基于X1227S8I的路燈節電控制器系統設計

1 引言

　　隨著我國經濟的高速發展，人民生活水平的日益提高，電力短缺問題尤顯突出，已逐漸成為制約經濟發展的瓶頸。路燈照明占城市用電量較大。為了節約城市用電，一般采用路燈節電控制器。它是利用不同時段的電壓波動，在保證照度標準和照明質量的前提下，采用降壓方法力求減少照明系統中的能量損失，最有效地利用電能。一般系統大都采用單片機內部計時方式進行軟件定時，但需要采用計數器，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，節電效果也不能實現最大化。而采用X1227S8I可以解決系統的實時時鐘，還可實現系統參數的掉電保存。利用X1227S8I作為核心器件并與單片機技術相結合，可以實現按日出、日落時間自動開啟路燈，以致最大程度地縮短路燈的開關時間，獲取最大的節電效果。

2 X1227S8I簡介

　　X1227S8I是一款帶有時鐘、日歷、CPU監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，可保存系統配置參數，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 系統設計

3.1系統設計依據

　　由于氣體放電燈消耗的功率取決于輸入電壓，根據高壓鈉燈的工作特性隨電源電壓的變化規律，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量的前提下，依據路燈電壓與功率的非線性關系，力求減少照明系統中的能量損失，最有效地利用電能。系統采用降壓調功節電，即利用時控自動投切及跟壓調功等技術，自動跟蹤電網電壓，自動調節照明功率，實現對燈具自動、準確地開關及電壓和照度輸出的智能化模糊調節，解決了光控自動投切方式的干擾。智能化地調整路燈的實際供電電源，使輸出電壓相對穩定，保證燈具的輸入功率與實際照度要求達到最佳匹配，從而實現了高效節電，使其節電率達15％～38％，且延長了燈具的使用壽命。

3.2系統框圖

　　圖1為系統設計框圖。其系統硬件主要由處理器(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，保存系統配置參數；顯示鍵盤電路負責完成參數的設置和顯示；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換；通訊接口電路負責完成系統升級，并采用GPRS通訊方式遠程控制，實時監測三相電壓、電流，以及設置遠程開燈、關燈控制參數等，以減輕路燈管理員的勞動強度，實現城市照明管理的現代化；電源自動切換電壓穩定輸出控制電路用于完成節電方案中電壓的分段調節控制。

3.3時鐘、參數存儲器電路

　　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據進行計時。串行數據端(SDA)是一個雙向引腳，用于向器件輸入或輸出數據。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字節的數據RAM存儲器。前者支持并行和串行在系統編程(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，可簡化整個系統電路，降低系統成本，通過串行接口通訊方式既可完成系統升級，也可實現遠程控制系統。

4系統軟件設計

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，它根據經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；方式2為半夜工作，在日落時刻開，用戶定時關；方式3為自設工作，用戶可自設定開和關時刻、節電方案(正常、夜燈、半夜燈)、開燈時間、夜燈時間、半夜燈時間、關燈時間、經度、緯度、偏差及電壓波動偏差。其中，節電方案有3種不同大小的降壓檔。經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。偏差用于調節開關燈的早晚。當偏差為±5為正時，數字越大，開燈越晚，關燈越早；當偏差為負時，數字越大，開燈越早，關燈越晚；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節電壓與設定值的偏差。

4.2程序設計流程圖

　　圖3給出系統主程序流程圖。它采用C語言編程。圖4給出節電檔位控制流程圖。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為關燈時間，tf為工作狀態標志，用以防止同一檔位重復調節。圖5給出通訊接口流程圖，通訊采用中斷方式。

5結語

　　由于路燈節電控制器系統采用了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，系統成本低，定時準確，不受系統掉電影響，穩定可靠；系統可根據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時間，使系統更智能化，節電效果更理想。