基于X1227S8I的路灯节电控制器系统设计

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基于X1227S8I的路灯节电控制器系统设计

1 引言
  
随着我国经济的高速发展,人民生活水平的日益提高,电力短缺问题尤显突出,已逐渐成为制约经济发展的瓶颈。路灯照明占城市用电量较大。为了节约城市用电,一般采用路灯节电控制器。它是利用不同时段的电压波动,在保证照度标准和照明质量的前提下,采用降压方法力求减少照明系统中的能量损失,最有效地利用电能。一般系统大都采用单片机内部计时方式进行软件定时,但需要采用计数器,这不仅占用硬件资源,而且不具有实时时钟,只能进行简单控制,节电效果也不能实现最大化。而采用X1227S8I可以解决系统的实时时钟,还可实现系统参数的掉电保存。利用X1227S8I作为核心器件并与单片机技术相结合,可以实现按日出、日落时间自动开启路灯,以致最大程度地缩短路灯的开关时间,获取最大的节电效果。

2 X1227S8I简介
  
X1227S8I是一款带有时钟、日历、CPU监控电路和两路查询报警的实时时钟(RTC),它采用低成本的32.768 kHz晶体作为输入,可精密到秒、分钟、小时、日期、星期、月、来显示时间,并能自动调整闰年至2096年。X1227S8I还提供一个备用电源的输入引脚(VBACK),该引脚可使器件采用不可充电的电池作为备用电源。X1227S8I具有一个4 K位的EEPROM阵列,可保存系统配置参数,并具有安全、保密性。该存储器在主电源和备用电源全都失效时不受影响。另外,X1227S8I还具有2.7~5.5 V单电源;其工作温度范围为-40℃~+85℃;采用小型8引脚SOIC封装等特点。

3 系统设计

3.1系统设计依据
  
由于气体放电灯消耗的功率取决于输入电压,根据高压钠灯的工作特性随电源电压的变化规律,当工作电压上升至额定电压的106%时,钠灯的功耗将上升至额定功率的115%;当工作电压上升至额定电压的110%时,钠灯的功耗将上升至额定功率的130%。若以额定功率为400 W的钠灯为例,当电源电压上升至额定电压的108%时,灯泡的功耗将上至480 W,这将造成用电量的大幅度上升。 由于设计道路亮度时已考虑了正常的亮度需要,所以不应以降低亮度来节约电能消耗,但考虑到后半夜车辆人流大为减少,此时供电电压因用电负荷减少而升高,此时采用降低供电电压,而适当降低光源的光通量也是可行的。假设后半夜的供电电压升高10%,此时再降低供电电压为额定电压的90%来运行,则光通量减少为额定值的70%,而消耗功率可减少55%。
  
路灯照明节能的基本原则应以保证不降低场所的视觉要求为原则,在保证亮度标准和照明质量的前提下,依据路灯电压与功率的非线性关系,力求减少照明系统中的能量损失,最有效地利用电能。系统采用降压调功节电,即利用时控自动投切及跟压调功等技术,自动跟踪电网电压,自动调节照明功率,实现对灯具自动、准确地开关及电压和照度输出的智能化模糊调节,解决了光控自动投切方式的干扰。智能化地调整路灯的实际供电电源,使输出电压相对稳定,保证灯具的输入功率与实际照度要求达到最佳匹配,从而实现了高效节电,使其节电率达15%~38%,且延长了灯具的使用寿命。

3.2系统框图
  
图1为系统设计框图。其系统硬件主要由处理器(CPU)时钟电路、显示键盘电路、电流电压信号处理电路、通讯接口电路、电源自动切换电压稳定输出控制电路等5部分组成。其中,时钟电路负责提供钟,保存系统配置参数;显示键盘电路负责完成参数的设置和显示;电流电压信号处理电路用于完成三相电流、电压的测量信号处理转换;通讯接口电路负责完成系统升级,并采用GPRS通讯方式远程控制,实时监测三相电压、电流,以及设置远程开灯、关灯控制参数等,以减轻路灯管理员的劳动强度,实现城市照明管理的现代化;电源自动切换电压稳定输出控制电路用于完成节电方案中电压的分段调节控制。

                       

3.3时钟、参数存储器电路
  
图2示出X1227S8I应用电路。由于P89V51RD2复位引脚RESET与X1227S8I输出复位RESET的电平不同,所以采用74HC02转换电平。X1227S8I的VBACK接一个3 V锂电池,VCC电源失效时可为器件提供电源,以保证实时时钟准确。X1227S8I中SCL串行时钟输入端用来对所有输入和输出器件的数据进行计时。串行数据端(SDA)是一个双向引脚,用于向器件输入或输出数据。漏极开路输出需要使用上拉电阻输出。

              

单片机采用Philips公司生产的一款P89V51RD2型80C51微控制器。它的主要特点是包含有64 KB的非易失性Flash程序存储器和1 024字节的数据RAM存储器。前者支持并行和串行在系统编程(ISP),属低EMI方式(ALE禁能);具有4个8位I/O端口,3个高电流P1端口(每个I/O端口的电流为16 mA),可兼容TTL和CMOS逻辑电平。该微控制器性价比高,可简化整个系统电路,降低系统成本,通过串行接口通讯方式既可完成系统升级,也可实现远程控制系统。

4系统软件设计

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4.1存储器地址分配
  
X1227S8I器件中存储器地址0x35~0x30用于定义年、月、日、时、分、秒。地址0x3f为状态寄存器(SR),用来控制写使能锁存(WEL)和寄存器写使能锁存(RWEL)的写使能锁存。地址0x80~0x93为自定义的3种工作方式,方式1为整夜工作,它根据经纬度自动计算太阳日出和日落时间,完全由日出和日落时刻控制开关;方式2为半夜工作,在日落时刻开,用户定时关;方式3为自设工作,用户可自设定开和关时刻、节电方案(正常、夜灯、半夜灯)、开灯时间、夜灯时间、半夜灯时间、关灯时间、经度、纬度、偏差及电压波动偏差。其中,节电方案有3种不同大小的降压档。经度和纬度用于计算日出和日落时间。由于大气层的散射作用,日落时,天还未完全黑,还要持续一段时间,因此需要对日落时间进行修正,以最大程度地降低路灯的电力损耗。偏差用于调节开关灯的早晚。当偏差为±5为正时,数字越大,开灯越晚,关灯越早;当偏差为负时,数字越大,开灯越早,关灯越晚;当偏差为零时,则为标准日出日落时刻(俗称黄昏)。偏差每一级日出时刻和日落时刻相差大约5 min。电压波动偏差用于自动调节电压与设定值的偏差。

4.2程序设计流程图
  
图3给出系统主程序流程图。它采用C语言编程。图4给出节电档位控制流程图。图中,t为当前时间,t1为开灯时间,t2为夜灯时间,t3为半夜灯时间,t4为关灯时间,tf为工作状态标志,用以防止同一档位重复调节。图5给出通讯接口流程图,通讯采用中断方式。

                  

                   

                           

5结语
  
由于路灯节电控制器系统采用了X1227S8I时钟器件,软件定时占用CPU硬件资源大大减少;使用I2C总线,占用接口资源也大大减少,系统成本低,定时准确,不受系统掉电影响,稳定可靠;系统可根据实时时钟利用日出和日落时间自动开启路灯,从而最大程度地缩短路灯的开关时间,使系统更智能化,节电效果更理想。

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