基于X1227S8I的路燈節(jié)電控制器系統(tǒng)設(shè)計

1 引言

　　隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，人民生活水平的日益提高，電力短缺問題尤顯突出，已逐漸成為制約經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸。路燈照明占城市用電量較大。為了節(jié)約城市用電，一般采用路燈節(jié)電控制器。它是利用不同時段的電壓波動，在保證照度標準和照明質(zhì)量的前提下，采用降壓方法力求減少照明系統(tǒng)中的能量損失，最有效地利用電能。一般系統(tǒng)大都采用單片機內(nèi)部計時方式進行軟件定時，但需要采用計數(shù)器，這不僅占用硬件資源，而且不具有實時時鐘，只能進行簡單控制，節(jié)電效果也不能實現(xiàn)最大化。而采用X1227S8I可以解決系統(tǒng)的實時時鐘，還可實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的掉電保存。利用X1227S8I作為核心器件并與單片機技術(shù)相結(jié)合，可以實現(xiàn)按日出、日落時間自動開啟路燈，以致最大程度地縮短路燈的開關(guān)時間，獲取最大的節(jié)電效果。

2 X1227S8I簡介

　　X1227S8I是一款帶有時鐘、日歷、CPU監(jiān)控電路和兩路查詢報警的實時時鐘(RTC)，它采用低成本的32.768 kHz晶體作為輸入，可精密到秒、分鐘、小時、日期、星期、月、來顯示時間，并能自動調(diào)整閏年至2096年。X1227S8I還提供一個備用電源的輸入引腳(VBACK)，該引腳可使器件采用不可充電的電池作為備用電源。X1227S8I具有一個4 K位的EEPROM陣列，可保存系統(tǒng)配置參數(shù)，并具有安全、保密性。該存儲器在主電源和備用電源全都失效時不受影響。另外，X1227S8I還具有2.7～5.5 V單電源；其工作溫度范圍為-40℃～+85℃；采用小型8引腳SOIC封裝等特點。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1系統(tǒng)設(shè)計依據(jù)

　　由于氣體放電燈消耗的功率取決于輸入電壓，根據(jù)高壓鈉燈的工作特性隨電源電壓的變化規(guī)律，當工作電壓上升至額定電壓的106％時，鈉燈的功耗將上升至額定功率的115％；當工作電壓上升至額定電壓的110％時，鈉燈的功耗將上升至額定功率的130％。若以額定功率為400 W的鈉燈為例，當電源電壓上升至額定電壓的108％時，燈泡的功耗將上至480 W，這將造成用電量的大幅度上升。 由于設(shè)計道路亮度時已考慮了正常的亮度需要，所以不應以降低亮度來節(jié)約電能消耗，但考慮到后半夜車輛人流大為減少，此時供電電壓因用電負荷減少而升高，此時采用降低供電電壓，而適當降低光源的光通量也是可行的。假設(shè)后半夜的供電電壓升高10％，此時再降低供電電壓為額定電壓的90％來運行，則光通量減少為額定值的70％，而消耗功率可減少55％。

　　路燈照明節(jié)能的基本原則應以保證不降低場所的視覺要求為原則，在保證亮度標準和照明質(zhì)量的前提下，依據(jù)路燈電壓與功率的非線性關(guān)系，力求減少照明系統(tǒng)中的能量損失，最有效地利用電能。系統(tǒng)采用降壓調(diào)功節(jié)電，即利用時控自動投切及跟壓調(diào)功等技術(shù)，自動跟蹤電網(wǎng)電壓，自動調(diào)節(jié)照明功率，實現(xiàn)對燈具自動、準確地開關(guān)及電壓和照度輸出的智能化模糊調(diào)節(jié)，解決了光控自動投切方式的干擾。智能化地調(diào)整路燈的實際供電電源，使輸出電壓相對穩(wěn)定，保證燈具的輸入功率與實際照度要求達到最佳匹配，從而實現(xiàn)了高效節(jié)電，使其節(jié)電率達15％～38％，且延長了燈具的使用壽命。

3.2系統(tǒng)框圖

　　圖1為系統(tǒng)設(shè)計框圖。其系統(tǒng)硬件主要由處理器(CPU)時鐘電路、顯示鍵盤電路、電流電壓信號處理電路、通訊接口電路、電源自動切換電壓穩(wěn)定輸出控制電路等5部分組成。其中，時鐘電路負責提供鐘，保存系統(tǒng)配置參數(shù)；顯示鍵盤電路負責完成參數(shù)的設(shè)置和顯示；電流電壓信號處理電路用于完成三相電流、電壓的測量信號處理轉(zhuǎn)換；通訊接口電路負責完成系統(tǒng)升級，并采用GPRS通訊方式遠程控制，實時監(jiān)測三相電壓、電流，以及設(shè)置遠程開燈、關(guān)燈控制參數(shù)等，以減輕路燈管理員的勞動強度，實現(xiàn)城市照明管理的現(xiàn)代化；電源自動切換電壓穩(wěn)定輸出控制電路用于完成節(jié)電方案中電壓的分段調(diào)節(jié)控制。

3.3時鐘、參數(shù)存儲器電路

　　圖2示出X1227S8I應用電路。由于P89V51RD2復位引腳RESET與X1227S8I輸出復位RESET的電平不同，所以采用74HC02轉(zhuǎn)換電平。X1227S8I的VBACK接一個3 V鋰電池，VCC電源失效時可為器件提供電源，以保證實時時鐘準確。X1227S8I中SCL串行時鐘輸入端用來對所有輸入和輸出器件的數(shù)據(jù)進行計時。串行數(shù)據(jù)端(SDA)是一個雙向引腳，用于向器件輸入或輸出數(shù)據(jù)。漏極開路輸出需要使用上拉電阻輸出。

　　單片機采用Philips公司生產(chǎn)的一款P89V51RD2型80C51微控制器。它的主要特點是包含有64 KB的非易失性Flash程序存儲器和1 024字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM存儲器。前者支持并行和串行在系統(tǒng)編程(ISP)，屬低EMI方式(ALE禁能)；具有4個8位I／O端口，3個高電流P1端口(每個I／O端口的電流為16 mA)，可兼容TTL和CMOS邏輯電平。該微控制器性價比高，可簡化整個系統(tǒng)電路，降低系統(tǒng)成本，通過串行接口通訊方式既可完成系統(tǒng)升級，也可實現(xiàn)遠程控制系統(tǒng)。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1存儲器地址分配

　　X1227S8I器件中存儲器地址0x35～0x30用于定義年、月、日、時、分、秒。地址0x3f為狀態(tài)寄存器(SR)，用來控制寫使能鎖存(WEL)和寄存器寫使能鎖存(RWEL)的寫使能鎖存。地址0x80～0x93為自定義的3種工作方式，方式1為整夜工作，它根據(jù)經(jīng)緯度自動計算太陽日出和日落時間，完全由日出和日落時刻控制開關(guān)；方式2為半夜工作，在日落時刻開，用戶定時關(guān)；方式3為自設(shè)工作，用戶可自設(shè)定開和關(guān)時刻、節(jié)電方案(正常、夜燈、半夜燈)、開燈時間、夜燈時間、半夜燈時間、關(guān)燈時間、經(jīng)度、緯度、偏差及電壓波動偏差。其中，節(jié)電方案有3種不同大小的降壓檔。經(jīng)度和緯度用于計算日出和日落時間。由于大氣層的散射作用，日落時，天還未完全黑，還要持續(xù)一段時間，因此需要對日落時間進行修正，以最大程度地降低路燈的電力損耗。偏差用于調(diào)節(jié)開關(guān)燈的早晚。當偏差為±5為正時，數(shù)字越大，開燈越晚，關(guān)燈越早；當偏差為負時，數(shù)字越大，開燈越早，關(guān)燈越晚；當偏差為零時，則為標準日出日落時刻(俗稱黃昏)。偏差每一級日出時刻和日落時刻相差大約5 min。電壓波動偏差用于自動調(diào)節(jié)電壓與設(shè)定值的偏差。

4.2程序設(shè)計流程圖

　　圖3給出系統(tǒng)主程序流程圖。它采用C語言編程。圖4給出節(jié)電檔位控制流程圖。圖中，t為當前時間，t1為開燈時間，t2為夜燈時間，t3為半夜燈時間，t4為關(guān)燈時間，tf為工作狀態(tài)標志，用以防止同一檔位重復調(diào)節(jié)。圖5給出通訊接口流程圖，通訊采用中斷方式。

5結(jié)語

　　由于路燈節(jié)電控制器系統(tǒng)采用了X1227S8I時鐘器件，軟件定時占用CPU硬件資源大大減少；使用I2C總線，占用接口資源也大大減少，系統(tǒng)成本低，定時準確，不受系統(tǒng)掉電影響，穩(wěn)定可靠；系統(tǒng)可根據(jù)實時時鐘利用日出和日落時間自動開啟路燈，從而最大程度地縮短路燈的開關(guān)時間，使系統(tǒng)更智能化，節(jié)電效果更理想。