控制级，控制继电器。为降低来自电网的干扰，由单片机I/O线产生的触发脉冲，必须经隔离后送至继电器的控制电路中。继电器J1~J4工作时，在同一时刻多只有一个继电器闭合，所以共有八种状态。单片机的三路（P1.0~P1.2）经三八译码器转换后可得到八路控制信号，这些信号经放大后用于控制继电器动作。不需要继电器动作时，可由P1.3关闭三八译码器的输出。

X5045

由于系统参数较多，所以选用一片X5045，它含有512个8位EEPROM，以串行方式与单片机通讯，可以对设定参数进行断电保存，其片内的SPI存储器用于存放预设节电水平值和运行时段设置值。另外它还包括一个可编程的看门狗定时器和低电压检测电路，能够保护单片机可靠地运行。

软件设计

本程序采用模块化设计思想，以主程序为设置了很多功能模块子程序，使大量的功能在子程序中实现，简化了设计结构。运行过程中通过主程序调用各功能模块子程序。程序主框架图和主程序流程图分别如图3和图4所示。

结束语

该节电系统设计原理新颖、硬件简单、有很好的节电效果。
实验证明，该节电器的节电效率为25％左右，该系统不仅具有节电、延长灯泡寿命的功能，而且能使日光灯在电压波动较大范围内稳定运行。由于该系统采用了单片机控制，所以具有高的性能价格比和柔性，即可以根据实际情况变更和扩展，提高了灵活性和适应性，有利于应用和推广。

  

参考文献:

[1]. AT89C52 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AT89C52_1064535.html.
[2]. ADC0809 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ADC0809_123186.html.
[3]. X5045 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/X5045_723753.html.