景观照明节能管理系统设计毕业设计Word文档格式.docx

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2.1.5照明灯具的选择·

8

2.2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·

2.2.1按光亮度控制调压供电系统通断·

2.2.2按时段控制供电电压幅值·

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2.3电压反馈环节·

2.4单片机控制电路的设计及应用·

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2.4.189C52单片机的介绍·

2.4.289C52单片机的复位、晶振电路的设计·

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2.4.389C52单片机键盘输入模块、显示器的设计·

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2.5本章小结·

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3景观照明光传感器模块及实时时钟的设计·

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3.1光敏电阻的选择·

3.2实时时钟模板的设计·

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3.3本章小结·

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4景观照明节能管理系统中同步检测的设计·

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5景观照明节能管理系统的节能效果·

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结论·

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致谢·

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参考文献·

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1绪论

改革开放以来，我国经济快速发展，电力资源得到广泛应用，导致我国的能源需求量加大。

随着经济的发展，人民的生活水平也显著提高，各种旅游景点也相继诞生，数量也越来越多，因而照明耗能迅速上升，照明节能也已日益受到重视。

我国人口众多，人均资源占有量非常少，在开发的过程中不注意保护资源，导致了现在煤炭资源的缺乏，使得电厂发电成本不断升高，这导致了景观照明用电消费的增长。

与此同时，景观照明还有规模过大、系统设计不合理、亮度过高等严重问题，也造成了资源浪费。

据不完全统计，景观照明耗电量占全国用电量的2%到4%，因此景观照明节能具有很重要的意义。

1.1研究背景及意义

照明用电供电系统中，为了避免送电过程中的线路损耗及用电高峰造成的末端电压过低，导致灯不亮的情况出现，往往都是以较高的电压传输，超出了用电设备的额定电压，由于照明用电时间多在夜间电网波峰段，所以供电电压偏高，而此时景观内的游客数量很少，必然会导致照明的光通量增大，使照度升高，造成浪费。

在传统的照明节能控制系统中，控制装置受电网波动的影响较大，也不能实现对电压的精确调节控制，这也造成了系统的不稳定性。

为了实现可持续发展，照明节能势在必行。

随着科技的创新，智能照明技术也日益趋于完善，它可以实现对照明调压实现智能，减少电能的消耗，具有较高的可靠性和经济型，是目前社会上应用最广泛的节电手段。

目前智能照明节电装置加入了很多新技术，这也大大增加其生产成本。

因此为了节省电能，同时又要降低成本，需要设计出新的智能照明管理系统，使其不但可以对照明调压实现智能，也能减少电压波动对灯具的损耗，降低耗电量。

1.2国内外的研究现状

在欧美国家，节电行业是一个每年上百亿欧元的庞大市场，节电成为政府号召节约能源的重要内容，在国内，很多企业存在电能浪费的现象，成千上万的企业正等待着进行节电改造，通过节电，不但可以减低成本，也可以在同行业中更具有竞争力，可谓是一举多得。

随着世界能源危机的加剧，各国都在寻求各种解决能源危机的办法，一种是新能源和可再生能源的利用;

另一种是开发新的节能技术，提高能源的利用率，降低能源的消耗。

近年来，国际节电研究界提出了一种叫“在保证照明效果下点着灯节电”的新概念，这样的概念才是科学的，合理的，这是发达国家道路照明系统的重要设计思想。

在国外，美国、英国、法国、德国等发达国家已经开始研发新型的照明节电设备，在韩国，室内场馆的照明节电已经严格落实到了每一个人，馆长会将节电制度手册发给每一个员工，并要定期检查员工的阅读情况，如果完成效果不好，将要对其罚款。

在日本，有更加严格的用电节能制度，城市景观每周每地区会定时关灯一小时，时刻告诉人们节能就在身边。

目前国际照明节能的主要方式分为两种:

（1）在照明系统中使用高效的节能型光源，即选择发光效率高的灯源。

（2）将节能控制设备加装在己经使用的照明系统中。

两种方法各有优缺点，从对照明系统使用的方面来讲，新设计的照明系统中多采用第一种节能方式。

而对已经建设好的的照明系统，若要采用高效节能光源就需要更换现有的所有灯具，这样就会需要投入大量的资金和人力。

同时，高效节能光源的价格会很高，一般是传统光源价格的6-10倍。

这样，如果投入使用，虽然会使照明场所的节能效果得到提高，但是总经济投入不会降低，达不到整体节约的目的。

国外的照明节能管理系统，大多采用上述第二种方式，并采用光控、声控、时控等控制方式，成本低且安装维护比较方便，但是不能够合理额准确的控制灯源的亮度。

比如在天气不好的时候不能准确的做出判断，也不能根据季节自动的进行调整。

现阶段，智能照明节电装置加入了许多新技术，其生产成本要高于前面的那两种传统的照明节电设备，但是新型的智能节电设备不但要可以对照明调压实现智能，且能减少电压波动对灯具的损耗，降低电能的使用。

目前节能这类的照明节能控制方式也日趋完善，产品的具有更高的可靠性和经济型，也是目前社会上应用最广泛的节电手段。

近些年来，我国能源浪费比较严重，为实现可持续发展，照明节电已经势在必行。

目前，国内的景观照明节能和国际节能方式类似，也是主要依靠两种方式：

在系统中采用高效的节能光源，也就是选择使用发光效率较高的灯；

在照明系统中加装节能控制设备。

前一种节能方式，现在较多的被应用，但是高效的节能光源价格较高，会增加照明设施的运行资金，同时更换照明光源，还需要消耗大量的人力，这样虽然节能效果有提高，但是资金投入会增大，达不到节约的目的。

第二种方式中，系统中的节能控制设备采用了新技术，成本更高，但是可以实现智能调压，减少了电压波动的影响，也减少了电能的损耗，目前这种照明节能控制方式发展很快，也趋于完善，成为世界上最广泛应用的节能手段。

景观照明系统的控制方式很多，如光控、时控等。

光控方式简单，安装维护非常方便且价格低廉，缺点是控制的准确性较差，在天气条件不好的情况下容易误作；

时控系统也比较简单，安装维护也非常方便并且价格便宜，但控制不方便，开启和熄灭时间相对固定，对于景观节能非常不利，也不能根据季节自动调整。

景观照明节能是一项系统工程，一般来说其与选用的光源、灯具和控制系统、照明标准、照明方式以及后期照明设施维护与管理等多个因素密切相关。

为此我国绿色照明工程办公室启动一次"

绿色照明"

项目，进一步从照明产品、照明设计、照明管理、天然光利用等方面挖掘照明节能潜力。

还开发了不少智能照明设计，如智能灯具、智能照明控制与管理系统，包括在照明方面的计算机硬件和软件。

此外计算机在照明设计和测试方面也得到广泛应用。

俄罗斯开发的智能照明管理系统，日本的智能照明建筑，特别是现代化办公室的智能照明技术等都值得我们研究与借鉴。

智能照明系统是由控制器、远程I／O模块或扩展I／0模块、触摸屏等来实现控制。

我国的某些景观照明系统采用了PLC控制器来实现节能，它能够方便照明系统的按照、调试、维护、故障诊断等工作，且其扩展性好，自动化程度高，具有良好的发展前景。

根据参考文献，照明节能管理系统有的采取单片机做CPU，充分利用了单片机体积小，抗干扰能力强的优点，保证了照明管理系统的可靠性，同时单片机价格便宜，满足了景观经济性要求。

基于单片机的照明控制系统，用软件的方法为每一个单片机分配一个唯一标识的单片机编号，每个单片机再与一个照明灯线路相连，通过微型计算机串口与多个单片机相连。

当微型计算机向单片机发出控制命令时，相应编号的单片机便可控制与其关联的照明灯的开关。

照明灯具开关控制程序是在单片机中运行的程序，由此程序来控制灯具的开关。

基于MCS-51单片机的照明节能管理系统是以MCS-51单片机为核心的一个集采集、处理、控制为一身的自动控制系统，其工作原理是首先通过被动热释电红外探测器和环境噪声探测是否有人，并探测环境亮度，如果没人，则照明设施不开。

该系统设计采用模块化设计思想，以主程序为核心设置功能模块子程序，运行过程中通过主程序调用各功能模块子程序，因为照明设施控制实时要求不高，循环控制即可满足要求。

基于AT89C51单片机的照明控制系统的设计原理与实现方法。

该控制系统可以同时控制多个照明灯具的开关，也可对某个指定的照明灯具进行控制。

此方法简单有效，控制成本低，实时性强，可以达到节约电源的目的。

1.3景观照明节能管理系统设计的基本任务

景观照明节能管理系统主要是通过对系统主电路的设计，实现通过控制调压供电系统通断、按时段控制供电电压幅值，在保证安全照明前提下，实现耗电量最小。

关于系统的电压稳定性，可以通过增加电压反馈环节，通过数字控制器调节。

电子技术的快速发展，单片机技术日益成熟，以单片机为基础的照明控制系统已经得到了广泛的应用。

本文将采用单片机系统实现数字调压控制与照明系统节能供电管理。

1.4景观照明节能管理系统的特点

传统的景观设计照明，采用的是手动按钮开关、断路器等对开关进行控制，这种控制方式简单、方便，但是不适用大范围的景观照明管理，大面积的景观照明维护和管理工作费时、费力、费人，同时还造成了电能的浪费。

目前景观照明大多采用的是全硬件电路，结构复杂、功能单一，维护费用高且不能不能根据实际需求做出相应的改变，同时还存在难以实现节能的目的等一系列问题。

本文将进行调压系统的设计，设计一套采用自适应控制思想且场景、调度相结合的智能化控制系统。

进一步探讨节能的方式，实现最大限度的节能，并综合单片机的使用，使照明系统更加智能化、维护简单化，提高照明技术和科技含量。

1.5本章小结

本章节叙述了所选课题的研究背景及意义、国内外的研究现状、研究的基本任务以及所研究系统的特点，并简明的概述了全文的章节。

在对国内外的研究现状描述时，扼要的介绍了目前国内景观照明节能所采用的两种方式：

在系统中采用高效的节能光源；

这两种节能方式都有各自的特点，也都能达到一定的节能效果。

2景观照明调压系统主电路

景观照明调压系统是一个包含供电系统、调压系统、照明管理系统的复杂控制电路，它主要由接触器、晶闸管、空气开关、电压反馈、单片机等部分组成。

2.1景观照明节能管理系统主电路的器件的选择

2.1.1主电路接触器的选择

电磁式电器的执行部分是触点，触点的接触方式分为三种：

点接触、线接触和面接触。

电磁式接触器是利用电磁吸力的作用使主触点闭合或分断电动机电路或其他负载电路的控制电器。

用它可以实现频繁地远距离操作，具有比工作电流大数倍乃至十几倍的接通和分断能力。

其体积小、价格低和维护方便，因而用途十分广泛。

接触器按其主控点控制的电路中电流的种类分类可分为直流接触器和交流接触器。

选用时，一般交流负载用交流接触器，直流负载用直流接触器。

景观照明供电系统采用的是负载为50A的交流电，因此可采用交流接触器。

另外景观照明管理系统需要接触器控制电容器和白炽灯，接通时的冲击电流可达到额定值的几十倍，因此从接通方面考虑，应当选用AC4类的接触器。

不同类型的照明设备，起动电流和起动时间也不一样，起动时间很短，可选用约定发热电流等于照明设备工作电流的1.1倍即可。

总上，该系统可选用型号为CJX2-6311的交流接触器。

2.1.2主电路晶闸管的选择

晶闸管是一种整流元件，其整流电压可以控制，当供给整流电路的交流电压一定时，输出电压能够均匀调节。

在整流电路中，晶闸管在承受正向电压的时间内，改变触发脉冲的输入时刻，即改变控制角的大小，在负载上可以得到不同数值的电压，因而控制了输出电压的大小。

实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能正常可靠工作。

照明系统中需要在电路中随时关断晶闸管，可选用可关断晶闸管，因为其门级端加合适的触发信号后就会关断。

但是，晶闸管的应用会产生谐波，谐波电流流过绕组时会产生附加损耗，还会造成电容器的过负荷，严重时会损坏电容器。

另外谐波频率越高，趋肤效应也就越明显，有效电阻也随之增大，引起导线发热而增加电能的损耗。

为了防止上述问题的产生，应该考虑其他技术的应用。

目前电力电子器件快速发展，单片机开发应用也日益广泛，这也促进了PWM控制技术的发展，PWM技术也被广泛应用于各种控制系统中。

本课题研究内容为景观照明节能管理系统的设计，考虑到其负载电流为50A，故应当选用大功率性的晶闸管。

结合参考文献和网上查阅资料，选定BTA100-1200B双向可控硅晶闸管，其额定正向平均电流为100A，最大稳定工作电流为100A，正向重复峰值电压为1200V，反向阻断峰值电压为1200V，且其门极散耗功率仅为0.5W，满足系统设计的要求。

2.1.3主电路空气开关的选择

空气开关是指触头在大气压力下得空气中分合的断路器，是低压配电网络和电力拖动系统中非常重要的一种电器。

它的绝缘介质为空气，用锁扣保持合闸位置，由脱扣机构作用于跳闸并具有灭弧装置的低压开关，被广泛用于500V一下的交、直流装置中，在电路中作接通、分断和承载额定工作电流和短路、过载等故障电流。

因此空气开关具有过载、短路、欠电压保护等多种保护功能，动作值可调、分断能力高、操作方便、安全等优点，并利用一定的触头结构，限制分断时短路电流峰值的限流原理，对提高断路器的分断能力有明显的作用，所以目前被广泛应用。

空气开关的工作原理是短路电流远大于正常负载电流，短路电流导致脱扣器脱扣，动触头在弹簧作用下与静触头分开，使得电路断开。

短路电流有多种方式实现脱扣器脱扣，一般是采用电磁铁的原理实现的，线圈中经过负载电流时电磁铁吸引力小，经过短路电流时吸力足以使衔铁动作，带动脱扣器脱扣。

大点的空气开关还具有过负载保护，一般采用双金属片，当电路过负荷达到一定时间的时候，热量会使双金属片变形导致脱扣器脱扣从而断开电路。

挑选空气开关时应注意:

空气开关额定电压大于等于线路额定电压；

空气开关的额定电流和过电流脱扣器的额定电流大于等于线路计算负载电流。

如果空气开关的额定电流选择的偏小，就会使空气开关频繁跳闸，引起不必要的停电；

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。

2.1.4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：

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。

2.1.5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2000h；

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。

2.2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

2.2.1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。

2.2.2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。

2.3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