基於ATmega8的路燈節能控制系統設計

本文設計了一套基於AVR單片機的路燈節電控制系統。該系統根據日出日落的規律、不同的時間段的照明要求和電網電壓波動情況自動控制路燈節電運行，自動選擇輕度、中度、深度節電、光控和旁路運行模式，從而使路燈輸入功率與實際照明度要求達到最佳匹配，實現路燈節能的目的，體現了TPO的照明新概念。運行結果表明：基於ATmega8所研製的路燈節能控制系統設計合理、運行可靠、節電效果明顯。

本文介紹的路燈節能控制系統，將高性能AVR單片機應用于路燈智慧控制系統中，使路燈輸入功率與實際照明度要求達到最佳匹配，

從而達到有效、合理地節約電能的目的。

路燈節能控制原理

我國市電電網電壓有一定的波動範圍，而在夜間用電低峰時，電壓經常會升至240V～260V以上，過高的電壓不僅浪費電能，同時也會降低路燈的使用壽命。此外，在後半夜人類活動減少，可適當降低照明功率。針對電網電壓的波動特點和不同時間段對照明的需求，通過對路燈電壓、電流以及運行參數的動態監測，對監測資料進行智慧化處理，從兩個方面對路燈進行節能控制：即分時控制和智慧控制。

1 分時控制

採用串列時鐘晶片DS1302向路燈控制系統提供系統時鐘並記錄系統相關運行參數，根據不同地區、不同季節對路燈照明度的不同要求來設定節電時間段，

並根據電網電壓的變化，實現路燈的節能控制。

根據當地日出日落的時間，串列時鐘晶片DS1302的時鐘信號控制開、關路燈。大致按三個階段對路燈進行控制，比如：輕度節電時間段（天黑～20：00），中度節時間段（21：00～23：00）和深度節時間段（23：00～天亮）。輕度節時間段，為保證足夠的照明度，路燈應工作在最佳狀態，此時路燈的工作電壓應為其額定電壓的93％（即205V）。中度和深度節電期則分別將路燈工作電壓控制在額定電壓的88％（即195V）和80％（即185V）。

2 智慧控制

一般情況下，路燈的分時控制可以取得不錯的節電效果。但由於電網電壓還會隨著負載的變化而產生波動。因此對電網電壓進行即時監控，與分時控制結合起來，從而達到更好的節電效果。其設計思想如下：

在輕度節電時間段，應保證有足夠的照明度。正常情況下，路燈應該投入輕度節電運行。但如果此時電網電壓偏低(比如低於208V)，則路燈應全壓運行；如果電網電壓偏高(比如高於236V)，則路燈可以跳過輕度節電，直接進入中度節電運行。為了防止檔位的頻繁切換，當監測到電網電壓低於208V或高於236V時，應延時一段時間重新判斷後再作決定。

在中度節電時間段，要兼顧照明度和節電效果。正常情況下，路燈應該投入中度節電運行。但如果電網電壓低於205V，則路燈應全壓運行；如果電網電壓高於242V，則路燈可以直接投入深度節電運行。同樣要考慮延時的問題。

在深度節電時段，重點考慮節電效果。正常情況下，路燈應該投入深度節電運行。

只有當電網電壓過低時，路燈才會返回中度節電運行。

控制電路設計

1 ATmega8主要特點

控制電路採用美國Atmel公司2002年推出的一款新型AVR高檔單片機ATmega8。 ATmega8其內部集成了較大容量的記憶體和豐富的硬體介面電路，並且在軟體上能有效的支援C高階語言及組合語言。 ATmega8是基於增強的AVR RISC結構的低功耗8位元CMOS微控制器。

由於其先進的指令集以及單時鐘週期指令執行時間， ATmega8的資料吞吐率高達1MIPS/MHz[3,4]。其主要特點如下：

（1）高性能、低功耗的8位AVR內核。採用先進的RISC指令集結構；有130條功能強大的指令，大多數為單週期指令；內有32個8位通用工作寄存器。

（2）片內集成了較大容量的記憶體。 8K位元組的Flash和512個位元組的EEPROM；支援線上程式設計ISP和在應用程式設計IAP；帶有可程式設計的程式加密位元。

（3）豐富強大的片內外設。兩個具有獨立預分頻器8位計時器/計數器，其中之一有比較功能；一個具有預分頻器、比較功能和捕獲功能的16位計時器/計數器；3通道PWM；多路通道10/8位A/D轉換；面向位元組的兩線介面；可程式設計的串列USART；可工作於主機/從機模式的SPI介面；具有獨立片內振盪器的可程式設計看門狗計時器；片內模擬比較器。

（4）具有特殊的微控制器性能。上電復位以及可程式設計的掉電檢測；片內經過標定的RC振盪器；5種休眠模式（空閒、ADC雜訊抑制、省電、掉電和Standby模式）。

ATmega8單片機的上述技術特點，滿足路燈節電控制器的設計要求。

2 路燈自動控制系統功能框圖

本系統具有分時控制、智慧控制控、旁路控制、人機界面、遠端通訊等基本功能，系統功能框圖如圖1所示。

圖1 路燈自動控制系統功能框圖

根據分時控制與電壓監控，該控制系統具有輕度、中度和深度三個節電等級，可以選擇自動模式或手動模式，且在自動方式下光控、時控方式任選。即時檢測並顯示負載工作電壓、電流、功率以及功率因數。

為保證路燈的可靠工作，當檢測到控制系統路故障時，自動切換到旁路模式供電。在旁路控制模式下，電網經過保護開關直接對路燈進行供電。

友好的人機界面可以進行系統參數設置，系統運行狀態指示，報警指示等。採用了RS-232通信，可以將電壓、電流和有功電能上傳到附近的中央監控室，每幾分鐘刷新一次。

系統軟體設計

按照模組化設計原則，編寫了系統控制軟體，以C語言編寫代碼[5,6]，系統的主程序流程圖見圖2。

圖2 系統控制軟體主程序流程圖

結語

本文所研製的基於ATmega8單片機的路燈節電控制系統充分利用了ATmega8的高性能、低功耗和自帶EEPROM等資源，降低了系統成本；而採用C語言編制系統控制軟體提高了軟體設計的靈活性、可攜性。實現了TPO(Time/Place/Occasion)的照明設計與控制的新概念。

現場運行表明，控制系統設計合理，各功能運行正常，節電效果明顯，對其它照明節電系統設計具有一定的參考價值。

（摘編自《電氣技術》，原文標題為“基於ATmega8的路燈節能控制系統設計”，作者為林成武、宋同富、程利民、屈年鶴。）

系統功能框圖如圖1所示。