【正文】 .. 34 附錄 A ................................................................................................................ 35 附錄 B ................................................................................................................ 41 附錄 C ................................................................................................................ 46 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 第 1章 緒論 課題背景 課題研究的背景 城市路燈的功能日益突出。特別是改革開放以來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的逐步發(fā)展，城市道路建設(shè)的發(fā)展速度的逐步提高，社會(huì)和人民群眾對(duì)亮燈率和城市形象要求越來越高。為了適應(yīng)這 — 發(fā)展的需要，提高 城市道路照明的管理水平，就必須加快城市道路照明的科技進(jìn)步和現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程 [1]，用現(xiàn)代化的智能路燈系統(tǒng)來替代原來較為落后、繁瑣的路燈運(yùn)行方式，將有限的人力和機(jī)構(gòu)節(jié)約下來，得以發(fā)揮其應(yīng)有的作用，創(chuàng)造更好的社會(huì)效益和更多的經(jīng)濟(jì)效益。另外城市電力供應(yīng)的日趨緊張，對(duì)城市公共照明節(jié)電尤其是道路照明節(jié)電提出了要求。道路照明的安全和節(jié)能問題已經(jīng)引起了照明科技領(lǐng)域眾多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的高度重視 [2]。有的地方在后半夜采取“亮 — 隔 — ”或“亮 — 隔二”的節(jié)電措施，此種方式雖然節(jié)約了 電費(fèi)支出，卻帶來了社會(huì)治安和交通安全問題，不利于城市形象。但是，由于后半夜是用電低谷期，電力系統(tǒng)電壓升高，路燈反而比白天更亮了。目前，路燈照明廣泛使用高壓鈉燈，其設(shè)計(jì)壽命在 120xx 小時(shí)以上，在正常情況下至少可用 3 年，但是由于超壓使用，現(xiàn)在路燈燈泡的實(shí)際壽命只有 1 年左右，有的甚至只有幾個(gè)月，造成維護(hù)和材料的浪費(fèi)極大。隨著城市市政建設(shè)日新月異，寬闊的街道，各種各樣的路燈給城市帶來了光明的同時(shí)也增添了城市夜間的魅力。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 而自高亮度白光 LED 問世后，在照明應(yīng)用上受到重視，它具有發(fā)光效率高節(jié)電效果好，并且無污染、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。 LED 可以通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制， 特別是自適應(yīng)型 LED 路燈控制系統(tǒng)可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)白天光線較暗和晚上遇到聲 響時(shí)，路燈自動(dòng)點(diǎn)亮，從而實(shí)現(xiàn)人來燈亮，人走燈滅，還可以在點(diǎn)亮自動(dòng)調(diào)節(jié)光的亮度，既方便又實(shí)用。 自適應(yīng)控制的道路照明系統(tǒng)為我們帶來了全新的照明控制概念 [5]。 2. 提高城市路燈管理水平，在改善城市道路照明質(zhì)量的同時(shí)，還可以節(jié)省人力物力。 4. 提高了城市基礎(chǔ)設(shè)施管理水平，有利于提高城市形象。 本文研究的自適應(yīng) LED 路燈控制器是在路燈的啟停和運(yùn)行過程中，通過不同的照明控制策略來調(diào)節(jié) LED 路燈的輸出脈沖寬度，控制 LED 路燈的照明亮度，從而改變了其在不同時(shí)段的耗電量，達(dá)到了節(jié)約電能的目的。德國(guó)生產(chǎn)的 STECA 太陽能路燈控制器，有 12V 和 24V 兩種，可以自動(dòng)識(shí)別，可滿足絕大多數(shù)太陽能照明系統(tǒng)使用，它采用脈沖調(diào)制技術(shù)，不僅能有效的保護(hù)蓄電池，防止過充電現(xiàn)象的發(fā)生。德國(guó) STECA 太陽能路燈控制 器具有的獨(dú)特功能 ,主要特點(diǎn)是： PWM 脈寬調(diào)制充電方式、自動(dòng)識(shí)別 12V／ 24V 系統(tǒng)、 PWM 充電電路（智能三階段充電）、 SOC，自動(dòng)學(xué)習(xí)功能 STATEOFCHARGE 算法等特點(diǎn)。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 國(guó)外照明節(jié)能技術(shù)的發(fā)展具有以下特點(diǎn) :。 2． 不斷提高功率器件性能要求，主要體現(xiàn)在鎮(zhèn)流裝置上技術(shù)提高。 3． 積極 推廣節(jié)能獎(jiǎng)勵(lì)政策，鼓勵(lì)民眾節(jié)能，節(jié)電，建立了完善有效的獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制。據(jù)官方統(tǒng)計(jì)，北京奧運(yùn)會(huì)總共包括 36 個(gè)比賽場(chǎng)館，其照明產(chǎn)品需求就達(dá) 5億元左右，這還不包括奧運(yùn)村、奧運(yùn)花園等其他公共照明設(shè)施市場(chǎng)。以“水立方”為例，僅使用 LED 燈的“水立方”景觀照明工程，預(yù)計(jì)全年可比傳統(tǒng)的熒光燈節(jié)電 萬度，節(jié)能達(dá) 70%以上。 全國(guó)各地積極推進(jìn) LED 節(jié)能照明，我國(guó)南方部分政府和企業(yè)都已經(jīng)紛紛大力推廣 LED 路燈用作道路照明。此次活動(dòng)將作為“ 6 東莞勤上光電股份有限公司作為東莞 LED 行業(yè)的龍頭企業(yè) ，大功率 LED節(jié)能路燈就是勤上光電眾多產(chǎn)品中的“拳頭”產(chǎn)品之 — 。節(jié)能也是這 — 產(chǎn)品的顯著特點(diǎn)，由于采用了非成像二次光學(xué)設(shè)計(jì)系統(tǒng)、電路驅(qū)動(dòng)等先進(jìn)系統(tǒng)和材料，其相較傳統(tǒng)的高壓納燈節(jié)能60%以上，還具備著穩(wěn)定和光衰小、無污染的特點(diǎn)。 重慶推廣照明節(jié)能控制器調(diào)節(jié)路燈明暗可 節(jié)能 30%。目前多家科技公司正在我市推行智能型照明節(jié)電控制器器試點(diǎn)工作，通過改變電壓控制燈光明暗，為主城道路公共照明設(shè)施節(jié)能。智能型照明節(jié)電器可通過電腦對(duì)控制器進(jìn)行設(shè)定，從而根據(jù)天色的明暗自動(dòng)調(diào)節(jié)燈光。根據(jù)不同路段實(shí)際情況， — 臺(tái)節(jié)能控制器能控制約 —千盞路燈，將節(jié)能 30%左右。但是，碰到陰天和雨、雪、霧的天氣，有時(shí)天已經(jīng)很黑了，路燈卻沒有亮。 大連市采用大連現(xiàn)代高技術(shù)發(fā)展公司研制的城市路燈監(jiān)控管理系統(tǒng)，其基本功能是通過光控和時(shí)控技術(shù)對(duì)接觸器進(jìn)行控制，可檢測(cè)到每條路段的亮燈率[9]，可有效控制全夜或半夜燈，可對(duì)供電變壓器 (電流或電壓 )線路短或開路等事件及時(shí)報(bào)警。目前， 大功率 LED 照明技術(shù)日趨成熟， 大功率 LED 光源功效已經(jīng)達(dá)到 120 lm/W，城市 LED 路燈 照明 節(jié)能改造成為發(fā)展趨勢(shì)。 就以路燈為主的 大功率 LED 產(chǎn)品市場(chǎng)而言，已經(jīng)有部分 LED 企業(yè)在 20xx 年下半年研發(fā)成功 LED 路燈 產(chǎn)品，并逐步推向市場(chǎng)，替代原有傳統(tǒng)的 路燈 產(chǎn)品。據(jù) 20xx 年國(guó)家 路燈 行業(yè)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)城市道路 照明 共有 1500 萬只以上的路燈 ，近幾年的增長(zhǎng)率在 20%以上。表 12 是傳統(tǒng)路燈與 LED 路燈五年總體費(fèi)用的比較。 近年來，國(guó)家半導(dǎo)體 照明 工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟針對(duì) LED 城市道路 照明 做了大量的調(diào)研工作，了解行業(yè)技術(shù)發(fā)展的新成果和市場(chǎng)發(fā)展新走向。日前，聯(lián)盟參加了蘇州“ 20xx 中國(guó)道路 照明 論壇”，論壇以“道路 照明 節(jié)能應(yīng)用技術(shù)”為主題，近 200 多名國(guó)內(nèi)道路建設(shè)單位的代表和道路 照明 的專家學(xué)者參會(huì)， LED 光源在道路 照明 中的應(yīng)用成為本次會(huì)議的熱點(diǎn)議題。 盡管我國(guó)的 LED 道路 照明 已經(jīng)取得相當(dāng)大的進(jìn)展，但是仍存在著一些問題亟待解決。 但是由于 LED 是半導(dǎo)體器件，采用直流電、低電壓、低電流，不用逆變器和調(diào)壓變壓系統(tǒng)，是節(jié)能、低損耗、科學(xué)合理的 照明 系統(tǒng)。 未來 LED 產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展還須大力進(jìn)行新產(chǎn)品研發(fā)，加強(qiáng)企業(yè)自主創(chuàng)新能力，形成整體競(jìng)爭(zhēng)力，相信在國(guó)家政策的大力推動(dòng)下，我國(guó) LED 生產(chǎn)企業(yè)和LED 路燈 產(chǎn)業(yè)必定會(huì)勢(shì)蓬勃發(fā)展。在對(duì)大功率 LED、單片機(jī) 80C51 及路燈控制器等進(jìn)行詳細(xì)的了解后，討論自適應(yīng)路燈控制系統(tǒng)的構(gòu)思、設(shè)計(jì)方案，研究該裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工作原理，分析以80C51 單片機(jī)為主控單元的硬件電路，對(duì)電路的主程序進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)，采用了時(shí)間控制，環(huán)境參數(shù)控制以及手動(dòng)控制相結(jié)合的控制策略。 MCS51 系列 單片機(jī)無 PWM 輸出功能，所以采用定時(shí)器配合軟件的方法共同實(shí)現(xiàn)。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 第 2章 路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ) 自適應(yīng)控制 所謂適應(yīng)性，是指系統(tǒng)能夠靈活的配置，根據(jù)環(huán)境和用戶的要求改變系統(tǒng)的大小，適應(yīng)不同的需要，而且這種變化不需要重新開發(fā)或修改軟件程序。 在日常生活中，所謂自適應(yīng)是指生物能改變自己的習(xí)性以適應(yīng)新的環(huán)境的一種特征。 自適應(yīng)控制的研究對(duì)象是具有一定程度不確定性的系統(tǒng)，這里所謂的“不確定性”是指描述被控對(duì)象及其環(huán)境的數(shù)學(xué)模型不是完全確定的，其中包含一些未知因素和隨機(jī)因素。從系統(tǒng)內(nèi)部來講，描述被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，設(shè)計(jì)者事先并不一定能準(zhǔn)確知道。這些擾動(dòng)通常是不可預(yù)測(cè)的。面對(duì)這些客觀存在的各式各樣的不確定性，如何設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)目刂谱饔?，使得某一指定的性能指?biāo)達(dá)到并保持最優(yōu)或者近似最優(yōu)，這就是自適應(yīng)控制所要研究解決的問題。具體地說，可以依據(jù)對(duì)象的輸入輸出數(shù)據(jù)，不斷地辨識(shí)模型參數(shù)，這個(gè)過程稱為系統(tǒng)的在線辯識(shí)。既然模型在不斷的改進(jìn)，顯然，基于這種模型綜合出來的控制作用也將隨之不斷的改進(jìn)。比如說，當(dāng)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段，由于對(duì)象特性的初始信息比較缺乏，系統(tǒng)在剛開始投入運(yùn)行時(shí)可能性能不理想，但是只要經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，通過在線辯識(shí)和控制以后，控制系統(tǒng)逐漸適應(yīng)，最終將自身調(diào)整到一個(gè)滿意的工作狀態(tài)。 常規(guī)的反饋控制系統(tǒng)對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)部特性 的變化和外部擾動(dòng)的影響都具有一定的抑制能力，但是由于控制器參數(shù)是固定的，所以當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部特性變化或者外部擾動(dòng)的變化幅度很大時(shí)，系統(tǒng)的性能常常會(huì)大幅度下降，甚至是不穩(wěn)定。但是同時(shí)也應(yīng)當(dāng)指出，自適應(yīng)控制比常規(guī)反饋控制要復(fù)雜的多，成本也高的多，因此只是在用常規(guī)反饋達(dá)不到所期望的性能時(shí)，才會(huì)考慮采用。 LED 的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的 晶片 ，晶片的一端附在一個(gè)支架上，一端是負(fù) 極，另一端連接電源的正極，使整個(gè)晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個(gè)晶片的時(shí)候，電子和空穴就會(huì)被推向量子阱，在量子阱內(nèi)電子跟空穴復(fù)合，然后就會(huì)以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED 發(fā)光的原理。 LED 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 21 所示。 1． 體積小。 2． 耗電量低。工作電流是 。 3． 使用壽命長(zhǎng)。 4． 高亮度、低熱量。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 5． 環(huán)保。紅光 LED 含有大量的 As（砷），劇毒 6． 堅(jiān)固耐用。燈體內(nèi)也沒有松動(dòng)的部分，這些特點(diǎn)使得 LED 可以說是不易損壞的?？梢詫?shí)現(xiàn)各種顏色的變化。 2． 效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少 80% 3． 適用性：很小，每個(gè)單元 LED小片是 35mm的正方形，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環(huán)境 4． 穩(wěn)定性： 10萬小時(shí)，光衰為初始的 50% 5． 響應(yīng)時(shí)間：其白熾燈的響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)， LED燈的響應(yīng)時(shí)間為納秒級(jí) 6． 對(duì)環(huán)境污染：無有害金屬汞 7． 顏色：改變電流可以變色，發(fā)光二極管方便地通過化學(xué)修飾方法，調(diào)整材料的能帶結(jié)構(gòu)和帶隙，實(shí)現(xiàn)紅黃綠蘭橙多色發(fā)光。另外，有的發(fā)光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。散射型發(fā)光二極管和達(dá)于做指示燈用。圓形燈按直徑分為 φ2mm、 、 φ5mm、 φ8mm、 φ10mm 及φ20mm 等。 由半值角大小可以估計(jì)圓形發(fā)光強(qiáng)度角分布情況。 按發(fā)光強(qiáng)度和工作電流分 按發(fā)光強(qiáng)度和工作電流分有普通亮度的 LED（發(fā)光強(qiáng)度 100mcd）；把發(fā)光 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 強(qiáng)度在 10～ 100mcd 間的叫高亮度發(fā)光二極管。 除上述分類方法外，還有按芯片材料分類及按功能分類的方法。基本上我們以 1W 的為主。大功率 LED路燈與常規(guī)高壓鈉燈路燈不同的是，大功率 LED路燈的光源采 用低壓直流供電、由 GaN基功率型藍(lán)光 LED與黃色熒光粉合成的高效白光二極管，具有高效、安全、節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快、顯色指數(shù)高等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于城市道路照明。與傳統(tǒng)路燈照明相比， LED路燈具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1． LED路燈本身的特性 ——光的單向性， 沒有光的漫射，保證光照效率； 2． LED路燈有獨(dú)特的二次光學(xué)設(shè)計(jì)，將 LED路燈的光照射到所需照明的區(qū)域，進(jìn)一步提高了光照效率，以達(dá)到節(jié)能目的； 3． LED的光源效率目前已達(dá) 100lm/W，而且還有很大的發(fā)展空間，理論值達(dá) 250lm/W。 綜合上述原理，大功率 LED 路燈的節(jié)能效果顯著，代替高壓鈉燈可節(jié)電60%以上 [12]。 80C51 系列單片機(jī)采用雙列直插式（ DIP）、 QFP44（ quad flat pack）和 LCC(leaded chip carrier)形式封裝。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i onS iz eBD a t e : 21 J u n 20 0 9 S h e e t of F il e : E : \工程文件 \ P r ot e l 9 9 S E \ M y D e si gn .d d b D r a w n B y:E A / V P31X119X218R E S E T9RD17WR16I N T 012I N T 113T014T115P 101P 112P 123P 134P 145P 156P 167P 178P 0039P 0138P 0237P 0336P 0435P 0534P 0633P 0732P 2021P 2122P 2223P 2324P 2425P 2526