新型智能节能路灯 【技术领域】
本发明涉及一种新型智能节能路灯。
背景技术
目前的城市照明路灯一般采用高压钠灯和金卤灯，在同等照明要求上，其耗电量要比节能灯至少高出60％；且目前城市道路照明普遍照度偏高，照明功率受电网电压影响很大，会呈现上半夜暗下半夜过亮的情况，即增加了路灯照明的耗电，也削弱了道路两侧景观照明的效果；同时在启动时很大的电流冲击和功率控制方面的薄弱也缩减了灯的使用寿命；在控制调节方面还存在很多缺陷和漏洞，其亮度控制方式也无非是隔盏开灯、分时段控制、单灯补偿、更换灯效高的光源、其结果不是投资大就是以牺牲舒适度为代价都达不到理想的节能；同时传统路灯在温度低于-10摄氏度就很难正常启动，本设计采用微型电脑芯片通过软件和硬件的独特设计，达到智能调节照明和节能，并能在温度零下40摄氏度环境下能正常启动和照明的目的。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种新型智能节能路灯，该智能节能灯具备-40摄氏度低温启动、自动光亮度调节、功率因素自动调节、正弦选波驱动、故障自检、载波通讯等功能。
本发明提出的新型智能节能路灯，由节能灯灯管部件22、正弦波驱动模块23、光亮度调节功能模块24、低温启动功能模块25、功率因数控制模块26、基准电源模块27、载波通讯模块28、电流检测模块29、温度检测模块30、亮度检测模块31、电压检测模块32、声音检测模块33和单片机控制模块34组成，其中：单机片控制模块34输出端的A/D口分别连接电流检测模块29、温度检测模块30、亮度检测模块31、电压检测模块32和声音检测模块33，单片机控制模块34的输出端的I/O口分别连接正弦驱动模块23、亮度调节功能模块24，低温启动功能模块25、功率因数控制模块26和基准电源模块27，单片机控制模块34的串行通讯口连接载波通讯模块28，节能灯灯管部件22接正弦驱动模块23的倍压电路13端。
本发明中，所述单片机控制模块34包括STC12C5202AD主控芯片1、晶体管振荡器2和波形发生器3，其中：STC12C5202AD主芯片1的输入端连接晶体管振荡器2，STC12C5202AD主芯片1的输出端连接波形发生器3。工作时，由晶体管振荡器2给STC12C5202AD主芯片1一个稳定的震荡时钟信号，让STC12C5202AD主芯片1稳定工作，STC12C5202AD主芯片1通过控制波形发生器3的引脚数据编码，使波形发生器3按需要产生各种不同的波形。
本发明中，所述载波通讯模块28包括电网4、隔低频电容5、载波耦合变压器6和KA567芯片，电网4连接隔低频电容5，隔低频电容5串联载波耦合变压器6，载波耦合变压器6的输出端串联电阻、电容，并且并联单向二极管，其后端接到KA567芯片的信号输入端。
本发明中，所述亮度调节功能调节模块24包括第二继电器10、三极管及接地电阻，STC12C5202AD主控芯片1连接三极管，三极管连接第二继电器10，STC12C5202AD主控芯片1控制三极管的工作状态来控制第二继电器10的吸/合达到控灯的亮度的目的。
本发明中，所述功率因素调节模块26由整流、滤波PFC、EMC电路和调整管7构成，AC220供电网络4连接整流、滤波PFC、EMC电路，整流、滤波PFC、EMC电路连接DC220V网络中的STC12C5202AD主控芯片1，连接调整管7，调整管7两个电极连接DC220V网络。
本发明中，所述低温启动功能模块25包括第一继电器8和加热器9，STC12C5202AD主控芯片1连接三极管，三极管连接第一继电器8，第一继电器8受控制脚连接加热器9，加热器9两端连接220V交流供电点网。
本发明中，所述正弦波驱动模块23由NMOS管11、扼流圈12和倍压电路13组成，两个NMOS管11分别接STC12C5202AD主控芯片1的两个I/O引脚，扼流圈12和倍压电路13串联，作为被推动电路连接于NMOS管11与电容组成半桥驱动电路。
本发明中，所述温度检测模块30由热敏电阻14、第一抗干扰电容、第一分压电阻组成，热敏电阻14一端接5V电源并与第一分压电阻串联，第一分压电阻另一端接地，第一抗干扰电容与第一分压电阻并联，STC12C5202AD主控芯片1的A/D转换口在热敏电阻14与第一分压电阻之间连接取样。
本发明中，所述声音检测模块33由柱极话筒17和电阻组成，柱极话筒17与电阻并联，一头接地，另一头与STC12C5202AD主控芯片1的A/D口连接。
本发明中，所述电流检测模块29由取样变压器18、整流二极管19、滤波电容20和第一放电电阻组成，取样变压器18与整流二极管19、滤波电容20组成半波整流电路，主控芯片1连接整流电路的正极，第一放电电阻并联于整流电路两端。
本发明中，所述亮度检测模块31由光敏电阻15、第二分压电阻、第二抗干扰电容组成，第二分压电阻与第二抗干扰电容并联一头接地，另一头接光敏电阻15和STC12C5202AD主控芯片1的A/D转换口，光敏电阻15另一头接5V电源。
本发明中，所述电压检测模块32由第三分压电阻16、第三抗干扰电容、接地电阻组成，接地电阻与第三抗干扰电容并联一头接地，另一头接限流电阻16和STC12C5202AD主控芯片1的A/D转换口，限流电阻16的另一端接DC220V电压。
本发明中，所述基准电源模块27由基准电压源芯片21、第四抗干扰电容和第四分压电阻组成，第四抗干扰电容和基准电压源芯片21并联后与第四分压电阻连接和主控芯片1的A/D口连接。
单片机程序软件控制基本流程图如图2所示，当路灯通电后，单片机开始工作，首先进行环境温度检测，当检测到温度过低时则开启低温加热模块直到温度达到亮灯要求；确认温度达到亮灯要求后则开始软启动模块亮灯并开始计时，启动灯后每十五分钟对电压和光亮度检测，根据电压和光亮信息调节灯的功率，当到深夜人少车稀时则开深夜照明模式，在深夜照明模式中，按照不同场合不同需求对灯亮度方式进行设置，并开通对外界声音的监测和分析后亮灯，以达到节能效果和保证照明舒适性；对载波采用中断处理方式响应，当发生载波中断则进入载波中段处理模块程序，通过如图5所示电路进行调节路灯亮度。
本发明的有益效果在于：智能节能、照明舒适度高，根据电压和外界环境自动调节光照；支持电力载波通讯，可进行路灯的远程集群控制；可低温-40℃启动，可在低温环境使用；寿命高，正弦驱动和软启动功能延长灯管的寿命。
1、支持电力载波通讯
载波通讯电路如图4所示，每盏灯都采用微电脑芯片控制，通过软件与硬件的设计配合，能支持串行载波通讯，通过如图11所示的电流检测模块，可以分析判断路灯出现故障与否，通过总机监控到每盏灯的工作情况实行远程控制和集中控制。
2、正弦波驱动、软启动延长产品寿命
其电路原理图如图8所示，通过单片机控制和电路的设计，达到灯管的正弦波驱动，减缓灯管的光衰；同时通过软启动装置，延长阴极发射电极的寿命。因此我们的智能节能灯寿命较一般的节能灯有大幅度提高。
3、智能化控制功率
如图13所示通过单片机对外界供电电压的监控，随时对节能灯的功率进行调节，避免电网电压对照明功率的影响，使照明质量提高，同时达到节能目的；如图12所示通过对外界亮度的监测调节灯的输出功率，使照明亮度适宜；并通过对环境声音监测，对深夜路灯的开启和亮度进行调节。因此在功率输出的控制方面，我们优化照明质量并且进一步达到节能目的。
4、-40℃的低温启动
一般路灯和电子元器件很难在温度过低的环境下正常工作，本发明中包含一个低温启动装置。如图7所示的温度检测电路，通电时单片机开启低温检测模块，在检测到环境温度过低时启动如图7所示的加热装置，使灯体温度达到启动条件后启动点灯装置，使路灯能在零下40摄氏度条件下正常启动并工作。
5、功率因素调整
为克服传统路灯系统功率因素低、线路无功损耗大的缺点，本发明中单片机通过控制调整管地工作状态，调整输入电流的波形，使输入电流的波形与输入电压波形一致，即可提高功率因素达95％以上。
【附图说明】
图1为本发明结构示意图。
图2为单片机程序流程图。
图3为单片机控制模块34电路图。
图4为载波通讯模块28电路图。
图5为亮度调节功能24模块电路图。
图6为功率因素调整模块26电路图。
图7为低温启动功能模块25电路图。
图8为正弦波驱动模块23电路图。
图9为温度检测模块30电路图。
图10为声音检测模块33电路图。
图11为电流检测模块29电路图。
图12为亮度检测模块31电路图。
图13为电压检测模块32电路图。
图14为基准电压模块27电路图。
图中标号：1为主控芯片STC12C5202AD，2为晶体振荡器，3为波形发生器STC12C5201AD，4为AC220V电网，5为隔低频电容，6为载波耦合变压器ncy24EI，7为调整管，8为第一继电器，9为加热器，10为第二继电器，11为IRFP450NMOS管，12为EE25扼流圈，13为倍压电路，14为热敏电阻，15为光敏电阻，16为限流电阻，17为柱极话筒，18为EE19取样变压器，19为整流二极管1N4007，20为整流电容，21为TL431基准电压源芯片，22为节能灯灯管部件，23为正弦波驱动模块，24为亮度调节功能模块，25为低温启动功能模块，26为功率因素控制模块，27为基准电源模块，28为载波通信模块，29为电流检测模块，30为温度检测模块，31为亮度检测模块，32为电压检测模块，33为声音检测模块，34为单片机控制模块。
【具体实施方式】
下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。
实施例1：
本发明采用单片机智能控制，具有传统节能路灯所不具备的各种智能功能，所有功能如：软启动功能、低温启动功能、根据电压自动调节光亮功能、半夜自动调光功能、故障自检功能、功率因素自动调节功能、支持载波通讯等。
如图1所示的发明结构示意图，本发明智能节能路灯是以单片机为智能控制中心，由节能灯灯管部件22、正弦波驱动模块23、光亮度调节功能模块24、低温启动功能模块25、功率因数控制模块26、基准电源模块27、载波通讯模块28、电流检测模块29、温度检测模块30、亮度检测模块31、电压检测模块32、声音检测模块33和单片机控制模块34组成，其中：单机片控制模块34输出端的A/D口分别连接电流检测模块29、温度检测模块30、亮度检测模块31、电压检测模块32和声音检测模块33。单片机控制模块34的输出端的I/O口分别连接正弦驱动功能模块23、亮度调节功能模块24，低温启动功能模块25、功率因数控制模块26和基准电源模块27，单片机控制模块34的串行通讯口连接载波通讯模块28，节能灯灯管部件22接正弦驱动模块23图8的倍压电路13端。
如图3所示的单片机控制中心电路图，由STC12C5202AD主控芯片1、晶体振荡器2和波形发生器3构成，STC12C5202AD主控芯片1采用外部晶振的方式。STC12C5202AD主控芯片1的接正弦驱动功能模块电路8、亮度调节功能模块电路5、低温启动功能模块电路7、功率因数控制模块电路6、基准电源模块电路14、载波通讯模块电路4和各检测模块，STC12C5202AD主控芯片1用于协调控制各功能模块的工作。
如图4所示的载波通讯模块28包括电网4、隔低频电容5、载波耦合变压器6和KA567芯片，电网4连接隔低频电容5，隔低频电容5串联载波耦合变压器6，载波信号由路灯供电电网4进入隔低频电容5和载波耦合变压器6，把载波信号从电网4中分检出来，并送入KA567芯片处理，处理完成之后再送入单片机控制模块34的信号输入口，构成载波通讯模块与单片机控制模块34的链接与通信。
如图5所示的亮度调节功能模块24包括第二继电器10、三极管。主控芯片1连接三极管，三极管连接继电器10，STC12C5202AD主控芯片1根据需要智能控制三极管的工作状态来控制第二继电器10的吸/合达到控灯的亮度的目的。
如图6所示的功率因素调节模块由整流、滤波PFC、EMC电路、调整管7构成。STC12C5202AD主控芯片1连接调整管7，调整管7连接220V直流电，220V直流电通过连接整流、滤波PFC、EMC电路连接220V交流电，由图1中的STC12C5202AD主控芯片1控制调整管7的开关时间来调整输入电流的波形以达到提高PF值的目的。
如图7所示的低温启动功能模块25的电路，包括继电器8和加热器9，STC12C5202AD主控芯片1连接三极管，三极管连接继电器8，继电器连接加热器9，加热器9连接220V交流电，工作时，由STC12C5202AD主控芯片1控制三极管的工作状态来控制继电器8的吸/合以控制加热器9的工作状态。
如图8所示的正弦波驱动模块23由NMOS管11、扼流圈12和倍压电路13组成，两个NMOS管11分别接主控芯片1的两个I/O引脚，两个NMOS管11与两个电容组成半桥电路，扼流圈12和倍压电路13串联，作为被推动电路连接于NMOS管11与电容组成的半桥电路中，波形发生器产生的波形经过中间级的放大，驱动NMOS管11去推动扼流圈12及倍压电路13的工作，扼流圈12、倍压电路13与上下两电容的设计刚好达到匹配值正好形成正弦波驱动灯管。
如图9所示的温度检测模块30由热敏电阻14、第一抗干扰电容、第一分压电阻组成，热敏电阻一头接5V电源并与第一分压电阻串联，第一分压电阻另一头接地，第一抗干扰电容与第一分压电阻并联，A/D转换口在两个电阻之间连接取样。利用热敏电阻14的特性将环境的温度信号转化成电信号再由图1中的总控中心7芯片进行读取以判断环境温度。
如图10所示的声音检测模块33由柱极话筒17和一个电阻组成，柱极话筒与电阻并联，一头接地，另一头与主控芯片的A/D口连接。利用柱极话筒17的特性将外界噪音信号转变成电压信号，再由图1中的STC12C5202AD主控芯片1读取、辨别完成声音采集任务。
如图11所示的电流检测模块29由取样变压器18、整流二极管19、整流电容20和第二放电电阻组成，取样变压器18输入线圈组串接于灯回路：一头接倍压电路，一头接扼流圈，取样变压器输出线圈组一端接地，一端连接整流二极管19负极与整流二极管19串联，串联后与整流电容20并联再与第二放电电阻并联，整流二极管19正极接STC12C5202AD主控芯片1的A/D转换口。
通过取样变压器18取出少量的电经过整流二极管19、整流电容20整流滤波供给图1STC12C5202AD主控芯片1做电流检测用。
如图12所示的亮度检测模块31由光敏电阻15、第二分压电阻、第二抗干扰电容组成，第二分压电阻与第二抗干扰电容并联一头接地，另一头接光敏电阻和总控芯片的A/D转换口，光敏电阻另一头接5V电压。利用光敏电阻15的特性将光信号转换成电信号供给图1STC12C5202AD主控芯片1做亮度检测用。
如图13所示的电压检测模块32由限流电阻16、第三抗干扰电容、第三分压电阻组成，第三分压电阻与第三抗干扰电容并联一头接地，另一头接限流电阻16和总控芯片的A/D转换口，限流电阻16的另一端接DC220V电压。DC220V经过限流电阻16和第三分压电阻的分压限流取出一个信号电压给图1STC12C5202AD主控芯片1做高压电电压检测用。
如图14所示的基准电源模块27由基准电压源芯片21、第四抗干扰电容和第四分压电阻组成，第四抗干扰电容和基准电压源芯片21并联后与第四分压电阻连接和主控芯片1的A/D口连接。该模块运用TL431高精度基准电压源产生一个准确稳定的基准电压供给总控中心做各类电压参考用。
单片机程序软件控制基本流程图如图2所示，当路灯通电后，单片机开始工作，首先进行环境温度检测，当检测到温度过低时则开启低温加热模块直到温度达到亮灯要求；确认温度达到亮灯要求后则开始软启动模块亮灯并开始计时，启动灯后每十五分钟对电压和光亮度检测，根据电压和光亮信息调节灯的功率，当到深夜人少车稀时则开深夜照明模式，在深夜照明模式中，按照不同场合不同需求对灯亮度方式进行设置，并开通对外界声音的监测和分析后亮灯，以达到节能效果和保证照明舒适性；对载波采用中断处理方式响应，当发生载波中断则进入载波中段处理模块程序，通过如图5所示电路进行调节路灯亮度。
本发明在单片机软件和电路硬件的配合基础上，能在路灯通电之后通过正弦波驱动模块对灯软启动；同时启动温度检测模块检测外界温度，若太低则启动低温启动功能模块加热功能对电路和灯管加热；路灯启动后通过电压检测模块、声音检测模块和亮度检测模块的检测，并进行程序分析后，定时启动亮度调节模块，控制路灯亮度到最佳值；通过功率因素控制模块调整输入电流波形使之接近与电压波形，以控制功率因素；在必要时通过电流、电压检测模块可判断路灯故障，并通过单片机串行载波通讯模块可以向总控室汇报工作情况。