专利名称：一种照明供电系统的智能型节电装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种照明供电系统的智能型节电装置，适用于公路，街 道，超市等场合的气体放电类照明灯具。
技术背景减少能源消耗是社会可持续发展的重要课题之一。在电力的输送过程中， 为了保证末端用户的正常供电，电源变压器的输出电压一般会高于用电设备的额定电压；在后半夜，电网的负荷量减小，用电设备的供电电压将会升高， 这些情况将造成用电设备的供电电压高于其额定电压。热辐射光源发光灯具 依靠电阻发热而发光，很难实现节电。而气体放电发光灯具若在高于220V的 电压下启动，然后调整灯具的供电电压为额定电压的90%，则灯的光效基本不 会变化。由于灯具的功率减小，所以能够节省电能。因此，保持灯的供电电 压在额定电压的90%到额定电压之间(即在节电电压下工作)，不会影响照明 且能够达到节省电能的目的。利用这种原理实现节电的装置已经出现，但大 多数装置智能化程度不高，表现为缺少完善的保护电路，缺少断电数据保 护功能，缺少直观的数码显示和根据当前时间来调整输出电压等功能。这些 功能的缺失，不但会影响装置运行的可靠性，而且会影响节电的效果。 实用新型内容本实用新型的目的是解决现有节电装置缺少完善的保护电路，缺少断电数据保护功能，缺少直观的数码显示和根据当前时间来调整输出电压等功能 的缺陷，提出一种照明供电系统的智能型节电装置。一种照明供电系统的智能型节电装置，包括接触器、继电器、变压器 线路，电流检测电路，电压检测电路和由微控制器及其外围电路组成的控制 单元，软启动电路，电压平滑调节电路，滤波电路。其中，控制单元包括微 控制器，降压、稳压、滤波电路，掉电检测模块，声光报警电路，按键输入 电路，数码显示电路，时钟模块，隔离电路。装置进入节电状态的条件为市电高于照明设备的额定电压，且处于正 常范围(即不高于国家规定的上限)。装置各部分之间的连接关系如图l和图 2所示节电装置接入用电线路的初始时刻，处于非节电的旁路状态(旁路状 态为装置不经过变压直接将市电输出的状态)控制单元工作，市电依次流经 软启动电路，接触器、继电器、变压器线路，电压平滑调节电路，滤波电路， 最后输出给照明设备供电。此时电流不经过接触器、继电器、变压器线路， 装置的输出电压大致等于市电的电压。节电装置在旁路状态下启动并延时10 秒钟后，控制单元将启动电压检测电路，检测装置当前的输出电压(等效为 检测市电电压)。如果不符合节电条件，则继续检测装置的输出电压并等待； 旁路状态下电流检测电路不会被启动。当符合节电条件时，控制单元控制接 触器、继电器、变压器线路动作，从而结束旁路状态，进入节电状态。此时， 市电依次流经软启动电路，接触器、继电器、变压器线路，电压平滑调节， 滤波电路，最后输出给照明设备供电。节电状态下，电流经过接触器、继电器、变压器线路，降低电压并输入到电压平滑调节电路，然后经过滤波电路， 最后输出。装置进入节电状态后电流检测电路将被启动，检测到的信号输入 控制单元。装置各部分功能说明如下-控制单元的核心部分是Atmel公司的高性能微控制器Atmega8L(Ul)，可 以将电流检测电路，电压检测电路检测到的模拟信号转变为数字信号。微控 制器可以计算得到节电装置的输出电压和输入电流。微控制器根据节电装置 的输出电压值来调整自耦变压器的变压比，从而达到调节电压的目的。微控 制器内部含有EEPROM，可记录断电时刻的数据，如断电时间等信息。控制单元的降压、稳压、滤波电路包含两个稳压芯片(U5为5V稳压芯片， U6为9V稳压芯片)，输出分别为5V (VCC)和9V(VDD)的电压。该电路将市电 降压、稳压、滤波，VDD用于继电器的供电，VCC用于控制单元其他部分的供 电。控制单元的掉电检测模块采用电压检测芯片S8053ALB (U2)。掉电检测模 块的输入电压为控制单元的供电电压，输出端接到微控制器的中断输入端。 当控制单元的供电电压低于门限值时，该模块能够发送中断信号到微控制器， 微控制器调用中断服务程序将装置当前的各项参数存入微控制器内部的 EEPROM保存起来；装置重新上电时，读出EEPROM中的数据作为电压调节的参考。控制单元的声光报警模块，用到蜂鸣器LS1和发光LED (Ll)。该模块输入端接到微控制器的输出端，用于紧急情况下的报警。紧急情况包括电源 电压过高，等于或高于国家规定的上限值；电压过低，负载无法正常运行； 流经装置的电流过大等。进入报警状态后，装置进入非节电的旁路状态。采 用LED发光和蜂鸣器发声来实现光和声音报警。控制单元的按键输入电路采用轻触按键Sl，按键输入电路的输出端接到 微控制器的中断输入口，用于校正时间，或选择需要显示的电参数(输入电压， 输出电压，输入电流，输出电流，负载总功率)。控制单元的数码显示模块用于显示装置各项电参数或当前时间。该模块接到微控制器的输出端口。包括数码管U9和串入并出转换芯片SN74HC164 (U8)。数码管使能信号由微控制器的输出口发出，数码管数据端接到 SN74HC164芯片的输出端，SN74HC164芯片将微控制器输出口发出的串行数据转化为并行数据，驱动数码管显示。控制单元的时钟模块使用DALLAS公司的串行时钟芯片DS1302 (U7)，其输出端与微控制器的输入端连接，用于给微控制器提供时钟信号，系统断电 后由电池给该模块供电。微控制器还可根据当前时间来调整输出电压，白天 电网电压变化范围较大，夜间电网电压变化较小，根据检测到的市电电压来 判断是否进入节电状态和进入什么程度的节电状态。如果装置反应过快则会 使继电器，交流接触器频繁动作，影响其使用寿命，反应过于缓慢则会影响 节电的效率，根据不同时段电压波动范围的不同釆用不同的调压方法，可以 在减缓器件损耗的基础上使装置保持高的节电效率。装置断电的瞬间，微控制器将断电时刻的时间存入内部的EEPR0M，重新上电后，读出上次断电时刻 的时间，和当前时间比较，计算出断电状态的持续时间，如果断电时间在5 秒钟内，则直接判断是否符合节电条件，从而决定装置是否进入节电状态； 如果断电时间超过5秒，则延时10秒钟后再判断是否符合节电条件，继而决定是否进入节电状态。控制单元的隔离电路采用了光电耦合芯片4N25 (U12， U13， U14， U15)，用于将微控制器与接触器、继电器、变压器线路隔离，隔离电路的输入端接 到微控制器的输出口，输出端接到接触器、继电器、变压器线路中继电器和 交流接触器的触点控制端，控制触点的接通和断开。通过将光信号转变为电信号，实现弱电和强电信号的隔离。软启动电路包含一个大功率、大阻值的电阻RES1和一个固态继电器KEY1。软启动电路一端接到装置的火线进线端PortC，另一端接到接触器、继电器、 变压器线路的输入端。电阻串联在主回路中，继电器常开触点接在电阻两端。 开机瞬间，电阻接入主回路，可以减小启动瞬间流经装置的电流，正常启动 后将继电器的常开触点吸合，使电阻短路，结束软启动。加入软启动电路可 以使装置以小电流的方式启动，防止启动瞬间流经装置的电流过大。接触器、继电器、变压器线路一端接到软启动电路的输出端，另一端接 到电压平滑调节电路的输入端。该电路包含交流接触器KEY5， KEY6和继电器 KEY2, KEY3, KEY4。交流接触器KEY5和KEY6用于改变变压器的变压比。继 电器KEY2用于控制交流接触器KEY5的线包，通过微控制器控制继电器KEY2的通断，从而改变交流接触器KEY5的触点状态，调整自耦变压器的变压比， 调节输出电压。继电器KEY4用于控制交流接触器KEY6的线包，通过微控制 器控制继电器KEY4的通断，从而改变交流接触器KEY6的触点状态，和接触 器KEY5的状态组合来调整自耦变压器的变压比，调节输出电压。继电器KEY3 控制装置进入节电状态或旁路状态。装置进入报警状态后，随即自动进入旁 路状态。装置有手动旁路旋转开关KM2， 一端连接在接触器、继电器、变压器 线路的火线输入端，另一端连接在接触器、继电器、变压器线路的火线输出 端，在紧急情况下可以通过手动操作，使手动旋转开关闭合，电流不经过接 触器、继电器、变压器线路，直接输出到电压平滑调节电路，从而使装置进 入旁路状态。紧急情况下手动操作进入旁路状态后，装置将一直保持旁路状 态，直到再次手动操作才能使装置进入自动控制状态。有两个灯LAMP1和 LAMP2，分别用于提示当前装置处在旁路状态或处在自动控制状态。电压平滑调节电路用于调节节电装置的输出电压。电压平滑调节电路一 端接到接触器、继电器、变压器线路的输出端，另一端接到滤波电路的输入 端。电压平滑调节电路使输出电压平滑的改变，确保照明器件不会出现闪断 等情况，通过在回路串入电感L2来实现。滤波电路包含电阻L3和电容CIO，滤波电路输入端接到电压平滑调节电 路的输出端，滤波电路的输出端即为装置的输出端。滤波电路可以减小输出 电压的纹波，提高电源质量。电流检测电路，电压检测电路分别用于检测装置的输入电流和输出电压。电流检测用电流互感器UIO，电压检测用电压互感器Ull。互感器采集的模拟 信号送入控制单元的微控制器进行模/数转换，微控制器计算得出检测的电流 /电压值。装置有过流、过压的保护功能。微控制器根据检测到的电流和电压 值，控制继电器和交流接触器的开关触点，改变装置的工作状态，实现过流、 过压的保护功能。采用了上述的技术方案，本实用新型具有下列优点具有完善的保护电 路；具有断电数据保护功能；能够显示装置当前的各项电参数；能够根据当 前时间调整输出电压；节电装置的输出电压能够平滑的变化，照明设备不会 出现闪断的情况；装置能够实现软启动，可防止通电瞬间电流过大；可通过 手动操作进入旁路状态等。
图1本实用新型的结构框图图2本实用新型的控制单元的结构框图，图中虚线内部分为控制单元。 图3本实用新型的控制单元的电路原理图，不含隔离电路 图4本实用新型的控制单元的隔离电路图5本实用新型的软启动电路，接触器、继电器、变压器线路，电压平滑调 节电路，滤波电路，电流检测电路，电压检测电路的原理图具体实施方式
如附图1， 2所示，本实用新型装置包括接触器、继电器、变压器线路， 电流检测电路，电压检测电路和由微控制器及其外围电路组成的控制单元，软启动电路，电压平滑调节电路，滤波电路。其中，控制单元包括微控制器、 降压、稳压、滤波电路，掉电检测模块，声光报警电路，按键输入电路，数 码显示电路，时钟模块，隔离电路。控制单元的降压、稳压、滤波电路包含两个稳压芯片(U5为5V稳压芯片，U6为9V稳压芯片)，输出分别为5V (VCC)和9V(VDD)的电压。该电路将市电 降压、稳压、滤波，VDD用于继电器的供电，VCC用于控制单元其他部分的供 电。控制单元的掉电检测模块采用电压检测芯片S8053ALB (U2)。掉电检测模 块的输入电压为控制单元的供电电压，输出端接到微控制器的中断输入端。 当控制单元的供电电压低于门限值时，该模块能够发送中断信号到微控制器， 微控制器调用中断服务程序将装置当前的各项参数存入微控制器内部的 EEPROM保存起来；装置重新上电时，读出EEPROM中的数据作为电压调节的参 考。控制单元的声光报警模块，用到蜂鸣器LS1和发光LED (Ll)。该模块输 入端接到微控制器的输出端，用于紧急情况下的报警。紧急情况包括电源 电压过高，等于或高于国家规定的上限值；电压过低，负载无法正常运行；流经装置的电流过大等。进入报警状态后，装置进入非节电的旁路状态。采用LED发光和蜂鸣器发声来实现光和声音报警。控制单元的按键输入电路采用轻触按键Sl，按键输入电路的输出端接到 微控制器的中断输入口，用于校正时间，或选择需要显示的电参数(输入电压，输出电压，输入电流，输出电流，负载总功率)。控制单元的数码显示模块用于显示装置各项电参数或当前时间。该模块接到微控制器的输出端口。包括数码管U9和串入并出转换芯片SN74HC164 (U8)。数码管使能信号由微控制器的输出口发出，数码管数据端接到 SN74HC164芯片的输出端，SN74HC164芯片将微控制器输出口发出的串行数据 转化为并行数据，驱动数码管显示。控制单元的时钟模块使用DALLAS公司的串行时钟芯片DS1302 (U7)，其输出端与微控制器的输入端连接，用于给微控制器提供时钟信号，系统断电 后由电池给该模块供电。微控制器还可根据当前时间来调整输出电压，白天 电网电压变化范围较大，夜间电网电压变化较小.，根据检测到的市电电压来 判断是否进入节电状态和进入什么程度的节电状态。如果装置反应过快则会 使继电器，交流接触器频繁动作，影响其使用寿命，反应过于缓慢则会影响 节电的效率，根据不同时段电压波动范围的不同采用不同的调压方法，可以 在减缓器件损耗的基础上使装置保持高的节电效率。装置断电的瞬间，微控 制器将断电时刻的时间存入内部的EEPROM，重新上电后，读出上次断电时刻 的时间，和当前时间比较，计算出断电状态的持续时间，如果断电时间在5 秒钟内，则直接判断是否符合节电条件，从而决定装置是否进入节电状态； 如果断电时间超过5秒，则延时10秒钟后再判断是否符合节电条件，继而决 定是否进入节电状态。控制单元的隔离电路釆用了光电耦合芯片4N25 (U12， U13， U14， U15)，用于将微控制器与接触器、继电器、变压器线路隔离，隔离电路的输入端接 到微控制器的输出口，输出端接到接触器、继电器、变压器线路中继电器和 交流接触器的触点控制端，控制触点的接通和断开。通过将光信号转变为电 信号，实现弱电和强电信号的隔离。软启动电路包含一个大功率、大阻值的电阻RES1和一个固态继电器KEY1。 软启动电路一端接到装置的火线进线端PortC，另一端接到接触器、继电器、变压器线路的输入端。电阻串联在主回路中，继电器常开触点接在电阻两端。 开机瞬间，电阻接入主回路，可以减小启动瞬间流经装置的电流，正常启动 后将继电器的常开触点吸合，使电阻短路，结束软启动。加入软启动电路可 以使装置以小电流的方式启动，防止启动瞬间流经装置的电流过大。 接触器、继电器、变压器线路一端接到软启动电路的输出端，另一端接到电压平滑调节电路的输入端。该电路包含交流接触器KEY5， KEY6和继电器 KEY2， KEY3， KEY4。交流接触器KEY5和KEY6用于改变变压器的变压比。继 电器KEY2用于控制交流接触器KEY5的线包，通过微控制器控制继电器KEY2 的通断，从而改变交流接触器KEY5的触点状态，调整自耦变压器的变压比， 调节输出电压。继电器KEY4用于控制交流接触器KEY6的线包，通过微控制 器控制继电器KEY4的通断，从而改变交流接触器KEY6的触点状态，和接触 器KEY5的状态组合来调整自耦变压器的变压比，调节输出电压。继电器KEY3 控制装置进入节电状态或旁路状态。装置进入报警状态后，随即自动进入旁 路状态。装置有手动旁路旋转开关KM2， 一端连接在接触器、继电器、变压器线路的火线输入端，另一端连接在接触器、继电器、变压器线路的火线输出 端，在紧急情况下可以通过手动操作，使手动旋转开关闭合，电流不经过接 触器、继电器、变压器线路，直接输出到电压平滑调节电路，从而使装置进 入旁路状态。紧急情况下手动操作进入旁路状态后，装置将一直保持旁路状 态，直到再次手动操作才能使装置进入自动控制状态。有两个灯LAMP1和LAMP2，分别用于提示当前装置处在旁路状态或处在自动控制状态。电压平滑调节电路用于调节节电装置的输出电压。电压平滑调节电路一端接到接触器、继电器、变压器线路的输出端，另一端接到滤波电路的输入端。电压平滑调节电路使输出电压平滑的改变，确保照明器件不会出现闪断等情况，通过在回路串入电感L2来实现。滤波电路包含电阻L3和电容CIO，滤波电路输入端接到电压平滑调节电路的输出端，滤波电路的输出端即为装置的输出端。滤波电路可以减小输出电压的纹波，提高电源质量。电流检测电路，电压检测电路分别用于检测装置的输入电流和输出电压。电流检测用电流互感器UIO，电压检测用电压互感器Ull。互感器采集的模拟信号送入控制单元的微控制器进行模/数转换，微控制器计算得出检测的电流 /电压值。装置有过流、过压的保护功能。微控制器根据检测到的电流和电压 值，控制继电器和交流接触器的开关触点，改变装置的工作状态，实现过流、 过压的保护功能。综上所述，本实用新型是一种专用于照明系统的节电器，通过降低电压，使照明设备工作在额定电压的90%到额定电压之间，达到节省电能和延长灯 具使用寿命的目的，而照明设备的发光亮度却几乎不受影响。装置具有完善的保护电路；具有断电数据保护功能；能够显示装置当前的各项电参数；能 够根据当前时间调整输出电压；节电装置的输出电压能够平滑的变化，照明 设备不会出现闪断的情况；装置能够实现软启动，可防止通电瞬间电流过大; 具有手动操作进入旁路状态的功能等。
权利要求1. 一种照明供电系统的智能型节电装置，包括接触器、继电器、变压器线路，电流检测电路，电压检测电路和由微控制器及其外围电路组成的控制单元，其特征在于控制单元扩展了掉电检测模块，掉电检测模块输入电压为控制单元的供电电压，输出端接到微控制器的中断输入端。
2. 根据权利要求1所述的一种照明供电系统的智能型节电装置，其特征在于: 所述的控制单元含有数码显示电路，该模块接到微控制器的输出端口，包括数码管U9和串入并出转换芯片SN74HC164;数码管使能信号由微控制器 的10 口产生，数码管数据端接到SN74HC164芯片的输出端，SN74HC164芯 片将微控制器发出的串行数据转化为并行数据，驱动数码管显示。
3. 根据权利要求1所述的一种照明供电系统的智能型节电装置，其特征在于: 还包含软启动电路；软启动电路一端接到装置的火线进线端，另一端接到 接触器、继电器、变压器线路的输入端；软启动电路包含一个电阻RES1 和一个固态继电器KEY1;电阻串联在主回路中，继电器常开触点接在电阻 两端。
4. 根据权利要求1所述的一种照明供电系统的智能型节电装置，其特征在于 微控制器根据检测到的电流和电压值，控制继电器和交流接触器的开关触点；装置有手动旁路旋转开关KM2， 一端连接在接触器、继电器、变压器 线路的火线输入端，另一端连接在接触器、继电器、变压器线路的火线输 出端；手动旋转开关闭合时，电流直接输出到电压平滑调节电路。
5. 根据权利要求1所述的一种照明供电系统的智能型节电装置，其特征在于还包含电压平滑调节电路，滤波电路，电压平滑调节电路一端接到接触器、继电器、变压器线路的输出端，另一端接到滤波电路的输入端；滤波电路 的输入端接到电压平滑调节电路的输出端，滤波电路的输出端即为装置的输出端。
6.根据权利要求1所述的一种照明供电系统的智能型节电装置，其特征在于: 控制单元还包含降压、稳压、滤波电路，声光报警电路，按键输入电路， 隔离电路；降压、稳压、滤波电路输出一定值的电压给控制单元供电；按 键输入电路的输出端接到微控制器的中断输入口，隔离电路的输入端接到 微控制器的输出口，输出端接到接触器、继电器、变压器线路的继电器和 交流接触器的触点控制端。
专利摘要一种照明供电系统的智能型节电装置，适用于公路，街道，超市等场合的气体放电类照明灯具。它包括如下部分控制单元，软启动电路，接触器、继电器、变压器线路，电压平滑调节电路，滤波电路，电流检测单元，电压检测单元。其中，控制单元包括降压、稳压、滤波电路，掉电检测，声光报警，按键输入，数码显示及时钟等模块。本实用节电装置的输出电压能够平滑的变化，照明设备不会出现闪断的情况；装置能够实现软启动，可防止通电瞬间电流过大；能够显示装置当前的各项电参数；能够根据当前时间调整电压输出；具有手动旁路的功能；系统抗干扰能力强。本实用新型在不影响灯具使用，不影响光效的前提下，一般可达到节电10～40％的效果。
文档编号H05B41/292GK201119098SQ200720149368
公开日2008年9月17日 申请日期2007年5月30日 优先权日2007年5月30日
发明者普 王, 王瑞华, 雨 陈 申请人:北京工业大学