单片机在民用建筑照明节能中的运用

摘要：单片机的用途十分广泛，特别是在照明领域有较高的性价比，对于日光灯和LED灯组成的电网更显其高效、稳定、洁净、灵活和精度高的特点。我们通过单片机把系统硬件部分和软件部分有机地结合在一起，来实现稳压恒亚、无功补偿和谐波治理的三大功能，有效地达到了节能的目的，也为停车场、中央空调及其它节能领域的应用奠定了基础。

关键词: 稳压恒压；无功补偿；能耗计量；单片机； 照明节能

Abstract: the use of single chip microcomputer is very extensive, especially in areas of high performance to price ratio is lighting, and LED lights for fluorescent lamp of power grid more show its high efficiency, stable, clean, flexible, and the characteristics of high precision. We through the single-chip microcomputer system hardware and software of combined together, to realize constant voltage and reactive power compensation and harmonic, the governance of 3 big functions, and effectively achieved the purpose of saving energy, but also for the parking lot, central air conditioning and other energy field of applied to lay the foundation.

Keywords: voltage stabilizing constant pressure; Reactive power compensation; Energy consumption measurement; Single chip microcomputer; Illumination energy conservation

中图分类号：TE08文献标识码：A 文章编号：

1 引言：

有关资料显示，美国的照明用电约占总用电量的20%~25%，较发达的工业国约为10%~20%，我国目前已超过12%，任处上升趋势；粗略统计结果显示我国民用建筑中70%以上的照明灯具是日光灯，一部分民用建筑已经使用节能型的灯具，较为主流的有LED照明灯具。因此，不难看出，在照明领域目前的节能重点和最紧迫的是日光灯，未来的主流节能灯具一部分转移到LED节能灯另一部分为其电点光源。

2 目前照明灯具所存在的三大问题：

以下针对普片使用的日光灯和LED灯展开分析。

2.1、电网电压的波动对灯具的影响。随着电网谷峰的变化，供电网络的负荷也在变化，电网照明电路的电压随之波动，电压波动影响了供电质量，有时的电压高于220V，甚至高于国家电网标准235V，多余的电能转化为了热能被消耗浪费，另外也缩短了灯具的寿命。因此稳压恒压即节约了电能有延长了灯具的使用寿命。

2.1、功率因数偏低。大量调查研究和实验数据表明，日光灯的功率因数基本在0.56左右，而LED灯的功率因数更低，基本低于0.5，因此节能空间很大；无功补偿能较好地解决了上述问题。

2.3、谐波污染了电网降低了电能的使用效率。日光灯和LED灯都不同程度地向电网注入谐波，大量调查研究结果和实验数据显示，普通日光灯的单位谐波含量一般超过13%，LED灯谐波含量更高，通常在50%-80%，随着灯具数量的增加谐波含量也在增加，因此谐波治理也是节能的有效措施。

3 利用单片机很好地解决了上述三大问题并存在诸多优势：

中央控制部分采用单片机控制方式的优势的核心在于单片机具有体积小、成本低、精度高、散热少、更加绿色环保等优势；对于各个不同楼宇之间所存在的电网差异是容易调整，对楼宇内部电网之间存在的较大差异的调整也十分方便，容易搭建控制结构；单片机内部程序比较小，便于现编现写，方便调试，控制结构和算法更加精准可靠更加贴切精细化节能的要求；照明节能设备、照明节能技术现状要求我们接入的节能设备具有环保、低能耗、洁净、技术上即可靠稳定又高效先进还要投入成本低；51系列和52系列的单片机完全满足了上述要求，对于供电环境较为复杂、系统较大的电网可选用上位机和嵌入式单片机利用USB和RS232等接口串行实现。

A) 硬件部分如下图：

图（1）

B) 软件部分：核心在于电压的取值范围和精度、功率因数的算法和响应速度、安全保护和系统稳定、自动旁路。

3.1用单片机实现稳压、恒压的功能：

图1中，我们可以看到，信号源为T0，即电压互感器的输出值，这里的电压互感器的比值经过换算得出220/4.4，其数值不超过大小250，因此单片机软件在此处可定义为整形变量，终端在T0处，在计时器/计数器终端处我们定义为浮点型，以提高显示精度；用AT89S51或S52均可实现稳压恒压功能，软件调压方便实现；硬件执行部件一般为可控硅调压模块或多级隔离变压器。

采用可控硅调压模块时，必须加装滤波电路C配合消谐电路B，用以消除半导体元器件对电网的污染，避免节电率因此而降低，此电路稳压精度较高。

采用多级隔离变压器时，无需加装滤波电路C，多级隔离变压器抽头保持在3V到4V之间，即3到5个抽头，用以提高稳压精度，单片机用3到5个继电器组成一组简单的PLC电路来进行调压的控制，此电路结构较为简单。

3.2用单片机实现无功补偿的功能：

实践证明用52系列的单片机来实现较为方便，数字化电压信号通过T0接入单片机，电流信号通过T1接入单片机，此时T0和T1均为计数器，T2作为计时器使用，晶振为12MHz或11.0592MHz，这样信号的采集周期小于1微秒，对于50Hz的交流电，它的周期是20毫秒，其精度完全能达到要求。

而51系列的单片机没有T2终端，可以用串口来采集信号，T0/T1依然可以作为计时器/计数器来调用。

谐波含量较高的场所，无功补偿的效果并不理想，因为谐波干扰了单片机对无功补偿控制系统的数据采集，所以当电网谐波总畸变率(THD)远远高于国家电网3.5%时，应考虑进行谐波治理以提高无功补偿系统的精度和电力电容的稳定性。

3.3用单片机实现谐波治理的功能：

根据国家电能质量公用电网谐波GB/T标准，不难推算出单相电路中以3次谐波为主，三相电路中5次谐波较为突出，因此我们利用单片机采集电网3次或5次的THD值，用单片机软件做一个信号发生器，输出三角波给消谐电路B中的放大器，然后产生一与谐波源等幅等周期方向相反的电流注入电网，与谐波源相互抵消，从而达到消除电网谐波的目的，须要注意的是，放大器注入电网电流的角度应该是超前的，实践证明3%~6%较为理想，不同的电网环境取值也不一样，最好现场调试。

照明节能设备、照明节能技术现状：单片机能方便地接入调光变光的软件和硬件，成本低，效率高。

结论：

综上所述，单片机符合民用建筑照明领域现代节能理念，并可广泛应用于停车场的自动调光和导航，以及中央空调的精细化节能管理中。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。