全自动节能路灯控制系统设计说明书

全自动节能路灯控制系统设计说明书

设计者：陈明伟、龚攀君、张海江、秦芍芍、乔禹

指导老师：王玉林

（机械工程学院、电气工程学院）

作品内容简介

路灯是城市道路照明的重要设施，对夜间行人及车辆行驶的安全具有重要意义。目前常用的路灯控制方式是按照规定时间亮灭，而不能根据天气条件对路灯的亮灭时间及明暗程度进行合理的调整。另外，对于车流量和人流量均少的街道，控制方式任与繁忙街道一样，采用统一的控制方式。因此，这种传统的控制方式不但不能满足现代社会的照明需求，同时也造成了大量的资源浪费。针对以上不足，本设计提出了一种光线控制节能路灯，并且能根据交通情况自动调节亮灯状态；该路灯能够根据自然光的强弱，自动控制路灯开关及明暗程度，对于车流量和人流量少的街道，该街道的路灯会根据有无车或行人来控制路灯的亮灭。在满足人类生活的前提下实现“绿色照明”。

1 研制背景及意义

我国现有的路灯70％以上使用的都是高压钠灯，在电力紧张的背景下，我国政府出台了一些文件，要求在后半夜，采取“亮一隔一”或“亮一隔二”的措施，关闭部分光源。这只能作为缓，照度均匀度将不同程度、甚至是严重的下降，对交通、行人安全、对维护社会治安产生不利影响。高压钠灯其设计寿命为24000小时(5年)。但是由于我国城市电网技术落后，造成线路的电压波动大大超过国际标准，许多地区的波动甚至超过额定电压的左右15％，特别是在后半夜，由于采取“亮一隔一”或“亮一隔二”的措施，电负荷减少使得电网电压有时接近245V，致使路灯灯泡的实际使用寿命平均不到一年。因为，“亮一隔一”或“亮一隔二”不仅减小照度，同时区别于不同的灯杆布置方式。还有调压技术，传统调压节电方法包括晶闸管斩波型节能和自我祸压式调控两种方法。其中晶闸管斩波型节能方法具有对路灯照明系统电压调整速度快速，精度非常高，并可实现分时段的实时调整的优点，另外体积小和成本低也是其另外主要优点。美中不足的是这种节电节能方式会在工作时产生大量谐波，危害电网运行安全，因此在照明电路中并不适宜运用。另一种自我祸压式调控节能方法可以有效避免产生谐波，可靠性非常高，但是只能够进行固定的降压而不能稳压和升压，所以也不适宜大量运用推广。

在国外，智能光源降压—稳压—调光技术是国际上流行的全数字智能路灯节能控制技术。它充分考虑了城市道路照明的实际状况，依据人体工程学中的视觉理论，采用现代控制论中的最优控制方法，实现了对路灯电压及照度的动态智能化管理。此项技术的基本思路就是：在繁忙的时段，控制路灯保持较强的照度，接近午夜时分，开始自动调光，在后半夜车稀人少时，则控制路灯保持较低照度的照明。它的主要优点就是在调光的同时也大幅降低了电耗，节约有功电耗达30％以上。但是，其未能充分考虑到路灯在不同自然环境下亮灯的时机，按照传统思维在固定时间亮灯极易浪费能源并且造成人们生活上的不便。即我国城市一般天还亮着的时候路灯便打开了（打开过晚影响交通及人们正常生活治安），但没有但没有相应的控制措施进行节能控制。

2设计方案

2.1 设计目标

根据调查，我国现有的路灯耗电情况比较严重，主要是没有考虑到在不同的环境亮度来调整路灯的亮度，比如我国大部分城市在天还没完全黑的情况下就开路灯，这样就造成资源的浪费。通过我们所设计的系统，能够让路灯根据外界环境的光线强度和时间段来自动调节路灯的亮度，同时根据路段的繁忙状况控制路灯的亮灭，这样能够避免资源的浪费，也能够使资源得到充分的利用。根据计算，应用我们设计的系统每年可以为我国城市公共照明节省约25亿元资金，并且有效的提高了高压钠灯的寿命，这样也为我国节省了资金。

2.2设计内容

如今在节约型社会的倡导下，国内外在路灯的节能方面做了大量工作，例如由节能灯、高压钠灯替代普通灯泡，由夜间全亮转变为“亮一隔一”、“亮一隔二”等方法都取得了较好的节能效果。本课题在此基础上，对路灯的控制方式进行研究，力求达到更好的节能效果。主要研究内容如下：

(1)通过光电传感器感知外界环境的光强变化。本作品在现有节能灯的基础上加入光电传感器，通过光电传感器的感光作用将光能模拟信号转化为数字信号，从而感知外界光线强度的变化情况。

(2)根据光线强度变化对路灯亮度的调节。本作品首先将路灯的亮暗程度大致的规定在一定范围内，并且将变化的电信号传送给单片机，单片机根据电信号的变化，选择电路中不同的控制路线，从而做出对路灯的相应调整。

(3)根据时间段调节路灯的亮度。本作品能实现：在繁忙的时段，控制路灯保持较强的照度，接近午夜时分，开始自动调光，在后半夜车稀人少时，则控制路灯保持较低照度的照明。

(4)根据街道的繁忙程度控制路灯的亮灭。本作品对某些车流量和人流量少的冷清街道，实施当有物体快进入给街道时开启该街道的路灯，当物体离开该街道一定距离时关断该街道路灯。

2.3 拟采取的设计方法及技术路线

设计方法：本作品主要采取的设计方法主要为文献法和个案研究法。本小组首先确立了研究光线控制节能路灯方向, 在此础之上搜集有关资料，在进行了一系列系统全面的调查之后，总结了各方面的技术，找出了现阶短节能路灯的不足之处---目前实际生产生活中路灯亮起和熄灭时间无法做出细化的控制，造成一定的资源浪费的实际情况，本小组针对这一点展开详细的研究。本小组拟在现阶段节能路灯的基础之上，加以光电传感器、超声波传感器、单片机、电压控制装置、整流器等一系列的电气元件。在一天当中，根据不同时刻的自然光线强度的不同，通过采光元件对光线进行采集，然后将采集到的光信号利用光电转换器转换为单片机可以识别的电信号，此电信号的强弱大小将直接影响单片机执行不同的程序，从而控制不同的电路，实现产生不同的电压，经过后期整流器的调整，从而减小电压的突变对路灯器件的损害，进而实现对路灯的稳压控制，最终可以实现根据每天不同时刻外界自然光线强弱程度的不同，光敏原件的采光量不同，达到对路灯施加不同的电压，同时配合稳压器的作用，实现路灯的亮度变化随外界光线强弱的变化而变化的功能。用单片机根据各个时间段的需求，设置亮灯的亮度。对于某些冷清街道，采用超声波传感器判断有无人或车进入该街道来控制该街道的路灯亮灭。

技术路线：本作品旨在研究全自动节能路灯控制系统，改变现有的路灯没有达到合理节能的现状，从而实现对资源的节约。在本次探索过程中，组长负责协调组织，组员各有分工，如实地调查，资料搜集，电路设计，模型制作等等，实现了组员之间的协同配合。对于实验方案，小组成员之间进行了讨论，确定了实验的方向，方法，步骤，并期望在今后的实验过

程中不断改进。另外，通过市场及实地调查，对实验所需原件进行了调查，并且对此次科技创新的成本及是否具有可行性进行了充分的估测，在综合了各方面的信息和数据之后，本小组采取了最经济最有效的技术路线，将在今后的实验过程中体现出来。预计最后成果将以模型的形式展现。

2.4实验方案

一、对我国城市照明情况进行调查，收集路灯类型、寿命参数、照明时间、不同地域不同环境下路灯的工作状况及照明程度、用电状况等数据。

二、对收集到的数据进行分析，并对我国路灯节能所面临的主要问题及已有成果进行研究。

三、全自动节能路灯控制系统可行性研究，成本及节省电能的分析，并讨论方案可行性。 四、根据以上分析成果进行实验总体设计，包括实验原理图的绘制，应用元件的确定及采购，实验设备的确定等等。

五、实验项目板块的确定，初步确定为五个板块：光电传感器采光处理、超声波传感器识别物体、单片机编程及设计、电压调节、稳压设备的设计。

六、各个板块的设计及五个板块的结合，模拟实验，可行性、可靠性实验，项目的修改及完善等。

七、根据模拟实验结果，进行实物模型的设计制作，调节及完善等，主要解决模拟实验与实际元件设备的差别问题。

八、模型在实际路灯系统中的应用问题的解决，本项实验项目不足点的定义研究及解决构想等。

九、设计构想图如

3 理论设计计算

光敏传感器

超声波传 感器模块

单片机

直流 电源

PWM 波

D/A 转换

人工控制

路灯系统

AC - AC 变流电路

A/D 转换

图一：系统方框图

电网系统

自然界的波长范围非常广，但人眼看到的范围只有390nm - 780nm。通过光敏三极管把光信号转化为电信号，通过放大电路，用AD进行采样，通过STM32单片机控制调节路灯的亮度。

3.1 光敏三极管

为在接收微弱光信号时有较大的光电流输出,光敏三极管的β值必须要求大, 才能将微弱光信号转换成较强的电信号, 因而β值的设计尤为重要。我们知道, 晶体管共发射极的电流放大倍数为

β = I nc/I pb = I nc/(I pe + I ne + I nc )

1/β = I

pe /I

nc

+ (I

ne

- I

nc

)/I

nc

=D

pe

W

b

N

b

/D

nb

L

pe

N

e

+ W2

b

/2L2

nb

=Q

e

W

b

/Q

b

L

pe

+ W2

b

/2L2

nb

(1)

式中: I

nc 为集电极电流, I

pb

为基极电流, I

pe

为发射极电流, I

ne

为发射区电子电流, D

pe

和 D

nb 分别为空穴在发射区的扩散系数和电子在基区的扩散系数,L

pe

为空穴在发射区的扩散长

度, L

nb 为电子在基区的扩散长度, N

b

和N

e

分别为基区和发射区的掺杂浓度, Q

e

和 Q

b

分别为

发射区和基区的电阻率, W

b

为基区宽度。

设光电二极管的漏电流为 i

b , 则光敏三极管的暗电流 I

D

为

I

D = βi

b

(2)

要使光敏三极管的漏电流很小, 必须选择载流子寿命长、无缺陷的衬底材料; 工艺制作中应控制好基区- 集电极之间的漏电流, 此外β值不宜过大。

3.2 超声波传感器

超声波测距原理是通过超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播时碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为v ,而根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差△t ,就可以计算出发射点距障碍物的距离S ,即:

S = v·△t /2 (3)

这就是所谓的时间差测距法。

由于超声波也是一种声波,其声速C与温度有关,表1列出了几种不同温度下的声速。在使用时,如果温度变化不大,则可认为声速是基本不变的。常温下超声波的传播速度是334米/秒,但其传播速度V易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响,其中受温度的影响较大，如温度每升高1℃,声速增加约0.6米/秒。如果测距精度要求很高,则应通过温度补偿的方法加以校正（本系统正是采用了温度补偿的方法）。已知现场环境温度T时,超声波传播速度V 的计算公式为：

V = 331.45 + 0.607T (4)

4 工作原理及性能分析

4.1 光敏三极管

光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极

电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。 通常基极不引出，但一些光敏三极管的基极有引出，用于温度补偿和附加控制等作用。 光敏三极管又称光电三极管，它是一种光电转换器件，其基本原理是光照到P-N 结上时，吸收光能并转变为电能。当光敏三极管加上反向电压时，管子中的反向电流随着光照强度的改变而改变，光照强度越大，反向电流越大，大多数都工作在这种状态。 光电三极管特性曲线：

4.2 超声波传感器

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是指频率高于20kHz 的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、

波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。

超声波传感器及其测距原理:超声波是指频率高于20khz 的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。

图二：照度特性曲线

图三：波长特性

5本项目的创新之处

针对目前实际生产生活中路灯亮起和熄灭时间无法做出细化的控制，造成一定的资源浪费的实际情况，本项目在综合了各类节能路灯的特点的基础上做出了相应的改革与创新。本项目利用光敏元件、超声波传感器、光电转换元件、单片机以及稳压的配合作用，根据每天不同时刻外界自然光线强弱程度的不同，光敏元件的采光量不同，达到对路灯施加不同的电压，通过单片机对不同时段对路灯的亮度作相应的调整，根据路段的繁忙程度不同，超声波传感器检测是否将有物体进入街道，来控制那些冷清街道路灯的亮灭。同时配合稳压器的作用，实现路灯的亮度变化随外界光线强弱的变化而变化的功能，从而摒弃了以往路灯在固定时刻熄灭或开启造成的不便与浪费。

参考文献：

【1】苏爱丽、邹彦祥；智能光源降压-稳压-调光技术；农业电气化；2006

【2】任军伟；城市绿色照明与路灯节能措施；中国高新技术企业；2011

【3】孙小明；城市路灯照明智能控制系统的应用及研究；科技情报开发与经济；2010 【4】闫建国、王玉花；司利芬.浅谈城市路灯照明的节能；中小企业管理与科技；2010 【5】黄冬来、冯海清；石强.城市路灯照明节能措施的研究与探讨；中国西部科技；2012