基于单片机的路灯稳压控制系统制作毕业设计.docx
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基于单片机的路灯稳压控制系统制作毕业设计
基于单片机的路灯稳压控制系统的设计
摘要
目前随着工业的发展,电力设备的老化,导致电力紧张已是社会普遍现象。
而城市化的加快又需要更多的照明路灯,而且一般照明路灯电压总是在用电高峰低于额定值,用电低峰高于额定值,这无疑会造成路灯不能正常工作或浪费电力资源。
所以研究路灯稳压控制系统就变得很有意义。
本设计以单片机为控制核心,设计出一种路灯稳压控制系统,其工作原理是:
电网电压通过采样电路,AC/DC转换,再经A/D转换后的信号输入单片机,单片机通过运算处理来控制无触点开关的状态,选择补偿稳压线圈组合,最终实现补偿稳压。
关键词:
单片机/补偿式/无触点开关
MCU-BASEDVOLTAGE-STABILIZINGCONTROLLEROFSTREETLAMP
ABSTRACT
Withtherapiddevelopmentofindustryandadgingelectricalequipment,thelassofpowerisnodoubtnowadays.Butthedevelopmentofcitiesneedmorepowerofelectricityforstreetlamp.Andgenerallystreetlamp’voltageislowerthanratedvoltagewhenpeakpower,butishigherthanratedvoltage.Thesehavenodoubtmakingstreetlampnotinproperworkorderandwastingpowerofelectricity.Sostudyvoltage-stabilizingcontrollerofstreetlampisveryimportant.
FromthecontrollerofMCU,thisdesignmakesavoltage-stabilizingcontrollerofstreetlamp.Theworkingprincipleisasfollows.Networkpowergoesthroughthesamplecircuit,networkaferAC/DCconvertandA/Dconvert,then,putsthesignalofA/DconvertintoMCU.MCUdealswiththesignal,then,controlsthestateoftheBCRwiththeprocessingresult.Fromthistochoosetheconstituteofcompesatingcoils.Intheend,thissystemcanachievedvoltage-stabilizing.
KeywordsMCU,compensating,BCR
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1绪论
1.1引言
目前我国许多地方由于电力供应紧张,或电力设备严重老化,而随着城市化的快速发展,照明路灯的数量也越来越多,其用电量占城市用电总量的比重越来越大,在用电高峰期,电网超负荷运行,电网电压都低于额定值,在用电低谷期供电电压又高于额定值,当电压高时不但影响照明设备的使用寿命,而且耗电量也大幅增加(电源电压若增加20%,则耗电量增加44%),当低谷时,照明设备又不能正常工作。
因而有必要针对上述问题开发出一种使用方便又节能的装置,它具有自动检测路灯电网电压、自动稳压并输出额定电压和过欠压报警的功能。
电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术,服务于各行各业。
当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、材料等诸多学科领域。
直流稳压电源是电子技术常用的仪器设备之一,广泛的应用于教学、科研等领域,是电子实验员、电子设计人员及电路开发部门进行实验操作和科学研究所不可缺少的电子仪器。
在电子电路中,通常都需要电压稳定的直流电源来供电。
而整个稳压过程是由电源变压器、整流、滤波、稳压等四部分组成。
然而这种传统的直流稳压电源功能简单、不好控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。
普通的直流稳压电源品种有很多,但均存在以下二个问题:
输出电压是通过粗调(波段开关)及细调(电位器)来调节。
这样,当输出电压需要精确输出,或需要再一个小范围内改变时,困难就较大。
另外,随着使用时间的增加,波段开关及电位器难免接触不良,对输出会有影响。
稳压方式均是采用串联型稳压电路,对过载限流或截流型保护,电路构成复杂,稳压精度也不高。
随着电子技术的不断发展,以单片机为核心的新一代智能型稳压电源不但电路简单,结构紧凑,价格低廉,性能卓越,而且由于单片机具有计算和控制能力,利用它对采样数据进行各种计算,从而可排除和减少由于干扰信号和模拟电路引起的误差,提高稳压电源输出电压和控制电流精度,降低了模拟电路的要求。
在家用电器和其他各类电子设备中,通常都需要电压稳定的直流电源供电。
但在实际生活中,都是由220V的交流电网供电。
这就需要通过变压、整流、滤波、稳压电路将交流电转换成稳定的直流电。
滤波器用于滤去整流输出电压中的纹波,一般传统电路由滤波扼流圈和电容器组成,若由晶体管滤波器来替代,则可缩小直流电源的体积,减轻其重量,且晶体管滤波器直流电源不需直流稳压器就能用作家用电器的电源,这既降低了家用电器的成本,又缩小了其体积,使家用电器小型化。
传统的直流稳压电源通常采用电位器和波段开关来实现电压的调节,并由电压表指示电压值的大小。
因此,电压的调整精度不高,读数欠直观,电位器也容易磨损。
而基于单片机控制的直流稳压电源能较好地解决以上传统稳压电源的不足。
基于单片机的路灯稳压控制系统,它由单片机控制无触点开关(BCR)调节变压器绕组组合,实现输出电压的稳定,具有高效、节能、省财、调节快速、重量轻及体积小等特点。
1.2国内外研究状况
在我国,以电力电子学为核心技术的电源产业,从二十世纪60年代中期开始形成,到了90年代以来,电源产业进入快速发展时期。
一方面,电源产业规模的发展在加快;另一方面,在国家自然科学基金的资助下或创新意识指导下,我国电力电子技术的研究从吸收消化和一般跟踪发展到前沿跟踪和基础创新,电源产业界涌现了一些技术难度较大,具有国际先进水平的产品,而且还产生了一大批具有代表性的研究成果和产品;目前国内还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究或基础创新研究。
但是我国电源产业与发达国家相比,存在着很大的差距和不足:
在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、先进检测设备、智能化、网络化、持续创新能力等方面的差距为10-15年。
目前我国市场上有多种路灯节能控制产品,能达到一定节能效果,但就功能和效果上还不能尽如人意,主要由以下几类情况:
近20年来,美国和日本照明节能集中在使用紧凑型荧光灯(CFL)和荧光灯采用镇流器两个方面。
国外照明节能技术的发展具有以下特点。
(1)大力推动绿色照明,在光源的材料,使用规范上加以有效管理,出台了一系列的标准和管理要求,将照明节能推广到全民范围;
(2)不断提高功率器件性能要求,主要体现在镇流装置上技术提高。
通过对镇流器技术改进来提高照明设备的功率因素。
采用自祸变压器及磁饱和电抗器的降压技术。
其不足是由于反应速度较慢,用电高峰时电压降到非稳定区,容易造成灯光闪灭,不能自动调节,同时如果电压突然升高,则不能避免灯具受到市电的瞬时高压冲击,对灯具的保护能力较差;相对来说稳压功能较差。
针对于磁饱和电抗器来说,除了上述不足外,其效率也普遍偏低。
采用电气器件构成的可控硅式设备。
该设备主要采取简单的相控技术,不足之处是元件容易发热烧坏,由于采用相控技术产生谐波污染电网,使荧光灯和气体灯小停闪动,减损灯具寿命及相关附件的使用寿命,降低照明质量,不绿化不环保,国家相关规定已经明确禁止使用这种无功补偿技术设备,以系统节电滤波形式,主要是净化电网,补充无功功率,补偿电网,而对于有功电度表计量系统,缺少实际节电效果。
如今随着直流电源技术的飞跃发展,整流系统由以前的分立元件和集成电路控制发展为微机控制,从而使直流电源智能化,具有遥测、遥信、遥控的三遥功能,基本实现了直流电源的无人值守。
并且,在当今科技快速发展过程中,模块化是直流电源的发展趋势,并联运行室电源产品大容量化地一个有效手段,可以通过设计N+1冗余电源系统,实现容量扩展,提高电源系统的可靠性、可用性,缩短维修、维护时间。
电流模块电源采用电流型控制模式,集中式散热技术,实时多人物监控,具有高效、高可靠、超低辐射,维护快捷等优点,机箱结构紧凑,防腐与散热也作了多方面的加强。
它的应用将会克服大功率电源的制造、运输及维修等困难。
而且和传统可控硅电源相比节电20%-30%节能优势,奠定了它将是未来大功率直流电源的首选。
2单片机技术简介
2.1单片机的定义
单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。
尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上,但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件:
CPU、内存、内部和外部总线系统,目前大部分还会具有外存。
同时集成诸如通讯接口、定时器,实时时钟等外围设备。
而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。
单片机也被称为微控制器(Microcontroller),是因为它最早被用在工业控制领域。
单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。
最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中,使计算机系统更小,更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。
INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器,从此以后,单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。
早期的单片机都是8位或4位的。
其中最成功的是INTEL的8031,因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。
此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。
基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。
随着工业控制领域要求的提高,开始出现了16位单片机,但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。
90年代后随着消费电子产品大发展,单片机技术得到了巨大的提高。
随着INTELi960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用,32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位,并且进入主流市场。
而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高,处理能力比起80年代提高了数百倍。
目前,高端的32位单片机主频已经超过300MHz,性能直追90年代中期的专用处理器当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用,大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。
而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。
单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统,因此它得到了最多的应用。
事实上单片机是世界上数量最多的计算机。
现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。
手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。
而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。
汽车上一般配备40多部单片机,复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作!
2.2单片机的发展史
单片机诞生于20世纪70年代末,经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。
(1)SCM即单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer)阶段,主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。
“创新模式”获得成功,奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。
在开创嵌入式系统独立发展道路上,Intel公司功不可没。
(2)MCU即微控制器(MicroControllerUnit)阶段,主要的技术发展方向是:
不断扩展满足嵌入式应用时,对象系统要求的各种外围电路与接口电路,突显其对象的智能化控制能力。
它所涉及的领域都与对象系统相关,因此,发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。
从这一角度来看,Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。
在发展MCU方面,最著名的厂家当数Philips公司。
Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势,将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。
因此,当我们回顾嵌入式系统发展道路时,不要忘记Intel和Philips的历史功绩。
(3)单片机是嵌入式系统的独立发展之路,向MCU阶段发展的重要因素,就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决;因此,专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。
随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展,基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。
因此,对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。
2.3单片机的应用领域
目前单片机渗透到我们生活的各个领域,几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置,飞机上各种仪表的控制,计算机的网络通讯与数据传输,工业自动化过程的实时控制和数据处理,广泛使用的各种智能IC卡,民用豪华轿车的安全保障系统,录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制,以及程控玩具、电子宠物等等,这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。
因此,单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。
单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域,大致可分如下几个范畴:
(1)在智能仪器仪表上的应用
单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点,广泛应用于仪器仪表中,结合不同类型的传感器,可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。
采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化,且功能比起采用电子或数字电路更加强大。
例如精密的测量设备(功率计,示波器,各种分析仪)。
(2)在工业控制中的应用
用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。
例如工厂流水线的智能化管理,电梯智能化控制、各种报警系统,与计算机联网构成二级控制系统等。
(3)在家用电器中的应用
可以这样说,现在的家用电器基本上都采用了单片机控制,从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备,五花八门,无所不在。
(4)在计算机网络和通信领域中的应用
现代的单片机普遍具备通信接口,可以很方便地与计算机进行数据通信,为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件,现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制,从手机,电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话,集群移动通信,无线电对讲机等。
(5)单片机在医用设备领域中的应用
单片机在医用设备中的用途亦相当广泛,例如医用呼吸机,各种分析仪,监护仪,超声诊断设备及病床呼叫系统等等。
(6)在各种大型电器中的模块化应用
某些专用单片机设计用于实现特定功能,从而在各种电路中进行模块化应用,而不要求使用人员了解其内部结构。
如音乐集成单片机,看似简单的功能,微缩在纯电子芯片中(有别于磁带机的原理),就需要复杂的类似于计算机的原理。
如:
音乐信号以数字的形式存于存储器中(类似于ROM),由微控制器读出,转化为模拟音乐电信号(类似于声卡)。
在大型电路中,这种模块化应用极大地缩小了体积,简化了电路,降低了损坏、错误率,也方便于更换。
此外,单片机在工商,金融,科研、教育,国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。
3系统稳压原理及主电路结构
3.1单片机选择
单片机采用AT89C51。
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
3.1.1主要性能
(1)与MCS-51兼容;
(2)4K字节可编程闪烁存储器;
(3)寿命:
1000写/擦循环;
(4)数据保留时间:
10年;
(5)全静态工作:
0Hz-24Hz;
(6)三级程序存储器锁定;
(7)128*8位内部RAM;
(8)32可编程I/O线;
(9)两个16位定时器/计数器;
(10)5个中断源;
(11)可编程串行通道;
(12)低功耗的闲置和掉电模式;
(13)片内振荡器和时钟电路;
图3-1AT89C51引脚图
3.1.2管脚说明
AT89C51引脚图如图3-1所示;
VCC:
供电电压;
GND:
接地;
P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
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:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下表所示:
口管脚备选功能;
P3.0RXD(串行输入口);
P3.1TXD(串行输出口);
P3.2/INT0(外部中断0);
P3.3/INT1(外部中断1);
P3.4T0(记时器0外部输入);
P3.5T1(记时器1外部输入);
P3.6/WR(外部数据存储器写选通);
P3.7/RD(外部数据存储器读选通);
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号;
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间;
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效;
/PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现;
/EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP);
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入;
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
3.1.3振荡器特性
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
3.1.4芯片擦除
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合,并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中,代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前,该操作必须被执行。
此外,AT89C51设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑,支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下,CPU停止工作。
但RAM,定时器,计数器,串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下,保存RAM的内容并且冻结振荡器,禁止所用其他芯片功能,直到下一个硬件复位为止。
3.2稳压原理
交流调压方式有多种,常见的有自耦变压器调压方式、调相方式、磁饱和稳压方式等。
这几种方式均无法满足路灯节能装置的功能要求,自耦变压器方式在大电流供电时,由于其碳刷的限制,不能满足要求;而调相方式存在着波形畸变,即对电网有干扰,又对一些新型照明设备有干扰,无法满足要求;磁饱和方式
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