景观照明节能管理系统设计本科毕业设计论文

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2024-08-08 12:33 本页面

【正文】 起不必要的停电；如果选择的过大，则达不到预期的保护效果。因此选择额定容量电流大小很重要。考虑到以 后用电负荷增加的可能性，为以后需要留有裕量。空气开关的额定电流有几安培至几百安培，景观照明调压系统主电路中，负载电流为 50A，因此可选用型号为 C63A 的空气开关。 电气隔离装置 在控制系统中，大量应用的是开关量的控制，这些开关量一般经过单片机的 I/O口输出，但是 I/O 口的驱动能力有限，一般不能够驱动一些执行器件，需要加接驱动介面电路，为了避免相互间的干扰，因此需要采取隔离措施。 如可控硅所在的主电路一般是交流强电回路，电压较高，电流较大，不易与微机直接相连，可应用光耦合器将微机控 本 科 毕 业 设 计（论文） 第 7 页 共 40 页 制信号与可控硅 触发电路进行隔离。 本课题 照明管理系统中，是强电输入，电压较高，电流较大，不能直接与单片机相连，因此可用光耦合器将单片机控制信号与系统触发主电路隔离。 电气装置中，输入、输出信号往往容易产生相互干扰，会对信号造成一定的影响。所以应当选用合适的隔离器来隔离输入、输出端。经过查文献资料等，发现光电耦合器可以对输入端、输出端实现完全的电气隔离。光电耦合器可把电信号转换成为光信号，然后再将光信号恢复为电信号的半导体器件，属于电 —— 光 —— 电转换器件。其基本结构是将光发射器和光敏接收器装在同一密闭的壳内，彼此间用透明绝缘 体隔离。它以光为媒介传播电信号，其输入端和输出端的传输是通过光信号来实现的，两端口之间在电气上是完全隔离的，耐压一般可超过 1kV，有的甚至可以达到 10kV 以上。 当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极管通过电流而发光，其发光的强弱与信号电流成正比，亦即与流过二极管的正向电流的大小成正比，输出端的光敏三极管受到光照后 CE 导通。而当输入端无信号时，发光二极管不亮，光敏三极管截止， CE 不通。从而实现了光电的传输和转换。 电信号的传输具有单向 性等特点，信号从光源单向传输到光接收器时不会出现反馈现象，其输出信号也不 会影响输入端，所以没有电信号的干扰和反馈，避免了 共阻抗耦合的干扰信号 的产生，因此光电耦合器的抗干扰 能力强，性能稳定，可用于该照明调压管理系统中。 通过对光电耦合器类型的分析研究，在照明调压管理系统中，可选用线性光耦合器，因为其电流传输比能够在一定的范围内做线性调整，使系统稳定性更强，智能性也得到提高。光电耦合器有很多类型， 下图 所示为 其中一种 光电耦合器原理图 ： 本 科 毕 业 设 计（论文） 第 8 页 共 40 页 还应注意， 在光电耦合器的输入部分和输出部分必须分别采用独立的电源，若两端共用一个电源，则光电耦合器的隔离作用将失去意义。 照明灯具的 选择 随着时代的发展，科学技术的日益提高照明灯具已经不仅仅局限于照明，选择灯具时还应必须考虑到安全、节能、防水、耐腐蚀等参数指标。目前，景观照明中，灯具主要有一下几种：白炽灯、高压汞灯、高压钠灯、低压钠灯、金属卤化物灯、氚灯、 LED灯和光纤。白炽灯使用寿命太短，且功率比较大，耗能较多；高压汞灯种类较多，常用于水池或树木植物的投光照明；高压钠灯发光效率较高，使用寿命为 5000h，辐射的光为金黄色，因此显色性较差，适合暖色调的建筑物；低压钠灯是单色光，是目前所有光源中光效最高的一种光源，其使用寿命为 19000h，适用于一般景观建筑物的照明；金属卤化物灯可形成不同颜色的光源，发光效率高，显色性好，其使用寿命为 2020h；氚灯工作稳定，耐低温也耐高温，但是使用寿命太短，光效较低； LED 灯以发光二极管作为光源，较适用于需要快速响应或高速运动的场合，另外 LED 灯是实心的全固体结构，能承受住震动或冲击，适用于条件较为恶劣的场合；光纤是利用另外的光源通过光纤作为传导方式，能有效的完全分离光和电，安全性很好，但是价位比较高。 景观照明不需要太高的照明亮度，只有营造一个照明特色就行了，设计时需要考虑节能。选取的照明灯具应当使照明 能耗较少到最低程度，也应使管理维护方便合理。低压钠灯是利用低压钠蒸汽放电发光的点光源，是光衰最小和发光效率最高的点光源，它透雾性很好，特别适合高速公路、公园、景观等场所的照明，可使人清晰地看到色差比较小的物体，是替代高压汞灯节省电能的一种高效灯种。目前，低压钠灯有 18W、 26W、35W、 36W、 55W、 66W、 90W、 135W 等多种规格。 综合考虑各种因素和各灯具的特点，本设计可选用功率为 18W 的低压钠灯作为景观照明的灯具。 按光亮度控制调压供电系统通断、按时段控制供电电压幅值 按光亮度 控制调压供电系统通断 景观照明节能管理系统，需要根据外界不同的的光亮度进行适当的调压控制。在光亮度较暗或天气不好需要光照时，系统可以自动的开启照明模式；在晴天白天的时候，不需要进行灯光照明，系统应可使照明系统自动关断。目前，光敏电阻已经被广泛的被应用于显示和照明系统，用以节省电能的损耗。因此可选用一个光敏电阻来感受外界的 本 科 毕 业 设 计（论文） 第 9 页 共 40 页 光照亮度，然后通过照明管理系统进行调节。设计系统时利用环境光感测方案，实现照明的自动调节。 光敏电阻的选择，应当使其输出与光强度成线性关系，可以感知外界光强度并自动调节照明亮度，从而减少电能 损耗。另外其暗电流小，灵敏度高，可低照度响应，光谱波长敏感度接近人眼，可准确的感应光亮度，即使是阴天等天气不好需要照明时也可以实现系统的自动照明，从而可准确的进行照明亮度的调节。 按时段控制供电电压幅值 景观照明中，还需考虑一个时间问题，时间段不同，供电系统供电的电压幅值也应随之变化，使其达到节能的最好效果。在白天时段，一般照明设施不用开启，照明供电系统可以暂时关断；在傍晚或夜晚时段，景观对照明设施的光亮度要求会增加。因此需要根据时间段的不同来对电压进行幅值调节。 按时段进行电压幅值调节，就要 先对时间段进行一定的设置，选用单片机即可实现。采用电脑时钟与单片机的输入接口相连，对单片机进行时间上的编程，让其根据时间的变化控制 PWM 控制电路从而实现对照明系统主电路通断的控制。 电压反馈环节 电力系统的运行方式、线路阻抗及有功负荷和无功负荷的变化 会导致电压偏差的出现， 导致了实际电压的幅值在某一时间内缓慢的变化而偏离额定电压。 大型用电设备负荷快速变化引起的冲击性负荷 容易 造成 电压波动，导致实际电压幅值在某一个时间段内急剧变化而偏离了额定电压，导致电压高低变化。电气设备长时间工作在电压不稳定的情况下， 使用寿命会严重缩短，造成了不必要的经济损失。电压不稳定，电气设备在非额定电压下工作，会造成电能的浪费，增大景观照明的开支。因此需要采取一定的措施来维持电压的稳定性。 电压的稳定性对照明管理调压系统有着至关重要的作用。考虑到负载瞬态响应、输出精度、隔离输出等方面，可以采用电压反馈使电压保持在一个固定的值，保证了电压的稳定性。电压反馈环节最主要的部分就是高增益运算放大器，它把输出电压与参考电压的误差放大，并产生电压误差信号。误差放大器在额定输出电压时会产生一个“零误差”点，若输出电压偏离额定值，放大器就会改变其 输出的误差电压，电源系统用此来校正脉宽，使得输出电压回归到额定值。 本 科 毕 业 设 计（论文） 第 10 页 共 40 页 由于照明电路中电压源是 220V 的交流电，电压反馈环节不能直接与单片机相连。因此需要整理电路和滤波电路。整理电路是把交流电压转变为脉动的直流电压，本课题设计中选用单向全波桥式整理电路来实现交流电与直流电的转换。转换后的电压为脉动电压，这就还需要滤波电路将脉动直流转换为真正的直流，可在桥式整理电路的输出并联接上一个滤波电容器，利用电容可以同交流，不能同直流的特性，达到滤波的效果。为了使通入单片机的电压不太大烧毁单片机，可在整理电路的负载两端并接 一个电压表，实时监测流过的电压值。 为了更好的维持电压的稳定，应该选用数字控制器与照明管理调压系统中的电压反馈部分连接。数字控制器是计算机控制系统的核心，其通常是利用计算机软件编程，完成特定的控制算法。数字控制器采用双环控制的 PID 调节，外环设计为电压有效值控制环，进行数字滤波，获得输出电压的有效值；内环设为电压瞬时值反馈环，控制输出电压的瞬时值，内环控制器采用 PD 控制器，可以保证系统有足够的稳定裕度。这也保证了在负载变化或系统受到干扰后仍可维持输出电压有效值的稳定性，克服了干扰对输出电压波形的影响，改善了 控制系统的动态性能和稳态性能。 数字控制器，信号进入 A/D转化器后要经过采样过程和量化过程两个过程。在采样过程后得到离散信号，在时间上是间断的。量化过程是把离散信号表示成最小位二进制的整数倍，成为数字信号，也就是编码。经过 A/D 转化，连续的时间信号变成离散的数字信号。因为数字信号位数有限，所以具有有限的精度。因此也就在转化的时候存在一些误差。这个有误差的信号后来进入 D/A环节，再经历解码和复现两个过程。复现是把离散信号复现为连续模拟信号直接控制连续的被控对象，而离散信号不能够直接控制连续的被控对象。这带误差 的信号与 A/D 转化前的信号之间的误差就是引起数字控制器精度的原因。 通过对数字控制器误差的分析和 A/D位数对控制精度的影响的研究，得出 A/D 位数与 D/A 位数一致和不一致时两信号之间的误差，也就明确了数字控制器的精度。当 A/D位数与 D/A 位数一致，均为 8位时，误差为 %，景观照明节能管理系统的供电电压为 220V，其误差也就为 ，因此控制精度为 ，满足了其为 177。 1V的需求。 因此一般选用 A/D 位数为 8位的就能满足控制要求。综合考虑，可以选用 TCL549。 TLC549是一种低价位、高性能的 8 位 A/D 转换器，以 8 位开关电容逐次逼近的方法实现 A/D转换，其转换速度小于 17us，电源为 3V 至 6V。它 可 采用三线串行接口方式 方便直接 本 科 毕 业 设 计（论文） 第 11 页 共 40 页 的与各种典型的 8 位或 16位的微处理器相连， 构成廉价的测控应用系统 ，无须附加逻辑接口电路，且能与 CMOS 及 TTL 兼容。其接线图如下： 单片机 控制电路的设计及应用 随着科学技术的不断发展，单片机因具有体积小、可靠性高、适应温度范围宽、抗干扰能力强、价格低、易扩展、功能强、功耗低等优点，越来越多的代替电气控制产品，其主要广泛的应用于监测和控制系统中。 MCS51 单片机是比较常用的单片机，使用十分方便，所以本次设计可选用 89C51，其内部有 4KB的程序存储器，不需要外部扩展，是硬件电路简单。 89C51 单片机的介绍 MCS51 单片机的内部结构主要包括 CPU、只读存储器 ROM、随机存储器 RAM、定时器 /计数器、 I/O 接口电路、中断系统 、串行口、特殊功能寄存器 SFR 等部件 。共包含44只引脚，其中 4 只是无用的引脚。 89C51 单片机的主要工作特性如下： 片内程序存储器内含 4KB 的 Flash 的程序存储器，擦写寿命为 1000 次，片内数据存储器内含 128 字节的 RAM； 具有 32 根可编程I/O 口和两个可编程的定时器； 中断系统具有 5个中断源和两个中断优先级； 串行口是具有一个全双工的可编程串行通信口； 低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式两种； 其工作电压电压为 5V，最高工作频率为 24MHz。 本 科 毕 业 设 计（论文） 第 12 页 共 40 页 89C51单片机的功能如下： RST：复位输入信号，高电平有效。在振荡器稳定工作时候，在 RST 脚施加两个机器周期（即 24 个晶振周期）以上的高电平，将器件复位。 Vcc 电源电压输入引脚。 GND 接 地。 XTAL1 片内振荡器反相放大器和时钟发生电路的输入端。使用片 内振荡器时，连接外部石英晶体和微调电容。 XTAL2 片内振荡器反相放大器的输出端。当使用片内振荡器时，外接石英晶体和微调电容。当使用外部振荡器时，引脚 XTAL1接收外振荡器信号， XTAL2悬空。 P0口： 8 位漏极开路双向 8位三态 I/O 口， P0口可驱动 8 个 TTL 负载。 当 P1 口的管脚第一次写 1时，被定义为高祖输入。能够用于外部程序数据存储器，可以被定义为数据 /地址的低八位。 P0 口也可作通用 I/O 口使用，但需要加上拉电阻，变为准双向口。当作为普通输入时，应将输出锁存器置 1。 在 FIASH 编程时， P0 口作为原码输入 口，当FIASH 进行校验时， P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 P1口： 带内部提供上拉电阻的 8 位准双向 I/O口，可驱动 4个 LS型 TTL 负载。 P1口管脚写入 1 时，被内部上拉为高，可用作输入， P1 口被外部下拉为低电平时，由于内部上拉的缘故将输出电流。 在编程和校验时，可用做输入低 8 位地址。用做输入时，应 本 科 毕 业 设 计（论文） 第 13 页 共 40 页 先将输出锁存器置 1。 P2 口： 带内部上拉电阻的 8 位准双向 I/O 口，也可作普通 I/O 口使用。 P2 口缓冲器可接收 、 输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写 1

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