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摘 要：本文提出一种路灯开启和关闭的自动控制方法，利用单片机技术，设计一种“节能路灯照明智能控制器”。该装置根据地球公转自转规律，使得在日出前的一定时刻关闭路灯，而在日落后一定时刻开启路灯，做到对路灯照明的自动控制；同时结合电网夜间电压较高的特点，利用电路接法变换，实现无变压器降压，控制夜间路灯电压，调节路灯亮度，达到节电目的。
关键词：地球公转自转；路灯照明；无变压器降压；节电
Study on Lighting Intelligent Controllers of Energy-saving Street Lamps
YANG Ruo-pu1，LI Miao2，BAO Kang-sheng1，YANG Sheng-chun2
（1. Hefei No.Six Senior High School，Hefei，230061，China；2.Anhui Electrical Professional Technique College，Hefei 230051，china）
Abstract: This paper puts forward a method which can control the opening and closing of street lamps automatically. It designs a kind of lighting intelligent controller of energy-saving street lamps by using single chip microcomputer technique. According to rotation and revolution rules of the earth, the device can turn off street lamps at certain moments before sunrise and turn on them at certain moments before sunset, realizing the automatic control of street lamp lighting. Meanwhile, according to the characteristics of high voltage power at night, it can realize the voltage drop without transformers by using the change of circuit configurations. Thus, it can control the voltage of street lamps at night and adjust the brightness of them, reaching energy-saving purpose.
Key Words: rotation and revolution of the earth; street lamp lighting; the voltage drop without transformers; energy saving
1 引言
近年来，随着我国城市规模不断扩大，道路照明灯具数量也随之剧增，消耗大量的电能。合理地控制路灯照明，节约电能越发重要。然而，我们经常会发现:在早晨天已大亮或傍晚尚未黑暗时，路灯是亮着的。由于路灯数量巨大，将白白浪费宝贵的能源。导致这种能源浪费的主要因素有：
●对于人工控制的路灯。由于种种原因，往往易导致路灯照明时间偏长的现象。
●对于自动控制的路灯。由于环境因素可能出现传感器感应装置污损，导致路灯关闭不及时；或软件算法的缺陷，如软件处理只按固定时间计算而忽略每天的日出日落时刻变化[1-2]。
由于地球的公转自转规律，每天的日出日落时刻都在变化，如果能计算每日的日出日落时刻，根据该时刻控制路灯的开或关，就能做到对路灯照明的自动控制，节省电能。本研究欲设计一种自动控制装置，对路灯照明按照地球公转自传规律进行控制，达到节电的目的。
2 设计方案
2.1硬件设计
本设计的关键在于如何确定每日的日出日落时刻，地理位置不同日出与日落时刻也不同，因而要充分利用地球自转和公转的规律来计算每日的日出日落时刻，对硬件提出的设计要求如表1所示。
针对要求1:电子集成的芯片具有时钟功能，满足运行所需条件，芯片内部记录通过加载开始时间即可运行万年历，达到设计要求，市场上目前符合要求的IC芯片有DS12887、PCF8563T等，本系统的硬件时钟芯片选择为具有万年历的PCF8563T。
针对要求2：采用的微处理器是Mega64。
针对要求3：要有一个输入装置，类似手机的键盘的按键。
因次，硬件框架设计图如图1所示：
该装置主要包括：核心处理器、显示模块、时钟模块、按键模块以及输入输出模块。
2.2 软件设计
本项目采用芯片Mega64为核心处理器，PCF8563T为系统提供准确可靠的时间信息，显示采用点阵式显示屏，通过地理信息完成软件计算，最终达到控制路灯的目的，具体的软件实现流程如图2所示：
（1）合理地减少开灯时间
由于大气层的漫反射，日出之前的一段时间，和日落之后的一段时间，室外亮度是足够的，故这段时间路灯可以不亮。
●每天日出之前，提前一定时间关闭路灯；
●每天日落之后，推迟一定时间开启路灯。
（2）降低电压
由于夜晚用电负荷减小，电网电压比白天要略高，灯会更亮一些，耗电量也增大，但是车辆、行人稀少以及人眼的适应性，亮度是可以降低的，所以更好地办法是降低电压、降低亮度，减少耗电。交流电网的特点：两根火线（相线）间电压是380V，火线与零线间电压是220V，有380 V =220 V *的关系。本制作利用此特点，把路灯分为功率基本相等两组，然后相串联。两端通过开关分别接到两个不同的火线上，中间相连的部分通过开关接到零线上，如图3所示：
图中L1，L2是相同规格的灯具，S1、S3分别是A相B相的电源开关，S2是零线的开关。在日落以后，再经过设定时间后，S1、S2、S3均合上，L1，L2两端的电压均是220V，路灯点亮；23:00后断开S2，L1，L2两端的电压均是380/2=190V,电压降低了1-190/220=13.8%，理论上节电率约为25%。
2.3 装置界面介绍
通过软硬件的设计后，本项目的相关功能体现通过点阵式液晶屏显示。显示内容主要分为以下四方面：
●年、月、日、时、分、秒；
●关灯时提前量；
●开灯时推迟量；
●地理信息。
节能路灯照明智能控制器地理信息输入界面以及运行界面如图4和图5。
2.4 装置输出指示
路灯开启或关闭以及降压等操作是通过开关给出的，当路灯要开启时，此开关闭合；当路灯要关闭时，此开关断开，除了在运行界面给出显示外，在硬件上也有指示，如图6。
当LED亮时表示给出接通信号，当LED灭时，表示给出断开信号。带有螺钉的部件是外接被控的开关。
3 应用实例
以某学校主教学楼前的路灯进行应用，该教学楼前道路两排路灯并列且具有相同用电负荷。对其控制柜的接线进行改接，用本控制器代替原来定时路灯控制器，设定日出前提前60分钟关灯，日落后推迟8分钟开灯。试验数据及分析见表2。
4 结论
节能路灯照明智能控制器，将地球的运动规律真实模拟出每一天地球相对太阳的运行情况，自动控制路灯照明，试验表明该装置具备自动控制路灯的功能，且具有节电效果。
参考文献:
[1] 任鹏飞，基于单片机的LED路灯控制系统设计，河南工程，2009.
[2] 孔志林，基于单片机的LED路灯模拟控制系统的设计与实现，2003.
[3] 郑大伟,时间序列分析与地球自转，天文学进展,1989.
注：该课题为全国青少年科技创新大赛项目
作者简介：
杨若朴（1995－），合肥市第六中学。
李淼（1967－），硕士，副教授，研究方向电机控制。
关键词：地球公转自转；路灯照明；无变压器降压；节电
Study on Lighting Intelligent Controllers of Energy-saving Street Lamps
YANG Ruo-pu1，LI Miao2，BAO Kang-sheng1，YANG Sheng-chun2
（1. Hefei No.Six Senior High School，Hefei，230061，China；2.Anhui Electrical Professional Technique College，Hefei 230051，china）
Abstract: This paper puts forward a method which can control the opening and closing of street lamps automatically. It designs a kind of lighting intelligent controller of energy-saving street lamps by using single chip microcomputer technique. According to rotation and revolution rules of the earth, the device can turn off street lamps at certain moments before sunrise and turn on them at certain moments before sunset, realizing the automatic control of street lamp lighting. Meanwhile, according to the characteristics of high voltage power at night, it can realize the voltage drop without transformers by using the change of circuit configurations. Thus, it can control the voltage of street lamps at night and adjust the brightness of them, reaching energy-saving purpose.
Key Words: rotation and revolution of the earth; street lamp lighting; the voltage drop without transformers; energy saving
1 引言
近年来，随着我国城市规模不断扩大，道路照明灯具数量也随之剧增，消耗大量的电能。合理地控制路灯照明，节约电能越发重要。然而，我们经常会发现:在早晨天已大亮或傍晚尚未黑暗时，路灯是亮着的。由于路灯数量巨大，将白白浪费宝贵的能源。导致这种能源浪费的主要因素有：
●对于人工控制的路灯。由于种种原因，往往易导致路灯照明时间偏长的现象。
●对于自动控制的路灯。由于环境因素可能出现传感器感应装置污损，导致路灯关闭不及时；或软件算法的缺陷，如软件处理只按固定时间计算而忽略每天的日出日落时刻变化[1-2]。
由于地球的公转自转规律，每天的日出日落时刻都在变化，如果能计算每日的日出日落时刻，根据该时刻控制路灯的开或关，就能做到对路灯照明的自动控制，节省电能。本研究欲设计一种自动控制装置，对路灯照明按照地球公转自传规律进行控制，达到节电的目的。
2 设计方案
2.1硬件设计
本设计的关键在于如何确定每日的日出日落时刻，地理位置不同日出与日落时刻也不同，因而要充分利用地球自转和公转的规律来计算每日的日出日落时刻，对硬件提出的设计要求如表1所示。
针对要求1:电子集成的芯片具有时钟功能，满足运行所需条件，芯片内部记录通过加载开始时间即可运行万年历，达到设计要求，市场上目前符合要求的IC芯片有DS12887、PCF8563T等，本系统的硬件时钟芯片选择为具有万年历的PCF8563T。
针对要求2：采用的微处理器是Mega64。
针对要求3：要有一个输入装置，类似手机的键盘的按键。
因次，硬件框架设计图如图1所示：
该装置主要包括：核心处理器、显示模块、时钟模块、按键模块以及输入输出模块。
2.2 软件设计
本项目采用芯片Mega64为核心处理器，PCF8563T为系统提供准确可靠的时间信息，显示采用点阵式显示屏，通过地理信息完成软件计算，最终达到控制路灯的目的，具体的软件实现流程如图2所示：
（1）合理地减少开灯时间
由于大气层的漫反射，日出之前的一段时间，和日落之后的一段时间，室外亮度是足够的，故这段时间路灯可以不亮。
●每天日出之前，提前一定时间关闭路灯；
●每天日落之后，推迟一定时间开启路灯。
（2）降低电压
由于夜晚用电负荷减小，电网电压比白天要略高，灯会更亮一些，耗电量也增大，但是车辆、行人稀少以及人眼的适应性，亮度是可以降低的，所以更好地办法是降低电压、降低亮度，减少耗电。交流电网的特点：两根火线（相线）间电压是380V，火线与零线间电压是220V，有380 V =220 V *的关系。本制作利用此特点，把路灯分为功率基本相等两组，然后相串联。两端通过开关分别接到两个不同的火线上，中间相连的部分通过开关接到零线上，如图3所示：
图中L1，L2是相同规格的灯具，S1、S3分别是A相B相的电源开关，S2是零线的开关。在日落以后，再经过设定时间后，S1、S2、S3均合上，L1，L2两端的电压均是220V，路灯点亮；23:00后断开S2，L1，L2两端的电压均是380/2=190V,电压降低了1-190/220=13.8%，理论上节电率约为25%。
2.3 装置界面介绍
通过软硬件的设计后，本项目的相关功能体现通过点阵式液晶屏显示。显示内容主要分为以下四方面：
●年、月、日、时、分、秒；
●关灯时提前量；
●开灯时推迟量；
●地理信息。
节能路灯照明智能控制器地理信息输入界面以及运行界面如图4和图5。
2.4 装置输出指示
路灯开启或关闭以及降压等操作是通过开关给出的，当路灯要开启时，此开关闭合；当路灯要关闭时，此开关断开，除了在运行界面给出显示外，在硬件上也有指示，如图6。
当LED亮时表示给出接通信号，当LED灭时，表示给出断开信号。带有螺钉的部件是外接被控的开关。
3 应用实例
以某学校主教学楼前的路灯进行应用，该教学楼前道路两排路灯并列且具有相同用电负荷。对其控制柜的接线进行改接，用本控制器代替原来定时路灯控制器，设定日出前提前60分钟关灯，日落后推迟8分钟开灯。试验数据及分析见表2。
4 结论
节能路灯照明智能控制器，将地球的运动规律真实模拟出每一天地球相对太阳的运行情况，自动控制路灯照明，试验表明该装置具备自动控制路灯的功能，且具有节电效果。
参考文献:
[1] 任鹏飞，基于单片机的LED路灯控制系统设计，河南工程，2009.
[2] 孔志林，基于单片机的LED路灯模拟控制系统的设计与实现，2003.
[3] 郑大伟,时间序列分析与地球自转，天文学进展,1989.
注：该课题为全国青少年科技创新大赛项目
作者简介：
杨若朴（1995－），合肥市第六中学。
李淼（1967－），硕士，副教授，研究方向电机控制。