LED智能化路燈原理

LED智能化路燈充分考慮了城市道路照明的實(shí)際狀況，采用單片機(jī)控制技術(shù)對(duì)路燈照度進(jìn)行動(dòng)態(tài)智能化管理，實(shí)現(xiàn)路燈人性化。由于LED路燈具有其它路燈所沒(méi)有的瞬態(tài)響應(yīng)極快的特性，電路上極易實(shí)現(xiàn)使用KHZ級(jí)的脈寬調(diào)制(PWM)方式對(duì)LED路燈的亮滅進(jìn)行占空比調(diào)節(jié)，(例如1ms內(nèi)亮0.5ms亮0.5ms滅此時(shí)其亮度為全亮?xí)r的50%)即調(diào)節(jié)了整體燈具亮度。工作于如此高的頻率下不會(huì)存在頻閃現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)燈具設(shè)定,可在繁忙的時(shí)段使路燈保持較強(qiáng)的照度，在后半夜車稀人少時(shí)開始自動(dòng)調(diào)光，使路燈保持較低照度的照明。還可通過(guò)內(nèi)在編程器根據(jù)不同城市繁華度、照明實(shí)況、車流量情況人為強(qiáng)制性設(shè)定照度等級(jí)、設(shè)定強(qiáng)弱照度時(shí)間長(zhǎng)度比控制,以后路燈便可按照新設(shè)定周期性地執(zhí)行的程序。即實(shí)現(xiàn)了地方道路照明個(gè)性化。

根據(jù)我國(guó)路燈照明現(xiàn)狀，小城市在晚上9點(diǎn)后，大中城市在凌晨2點(diǎn)以后，道路上行人、車輛已逐漸稀少。從這一時(shí)段直至清晨6點(diǎn)，在如此低交通流量的道路上仍然保持較高照度顯然沒(méi)有必要。據(jù)了解，城市公共照明在我國(guó)照明耗電中占30%的比例，約439億kWh，以平均電價(jià)0.65元/kWh計(jì)算，一年開支285億元。在市政開支極度緊張的今天，國(guó)內(nèi)絕大部分的城市和地區(qū)幾乎不約而同地采用了的路燈隔盞關(guān)燈的省錢方法，不僅導(dǎo)致了路面照度分布不均，給治安及交通安全埋下了隱患，而且后半夜電網(wǎng)電壓升高對(duì)路燈壽命造成損害，每年需更換大量燈具,因此不能稱作是真正意義上的節(jié)能。節(jié)能是在保證照明效果下點(diǎn)著燈節(jié)電。

以上智能控制的主要優(yōu)點(diǎn)是大幅降低了耗電，節(jié)約耗電達(dá)40%以上，避免了隔盞關(guān)燈的隱患。對(duì)于推廣高效、節(jié)能智能照明器具，配合照明實(shí)際情況有效進(jìn)行光能利用，節(jié)約照明用電具有極其深遠(yuǎn)的意義。

另外LED路燈光源(LED)具有很好的單一方向性，光取出率極高，而傳統(tǒng)的氣體路燈光源為全方位發(fā)光，依靠反光罩聚成單一方向光線，損失較大，光取出率大大不如LED路燈。因此在真正作用于路面上的光效傳統(tǒng)路燈明顯劣于LED路燈?？深A(yù)見性效益分析以10公里鋪設(shè)700盞路燈對(duì)比經(jīng)濟(jì)效益,下面經(jīng)濟(jì)效益分析為理想分析,實(shí)際上可以從技術(shù)參數(shù)表的15和16項(xiàng)看出LED路燈優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)超出以理想分析。

具有發(fā)明專利的?；瘔K光源，透鏡與防水罩一體化設(shè)計(jì)。防護(hù)等級(jí)達(dá)IP68.散熱系統(tǒng)熱阻小，在持續(xù)點(diǎn)亮?xí)r，整體溫度不超過(guò)60度;獨(dú)創(chuàng)的科學(xué)的長(zhǎng)方形配光設(shè)計(jì)，首創(chuàng)路燈專用光學(xué)透鏡;獨(dú)創(chuàng)的智能化電源技術(shù): AC85-264V輸入下功率不變，照度不變。軟啟動(dòng)設(shè)計(jì)，避免電流對(duì)LED的沖擊，有效的保護(hù)LED，增長(zhǎng)使用壽命，減少光衰;智能時(shí)控設(shè)計(jì)，亮燈6小時(shí)后，功率自動(dòng)減半，發(fā)揮更大的節(jié)能效果。光也比其他的燈明亮。

電纜成本算法:10公里傳統(tǒng)路燈電纜電流I=700*250W/220V≈800A，需截面400mm2銅芯電纜，單價(jià)為360元/米，電纜成本為360*10000=360萬(wàn)元，LED路燈電纜電流I=700*50W/220V≈150A，需截面40mm2銅芯電纜，單價(jià)為60元/米，成本為60萬(wàn)元

耗電成本:計(jì)算方法以每天亮燈10小時(shí)，每度電以0.65元人民幣計(jì)算, 傳統(tǒng)路燈一年總耗電量700*250W*365*10h*0.65≈415187(千瓦時(shí))度合元, LED路燈一年總耗電量為:700*50W*365*10h*0.65=83037(千瓦時(shí))度合83037元。

光源壽命對(duì)比，傳統(tǒng)路燈3000-4000小時(shí)，LED路燈壽命在4萬(wàn)小時(shí)以上，等于是現(xiàn)今流通最好的高壓鈉燈5倍以上的壽命，高壓鈉燈更換5次以上，LED路燈才更換一次，如是產(chǎn)生光源成本、維護(hù)等等費(fèi)用。由以上種種分析可見安裝的道路越長(zhǎng)傳統(tǒng)路燈和LED路燈的性價(jià)比越明性。

隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展，LED性價(jià)比不斷攀升，LED光源逐步取代各種傳統(tǒng)照明光源實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體綠色照明并不遙遠(yuǎn)!

城市道路、人行道、廣場(chǎng)、學(xué)校、公園、庭院、居住區(qū)，廠區(qū)以及其他需要室外照明的場(chǎng)所。

1. 恒定調(diào)節(jié)輸出電壓，對(duì)較高電網(wǎng)電壓(通常在 230V 以上，電極過(guò)渡損傷，高溫)，可實(shí)現(xiàn)燈具的保護(hù)，延長(zhǎng)燈具壽命，同時(shí)也有較大節(jié)電空間。

2. 對(duì)照明現(xiàn)場(chǎng)的照度調(diào)節(jié)，以滿足環(huán)保和綠色照明指標(biāo)，同時(shí)節(jié)能。

3.根據(jù)場(chǎng)所的情景變化，"以人為本"， "按需調(diào)亮"，"實(shí)時(shí)調(diào)亮"。

以1kw路燈為例，設(shè)當(dāng)路燈電壓為205V時(shí)，單位時(shí)間耗電量為0.87kWh;當(dāng)路燈電壓為193V時(shí)，耗電為O.77 kWh;在滿足行人車輛運(yùn)行需要的情況下，適當(dāng)降低路燈的端電壓，可節(jié)能20%左右。在深夜行人稀少時(shí)，可將路燈的端電壓降至170~180 V，路燈1 h內(nèi)耗電O.55 kWh左右，除去其他損耗，可節(jié)約電能近40 %。

該智能路燈節(jié)能裝置采用分時(shí)換擋方法，在保證照明的情況下兼顧到了用電低谷期節(jié)能效果。實(shí)驗(yàn)表明該智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)可明顯地提高路燈的用電效率，延長(zhǎng)路燈使用壽命。在節(jié)約能源、電力資源合理利用的前提下，該裝置有著十分廣闊的社會(huì)和商業(yè)前景。

1 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

1.1 智能路燈控制系統(tǒng)

該智能路燈節(jié)能系統(tǒng)主要由電量檢測(cè)電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、自耦變壓器電路、顯示電路及載波通信等電路組成。將一年大致分為三個(gè)季節(jié)段來(lái)對(duì)路燈進(jìn)行控制，使其在不同的季節(jié)有不同的開關(guān)燈時(shí)間。而從開燈到關(guān)燈根據(jù)當(dāng)?shù)亟煌ㄓ挚纱笾路譃槿齻€(gè)階段(高峰、正常、低谷)來(lái)對(duì)路燈進(jìn)行控制。從實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片中將當(dāng)前的路燈工作狀況進(jìn)行相應(yīng)的歸類，由單片機(jī)輸出控制接觸器的線圈的斷合，而其觸點(diǎn)的輸出分別控制自耦變壓器的三個(gè)觸頭，對(duì)應(yīng)著四個(gè)檔位，每個(gè)檔位對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的路燈電壓。由于電力傳輸中有諧波干擾造成電力不穩(wěn)，要時(shí)刻檢測(cè)路燈的電量，以電量芯片ATT7028檢測(cè)出電流或者電壓過(guò)高或者過(guò)低，將得到的信息傳給AT89C51單片機(jī)，單片機(jī)同時(shí)與鐵電存儲(chǔ)器的信息相比較，如果發(fā)現(xiàn)電流或者電壓過(guò)高或者過(guò)低，單片機(jī)馬上做出調(diào)整，適當(dāng)?shù)亟档突蛘呱唠妷?，以?shí)現(xiàn)對(duì)路燈過(guò)載、過(guò)壓等各種功能進(jìn)行控制，用電力載波通信技術(shù)將現(xiàn)場(chǎng)情況傳送至監(jiān)控室。原理框圖如圖1所示。

1.2 電量檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

電量采集模塊主要完成路燈電流和電壓的數(shù)據(jù)采集。將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為ADC電路可采集處理的模擬信號(hào)，通過(guò)電量芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送到單片機(jī)中，檢測(cè)電壓和電流是否超載，依據(jù)此來(lái)控制電路負(fù)載的電壓。設(shè)計(jì)中采用三相電能專用計(jì)量芯片ATT7028A，適用于三相三線和三相四線應(yīng)用，能夠測(cè)量各相以及合相的有功功率、有功能量，同時(shí)還能測(cè)量各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)，充分滿足三相復(fù)功率多功能電能表的需求。同時(shí)將電量信號(hào)存入到鐵電存儲(chǔ)器AT24C24里，該存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)不易丟失，以便有功電能歷史記錄的查詢。ATT7028A提供一個(gè)SPI接口，方便與外部單片機(jī)之間進(jìn)行計(jì)量參數(shù)以及校表參數(shù)的傳遞。設(shè)計(jì)中應(yīng)用ATT7028A測(cè)量電流和電壓有效值，采用軟件校表，通過(guò)SPI接口與外部單片機(jī)之間進(jìn)行計(jì)量參數(shù)的傳遞，以此來(lái)檢測(cè)路燈電壓電流的有效值。另外對(duì)檢測(cè)到的過(guò)載、過(guò)壓等故障進(jìn)行報(bào)警。

1.3 路燈控制電路

路燈控制電路由譯碼電路、開關(guān)電路與變壓器控制電路組成。為了使路燈分時(shí)控制取得優(yōu)良的節(jié)能效果，除了要根據(jù)時(shí)間段來(lái)開啟不同檔位電壓外，還需要實(shí)際考慮到電網(wǎng)電壓在不同時(shí)段的電壓波動(dòng)情況。故將單片機(jī)檢測(cè)到的電量信號(hào)與處理的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302信號(hào)作為74LS155二-四譯碼器譯碼地址輸入端，譯碼器的四個(gè)端輸出經(jīng)三極管放大后分別驅(qū)動(dòng)四個(gè)接觸器的線圈，而其四個(gè)觸點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)自藕變壓器的三個(gè)觸頭，亦即路燈四種檔:全壓(220 V)、高峰期檔(額定電壓的93%)、正常期檔(額定電壓的88%)、低峰期檔(額定電壓的83%)。從而達(dá)到既兼顧路燈亮度又達(dá)到節(jié)能的效果。KM4接在母線上還能關(guān)閉路燈，原理如圖2所示。

1.4 電力載波通信

為了實(shí)現(xiàn)控制室能夠方便及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)路燈運(yùn)行情況，采用電力線載波通信技術(shù)將現(xiàn)場(chǎng)路燈檢測(cè)運(yùn)行的狀況傳送至控制室。以LM1893集成芯片實(shí)現(xiàn)電力載波通信，LM1893是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的FSK制式的調(diào)制解調(diào)芯片。能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的串行數(shù)據(jù)的半雙工電力線通信，具有發(fā)送和接收數(shù)據(jù)兩種工作模式，能夠與51單片機(jī)相兼容。LM1893調(diào)制解調(diào)數(shù)據(jù)輸入端DATAIN與AT89C51單片機(jī)的串行輸出口TXD相連，輸出端DATAOUT與AT89C51的串行輸入口RXD相連。LM1893的TX/RX發(fā)送接收控制端由單片機(jī)的P1.O端控制，高電平為發(fā)送狀態(tài)，低電平為接收狀態(tài)。路燈控制器接收到外部數(shù)據(jù)信息后，先要對(duì)所收數(shù)據(jù)的報(bào)文頭和地址進(jìn)行判斷。當(dāng)報(bào)文頭正確，地址為本機(jī)地址時(shí)，它才執(zhí)行相應(yīng)的燈控命令，執(zhí)行完后進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)。