基于PWM的路灯节能装置的设计

1 引言

　　随着城市现代化建设步伐的加快，社会对城市道路照明及城市亮化工程的要求也更高，国家明确要求要把节约资源作为国家的基本的国策，节能已成为社会发展的主流。

　　本文设计了基于ATmega128处理器为核心搭建硬件平台，设计了PWM斩波调压电路，实现了对路灯电压的合理调节。电压自动调节电路主要以PWM斩波技术为核心，设计实际电路，调试获得成功，达到了降压的目的。针对在该种降压电路中开关管的工作频率较高，会产生高次谐波，为了抑制高次谐波，通过具体计算设计了滤波电路，并调试成功。

　　2 系统总体设计

　　如图1所示：首先，是建立一个交流调压系统，系统的被控对象为电网电压，控制器通过交流斩波技术对电网电压波形进行斩波，达到调压的效果，并且通过电压采集电路对输出电压进行采集，控制器得到电压的采样值并对其进行分析，根据分析结果对被控对象进行下一步的调节，直到输出电压达到理想的状态；其次，通信接口的设计，RS-232串口通信功能传输数据的接口电路的设计，形成完整的通信功能；再次，对系统的通用性，交互性及人性化设计，通过键盘接口对系统参数进行设定，并且通过液晶显示模块显示操作要求和数据。

　　3 系统硬件电路的设计

　　3.1 脉宽调制降压设计思路

　　本方法主要通过控制开关的频率以使输出电压的有效值降低达到降压的目的，PWM的频率在180KHz—200KHz，可以无级调整，输出电压波形为标准的正弦波，但需要滤波。

图2 脉宽调制降压原理图

　　如图2所示电路，由二极管D1、D2、D3、D4组成的桥式整流电路中，由于二极管的单向导电性，可以判断A点的电压始终高于B点的电压。在A、B之间接三极管，利用三极管的开关特性对桥式电路的输出进行控制，这就是所谓的脉宽调制原理。当控制电压为一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，并且按照一定的规则对各脉冲宽度进行调制，便可以得到相应的输出电压。此时电路输出的波形为被高频脉冲切割后的电压波形，为了得到标准的正弦波，并且减小高频分量对电源质量的影响，分别在电路的输入和输出端串联一个电抗器进行平波。综上所述，便得到了利用脉宽调制原理，通过控制整流电路来改变输出电压的电路。通过该电路后产生的波形虽然有谐波，需要滤波，但是其成本相对来讲较低，并且输出的是标准的正谐波。[!--empirenews.page--]

　　在IGBT的驱动电路设计时要注意以下几点：

　　（1）IGBT栅级耐压一般在±20V左右，因此驱动电路输出端应设有栅极过电压保护电路，通常的做法是在栅极并联稳压二极管或者电阻。并联稳压二极管的缺陷是将增加的等效输入电容inC，从而影响开关速度；并联电阻的缺陷是将减小输入阻抗，增大驱动电流，本文选择后者。

　　（2）尽管IGBT所需驱动的功率很小，但由于MOSFET存在输入电容inC，开关过程中需要对电容充电放电，因此驱动电路的输出电流应该足够大，假定开通驱动时，在上升时间rt内线性地对MOSFET的输入电容inC充电，则驱动电流为GEinGSrI=CUt，其中可取2.2rint=RC，其中R为输入回路电阻。

　　（3）为可靠关闭IGBT，防止发生锁定效应，要给栅极加一负电压，因此应采用双电源为驱动电路供电。其具体的驱动电路图如图3所示。

　　3.2 信号采样电路设计

　　对电网电压、电流信号的采集的实时性及其采样的精度在很大的程度上决定了系统的性能。根据对Atmega128单片机的集成ADC性能的分析，综合考虑了其转换时间、分辨率、线性误差、量程和对基准电压的要求等主要技术指标，判断其能够满足系统设计的要求，并且通过外接精密基准电源的方式来保证系统的精度。对于对电网信号采集的前端信号变换模块，主要考虑一下几个因素：首先是采样信号的质量，既能够真实的反映电网电压、电流的情况，又不要为系统带来干扰，这要求电路有良好的隔离措施；其次采样信号的电压范围要和ADC的基准电压的量程相符合，超过或者过低于基准电压工作范围的设计都是不合理的；第三，要注意阻抗匹配问题，若阻抗不匹配，可能得到的采样值不能准确反映电网信号的参数，并且可能烧毁ADC的输入端口。

　　由于单片机的AD采样端口只能采样正电压，因而将所要采样的为交流电压经变压器降压、整流和分压后再采样，此时将电压限制在0V-5V之间，为了保持采样电压的精度与稳定度，在输入端口并联一个电容抗干扰，在串联一个电阻满足ADC阻抗匹配的要求。其电路图如图4所示：

　　3.3 RS232接口电路

　　PC与单片机组成多机系统最简单的连接是零调制三线经济型。这是进行全双工通信所必须的最少数目的电路。PC配置的是RS-232C标准串行接口，二者的电气规范不一致，因此要完成PC与单片机的数据通信，必须进行电平转换，本设计选用的芯片为MAX232，将TTL电平转换为RS-232电平。同时也因为RS-232C标准串行接口应用比较广泛，技术成熟，所以我们选用RS-232C标准串行接口。具体电路如图5所示：

[!--empirenews.page--]

　　3.4 时钟芯片电路设计

　　Dallas半导体公司的DS1302涓流充电时钟芯片是一个可编程I2C串行接口时钟芯片，还提供31字节的非易失SRAM用于数据存储，结构简单，可以通过单片机任意的I/O口作为SCL和SDA信号线，编程简单，成本较低；缺点是掉电数据丢失。存储相应数据的话可用超级电容或可充电电池备份系统的时间和日期。其电路如图6所示。

　　3.5 LCD电路设计

　　在下位机工作的过程中，要对系统的参数要进行实时显示。对于显示模块，采用LCD液晶显示器，其型号为CM19264。与LED比较，它的工作电流小，显示容量大，可实现汉字及图像的显示，美观、大方、显示方便。在编程上，LCD有独立的控制器及内部存储器，其显示能够被内部的控制器所存，因此并不需要动态扫描，节省了系统的时间。

　　3.6 键盘设计

　　通过链式按键设定系统参数。链式按键在软件编程上类似行列式键盘，本设计采用15个键，共用了单片机的6个I/O端口。共设置了10个数字键，4个方向选择键和一个确认键，使得键盘接口设计的人性化。相对于行列式键盘节省了2个I/O端口。

　　3.7 电源电路设计

　　在系统工作现场电源可以实现现场取电，将电网电压通过变压器变换，然后通过整流电路将其变换为直流电，再通过集成稳压器将其稳定在某个电压值为系统工作提供电源。采用±5V和±12V电源供电。电源模块可采用线性三端稳压器78LM05、79LM05、78LM12、79LM12，78xx系列的静态电流在5mA~8Ma,，在使用中要通过散热片对其进行散热，提高电源效率，并且右超载或短路保护，技术成熟，成本低廉。ADC基准电压采用LM336-5.0芯片，同时更加保证了ADC的量程及其采样精度。

　　4 系统软件设计

　　前述硬件电路的各个模块是本系统对现场电压采样的基础，微控制器的程序编写是整个下位机系统的核心，能够协调各个模块高效准确的工作。单片机程序设计包括电网电压采集A/D转换子程序、LCD显示子程序、键盘控制子程序、数字信号处理子程序、控制输出子程序、串行通信子程序六个主要的部分。

　　系统上电后，先对单片机的内部资源进行初始化，包括设置堆栈指针、中断的禁止及优先级的决定、设置各个定时/计数器的工作方式等；然后对单片机的外部设备进行初始化，包括LCD、时钟芯片以及串口。初始化之后系统开始工作，首先采样电网电压，并且进行计算，根据相应的算法控制电网电压；对键盘和LCD显示器接口进行查询，显示各设定值，并且进行设定；适时读取时间芯片的时间值，并且根据不同的时间段对电网分等级调控。用中断方式将数据从串口上传。

　　5 系统抗干扰措施

　　系统运行在复杂的环境中，容易运行失控，使得程序进入死循环，甚至发出错误的执行动作，造成很大的损失。系统的抗干扰能力在很大程度上决定了其工作的可靠性，这样就应在设备、系统的设计过程中把抗干扰问题放在重要的位置来考虑。在本设计中主要运用了以下几种硬件抗干扰的措施：

　　（1）独立电源

　　为了使模拟电路部分和数字电路部分的隔离，设计了独立电源对数字电路部分进行供电。因此系统数字部分采用独立的电源供电，这样不仅可以使模拟部分和数字部分进一步隔离，也可抑制由于电网谐波增多和电压不稳所带来的尖峰、过压、浪涌等现象对系统数字部分的影响，从而保证了检测系统正常工作。

　　（2）接地措施

　　系统的模拟地、数字地接与外壳地采用单点接地，如果采用多点接地，多个接地点之间可能产生电位差，继而产生噪声电流，影响系统的正常工作。

　　（3）PCB布线抗干扰

　　为了保证信号传输的正确性在设计，在设计PCB的信号走线时，按照以下原则设计了信号线：走线尽可能短而粗，拐弯时走45°斜线或弧线，绝对避免90°拐角；数字线和模拟线分开走线，若无法避免，则两者垂直走线；大电流快速信号线尽量靠近地线，必要时采取电容滤波。

　　6 总结

　　路灯节能装置安全可靠，延长了路灯使用寿命，减少了电能消耗，产生较大的经济效益和社会效益。