單燈路燈管理系統(tǒng)

無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 1 單燈路燈管理系統(tǒng) 摘 要：本文對基于模糊控制算法的智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)的研制進行了分析和研究。討論了智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)的構(gòu)思、設(shè)計方案，介紹了該裝置的系統(tǒng)設(shè)計、工作原理，詳細分析了由智能控制器和功率變 換單元的智能節(jié)能路燈控制系統(tǒng)。對路燈端電壓的控制進行了簡單的 設(shè)計，采用了模糊控制思想。 關(guān)鍵詞 ： 軟啟動； 聲學(xué)光學(xué)傳感器檢測設(shè)計；功率變換單元；模糊控制 1 引言 近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和汽車的逐漸普及，城市道路照明的重要性日益增大。研 究表明，良好的道路照明可減少約 30%的夜間交通事故 l。所以，保證道路照明設(shè)備的有效性與安全性，得到了越來越多的重視。此外，城市亮化工程也是城市現(xiàn)代化建設(shè)的重要內(nèi)容，為營造優(yōu)美舒適的投資環(huán)境，提升城市形象，我國城市照明工程發(fā)展迅猛，從而大大增加了城市的用電量，導(dǎo)致政府承擔(dān)巨額的財政支出，同時也加劇了我國日趨緊張的能源供需矛盾。隨著國家 “ 節(jié)能法 ” 的頒布實施和我國 “ 十一五 ” 規(guī)劃的要求，節(jié)約能源已納入社會可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容，利在當(dāng)代，功在千秋。隨著路燈照明規(guī)模的不斷擴大，傳統(tǒng)的技術(shù)方式下管理部門的維護成本 也高速增長。因此，提高路燈系統(tǒng)的管理水平，在滿足城市道路照明要求的同時，實現(xiàn)智能化的節(jié)能照明，在客觀上有迫切要求，也是解決城市美化與能源緊張最佳選擇。 目前，我國大部分城市的路燈都采用 “ 全夜燈恒照度 ” 的方式進行照明，控制方式仍然是簡單的光控、時控等傳統(tǒng)方式，這類照明方式普遍存在以下幾個不足 :第一，系統(tǒng)難以反饋路燈運行狀態(tài)信息、不能進行遠程控制，只能采用傳統(tǒng)的人工巡檢。不僅增加了路燈管理部門的工作量，也增加了運行維護的費用。第二，采用 “ 全夜燈恒照度 ” 的方式浪費太大。后半夜車流量較小，但路燈依然保持前半夜車流量 較大時的照度，浪費了大量能源，不利于環(huán)保。第三，后半夜行人稀少，應(yīng)該降低路燈的照度，以避免光源污染，影響居民的晚間休息。但由于后半夜是用電低谷期，電力系統(tǒng)電壓升高，路燈反而比白天時更亮，不僅造成能源浪費，還大大影響了設(shè)備和燈具的使用壽命。目前，路燈照明廣泛使用的高壓鈉燈，其設(shè)計壽命在 12000 小時以上，在正常情況下至少可用 3 年，但是由于超壓使用，現(xiàn)在路燈燈泡的實際壽命只有 1 年左右，有的甚至只有幾個月，造成維護和材料的浪費極大。較高的電壓不僅不能讓負載設(shè)備更有效地工作，而且會引起發(fā)熱及過早損壞，還會產(chǎn)生不必要 的電費開支。第四，在電力供電輸送過程中，為了避免送電過程中供電線路的損耗，要以較高的電壓傳送以確保用電設(shè)備達到額定電壓。因此，路燈系統(tǒng)實際的承受電壓通常會高于本身的額定電壓。一般情況下，如果不裝路燈節(jié)電器，則電源向設(shè)備供應(yīng)的電能會部分消耗在設(shè)備上。設(shè)備真正發(fā)揮作用的能量只有有效電能，另一部分無效電能則以發(fā)熱等形式消耗掉，以發(fā)熱等形式消耗的能量減損設(shè)備壽命，同時給用戶造成不必要的損失 23。 近年來，國際節(jié)電研究界提出了一種叫 “ 在保證照明效果一下點著燈節(jié)電 ”的新概念，這樣的概念才是科學(xué)的，合理的，這是發(fā) 達國家道路照明系統(tǒng)的重要設(shè)計思想 4。 近 20 年來，美國和日本照明節(jié)能集中在使用緊湊型熒光燈 (CFL)和熒光燈采用鎮(zhèn)流器兩個方面，兩個國家中用新技術(shù)替換老產(chǎn)品的過程有點不同 ： 2001 年無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 2 美國銷售的鎮(zhèn)流器中電子的占 53%，而日本只有 36%。而兩個國家在銷售 CFL燈占白熾燈的比例中，美國只占 3%， 日本占了 35%。兩個國家的國家、省和地方都在立法，鼓勵和普及活動這三方面做文章，旨在推動節(jié)能產(chǎn)品的廣泛使用 5。 一個國家的民眾、經(jīng)濟和能源情況均有所區(qū)別，所以在節(jié)能的措施上也有所差異。電費的高低是決定能效因素的首要 考慮內(nèi)容。日本電費在發(fā)達國家中最貴，約美國的 2.5 倍，因此，在日本推進節(jié)能工作既早又容易，只要提供相應(yīng)產(chǎn)品的信息就可以使他們購置節(jié)能產(chǎn)品，當(dāng)然像稅收上的一些鼓勵政策也會起點作用，但遠沒有電費價格的驅(qū)動力。倘若有些消費者在推進采用節(jié)能產(chǎn)品時不那么積極的話，那么使用立法和宣傳活動就能鼓勵消費者購買節(jié)能產(chǎn)品，這就取決于采用的方式方法了。總之電費是起到推動該國家節(jié)能產(chǎn)品使用的有力杠桿。 國外照明節(jié)能技術(shù)的發(fā)展具有以下特點 6： (1)大力推動綠色照明，在光源的材料，使用規(guī)范上加以有效管理，出臺了一系列的標準和管理 要求，將照明節(jié)能推廣到全民范圍 ； (2)不斷提高功率器件性能要求，主要體現(xiàn)在鎮(zhèn)流裝置上技術(shù)提高。通過對鎮(zhèn)流器技術(shù)改進來提高照明設(shè)備的功率因素。 (3)積極推廣節(jié)能獎勵政策，鼓勵民眾節(jié)能，節(jié)電，建立了完善有效的獎勵機制。 目前我國市場上有多種路燈節(jié)能控制產(chǎn)品，能達到一定節(jié)能效果，但就功能和效果上還不能盡如人意，主要有以下幾類情況 ： 采用自禍變壓器及磁飽和電抗器的降壓技術(shù)。其不足是掃于反應(yīng)速度較慢，用電高峰時電壓降到非穩(wěn)定區(qū)，容易造成燈光閃滅，不能自動調(diào)節(jié)，同時如果電壓突然升高，則不能避免燈具受到市電的瞬時高壓 沖擊，對燈具的保護能力較差 ；相對來說穩(wěn)壓功能較差 78。針對于磁飽和電抗器來說，除了上述不足外，其效率也普遍偏低。 采用電子器件構(gòu)成的可控硅式設(shè)備。該設(shè)備主要采取簡單的相控技術(shù)，不足之處是元件易發(fā)熱燒壞，由于采用相控技術(shù)產(chǎn)生諧波污染電網(wǎng)，使熒光燈及氣體燈小停閃動，減損燈具壽命及相關(guān)附件的使用壽命，降低照明質(zhì)暈，不綠色不環(huán)保，國家相關(guān)規(guī)定己明令禁止使用這種無功補償技術(shù)設(shè)備 9。以系統(tǒng)節(jié)電濾波形式，主要是凈化電網(wǎng)，補充無功功率，補償電網(wǎng)，而對于有功電度表計量系統(tǒng)，缺少實際節(jié)電效果。 一個較為理想的智能路 燈節(jié)能控制系統(tǒng)一般應(yīng)如下具備性能 ： (l)軟啟動軟過渡性能。穩(wěn)定的高質(zhì)量軟啟動功能大大緩減燈具啟動過程中冷啟動大電流對光源的沖擊，從而延長光源的使用壽命 10。 (2)穩(wěn)壓性能。避免燈具由于上述原因產(chǎn)生的高壓沖擊或燈具熄火，同時不產(chǎn)生高次諧波，不污染電網(wǎng) 11。 (3)降壓和補壓性能。通常條件下，為了節(jié)約能源，我們會采取降壓的方式來達到節(jié)能 ;補壓功能則可以使得當(dāng)路燈電壓低于設(shè)定值時，微處理器迅速反應(yīng)給予補償，避免了滅燈現(xiàn)象。 (4)綠色環(huán)保性能。智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)自身不應(yīng)產(chǎn)生諧波畸變，并對路燈電器產(chǎn)生 的諧波具有抑制功能，不對電網(wǎng)造成污染 ;同時能避免閃爍、眩光等光污染對人類的危害 1213。 2 智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計方案 2.1 智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)的構(gòu)思 2.1.1 傳統(tǒng)節(jié)能方法 無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 3 (1)控制節(jié)能方法 長期以來，國內(nèi)大多數(shù)城市路燈照明控制廣泛采用傳統(tǒng)控制方式，其節(jié)能方法主要有以下幾種 ： 人工控制節(jié)能方式 ： 根據(jù)開關(guān)燈時間表由值班人員負責(zé)手動進行開 /關(guān)燈操作。 時控節(jié)能方式 ： 以時間為唯一的開關(guān)燈依據(jù)，不論氣象條件如何變化，均只能在規(guī)定時刻開關(guān)燈，隨季節(jié)變化人工干預(yù)調(diào)整開關(guān)時間。 光控節(jié)能方式 ： 按光照度 的差異來控制路燈開關(guān)。 這些節(jié)能方式存在著較為明顯的缺憾，國內(nèi)大多數(shù)城市路燈的開 /關(guān)燈控制由各變壓器 (配電箱 )分散控制，盡管城市路燈運行有專門控制線，只有控制功能而無法實現(xiàn)監(jiān)測。由于不能嚴格按照室外自然光照度進行控制，不僅實時性差，故障率高，而且浪費嚴重。另外，傳統(tǒng)控制方式要求人不離崗，及時控制燈光的開啟和關(guān)閉，由于人工控制誤差而造成電能浪費很是驚人。比如采用定時器控制方式時，由于一年四季的時差，要經(jīng)常對定時器進行人工調(diào)整，從夏至到冬至，日出時間推遲、日落時間提前 ； 從冬至到夏至，日出時間提前、日落時間推遲，據(jù)此天氣現(xiàn)象，要求路燈開關(guān)時間根據(jù)日出日落時間進行調(diào)整 14。這樣不僅消耗大量人力資源，還可能由于調(diào)整不及時而造成浪費。 (2)光源節(jié)能方法 近年來我國節(jié)能電光源產(chǎn)量發(fā)展迅猛，各類節(jié)能鹵鎢燈、熒光燈和高強度氣體放電燈年產(chǎn)量已達 4.5 億只，節(jié)能光源已經(jīng)開始大量代替原有的路燈光源。使用節(jié)能燈具可以在獲得相同照度的情況下大幅降低能耗，同時節(jié)能光源具有較長的使用壽命，一可以節(jié)省大量的燈具成本消耗。但光源節(jié)能方法也存在許多的不足 ： 首先我國還沒有建立統(tǒng)一的、指令性的照明節(jié)能法規(guī)，節(jié)能光源標準不一 ；其次節(jié)能光源與環(huán)境保 護存在一定矛盾，主要是汞污染的防治問題還有待解決 ；同時在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上，節(jié)能型產(chǎn)品所占比例仍很低，僅占電光源總產(chǎn)量的 12%左右，其質(zhì)量水平和生產(chǎn)技術(shù)裝備水平與國際先進水平還有一定差距。 2.1.2 具有智能控制的節(jié)能方法 該節(jié)能方法是通過智能控制器對功率單元進行控制，進而操控可變電抗變換器來改變路燈的輸出電壓，通過改變路燈的光照來實現(xiàn)節(jié)能。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。 圖 1 路燈節(jié)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 此方法利用了人眼在夜晚行進時對光照要求不敏感的特點改變了路燈的端無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 4 電壓，在不同的時段根據(jù)實際要求獲得相應(yīng)的照度，實現(xiàn)路燈亮度的智能化調(diào)節(jié)。 其基本思想是 :將可變電抗變換器的一次繞組直接與路燈負載相接，在變換器中增加二次線圈，將二次線圈與功率變換器以及智能控制器連接。通過智能控制器與電力電子功率變換單元來控制可變電抗器的二次繞組，達到改變可變電抗變換器一次阻抗的目的，進而改變路燈的輸入電壓，使路燈 既可實現(xiàn)軟起動又可以對其進行調(diào)節(jié)。 其工作過程為 :首先，通 過對光照信號的采集，由智能控制器判斷路燈 照明系統(tǒng)是否需要開啟，如需要運行則由功率單元 來完成路燈的軟啟動 (一般情況下是由數(shù)十、甚至上百盞路燈組成一條街道的照 明系統(tǒng) )。路燈打開后，根據(jù)路面安裝的聲學(xué)傳感器采集到的路面車流量與行人 流量所發(fā)出的聲信號由智能控制器來發(fā)出控制信息，通過功率變換單元來控制 可變電抗變換器來決定路燈輸出電壓的大小，如果實時車輛與行人的流量較大， 即需要路燈的照度較高，系統(tǒng)根據(jù)需求自動調(diào)高路燈的輸出電壓 ;如果實時車輛與行人的流量較小，即路燈的照 度不需要很高，系統(tǒng)就會自動降低路燈的輸出電 壓。 子夜 時分，街道上車輛與行人寥寥無幾，這時路燈 的照度可以調(diào)低，滿足最低限度的照明即可，而這一時段通常為 4-5 個小時，在這段時間內(nèi)合理的控制路燈的照度，減少其功率消耗，不僅可以節(jié)約大 量的電能，同時也能提高燈具的利用率，增長其使用壽命，從物資的損耗上節(jié)約 其成本，以達到更高效率的節(jié)約 15。 智能控制器作為整套系統(tǒng)的核心部分其控制方 式選取的為模糊控制算法，采集的外部信號通過放大、轉(zhuǎn)換后輸入到控制器 的微處理器中，這里我們采集的信號為光信號與聲音信號兩種，其中光信號用來 控制整套系統(tǒng)的啟停，而聲音信號則用來實時反映外部環(huán)境 的要求，通過模糊控制的方式將采集的數(shù)據(jù)進 行處理比對，選取最優(yōu)化 的控制信號加以輸出。 2.2 智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)方案設(shè)計 本文設(shè)計的路燈節(jié)能控制系統(tǒng)所遵循的基本原則有 ： l)穩(wěn)壓控制 :任何功率電器在使用過程中都應(yīng)處于其穩(wěn)定的電壓范圍內(nèi)，作為與我們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)的路燈照明設(shè)備就更應(yīng)該穩(wěn)壓工作，保持路燈電壓平穩(wěn)從節(jié)能和功效兩方面來說都具有十分重要的意義 16。所以無論在用電的高峰還是低谷始終將供電電壓穩(wěn)定在規(guī)定范圍內(nèi)是路燈控制首要解決的問題。 2)軟起動功能 :由于路燈并聯(lián)后屬于大功率電器，而現(xiàn)在所使用的啟動方 式均為直接啟動，這種啟動方式會造成啟動電流過大，對燈具的耐用性有一定的損害，而且該起動電流還會引起電網(wǎng)電壓急劇下降，電壓頻率也會發(fā)生變化，這會破壞同電網(wǎng)其它設(shè)備的正常運行，因此使用軟啟動功能來點亮路燈可以防止起動時大電流對照明設(shè)備的不良影響 1718。 3)自動啟停 :路燈作為我們?nèi)粘Ｉ畋乇坏墓苍O(shè)施，它的啟停跟道路上行人與車輛的需求有著直接的關(guān)系，只要是環(huán)境需要無論是在雷雨將至的暑天午后還是日常狀況下的夜幕之時，它都會根據(jù)外部環(huán)境的明暗程度來自動判斷系統(tǒng)是否需要開閉。 4)具有較高的使用效率 :現(xiàn)代大 功率器件的控制理論中所遵循的一條基本原則是使大功率器件在運行使用過程中盡量不受電網(wǎng)中諧波的影響，使其電壓調(diào)節(jié)平穩(wěn)，這樣就可以大大提高負載的使用壽命。因一條或多條街道上的路燈數(shù)量從幾十盞到數(shù)百盞不等，并聯(lián)后可視為大功率電器，所以使之具有較高的使用效率也是我們要考慮到的重要因素之一。 除上述基本原則外，本文采用的路燈節(jié)能控制方案的特點也是其關(guān)鍵之處在表 1 幾種路燈節(jié)能方式比較 無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 5 于添加了智能調(diào)壓控制部分，基于模糊控制算法的該智能控制器可根據(jù)交通道路上車人流量的大小 (子夜后 )自動調(diào)整路燈供電電量的高低。通過控制路燈輸出電壓大小，降低其在人車 流量稀少時的照度 (該照度的降低不會影響此時段人車的正常通行 )，這種節(jié)能方式的提出，與傳統(tǒng)的路燈節(jié)能方法相比較具有本質(zhì)上的突破，其綜合性能如 表 1 所 示。 由上表可知，智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)與目前市場上常用的控制節(jié)能方法、光源節(jié)能方法相比較，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，從產(chǎn)品的成本和其消耗使用效率上來看也具有較強的價格優(yōu)勢。所以，綜合來講，智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)在路燈照明節(jié)能領(lǐng)域應(yīng)該很有前途的產(chǎn)品。 2.3 智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 本系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)由可變電抗變換器、功率單元、智能控制器組成。其中可變電抗變換器與功 率單元共同組成本文所提出可變電抗器，其變換原理圖如圖 2所示。 將可變電抗變換器的一次線圈與路燈負載串接，構(gòu)成一次阻抗串聯(lián)電路，其二次線圈與功率變換單元構(gòu)成二次阻抗變換電路，通過改變二次阻抗來改變一次阻抗與負載阻抗的比例關(guān)系，實現(xiàn)負載調(diào)節(jié)，從而改變路燈端電壓。 功率變換單元由電力電子功率器件、觸發(fā)控制器、信號檢測與處理器等組成。通過對晶閘管控制角的調(diào)整來控制可變電抗變換器二次線圈電流的大小，進而使得路燈的端電壓發(fā)生變化來改變路燈的照明亮度，它的基本工作原理如圖 3 所示。 表 1 幾種路燈節(jié)能方式比較 無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 6 圖 3 功率單元工作原理圖 圖中，觸發(fā)裝置收到來自于智能控制器的控制信號，觸發(fā)板輸出脈沖信號則使功率變換單元按要求改變晶閘管的導(dǎo)通情況，晶閘管的導(dǎo)通情況不同直接決定了可變電抗變換器二次線圈的電壓或電流發(fā)生變化，由于電磁感應(yīng)，使電抗器一次側(cè)電抗值發(fā)生變化（即可變電抗變換器），進而改變路燈的輸入電壓，使路燈不僅可以實現(xiàn)軟起動，也可以按要求進行自行調(diào)壓 控制其照度。 智能控制器通過對采集信號的處理，輸出實時需要的控制信號。與控制器相連的傳感器有光學(xué)傳感器和聲學(xué)傳感器兩種，光線的明暗經(jīng)過光學(xué)傳感器轉(zhuǎn)變成模擬信號，智能控制器通過對該信號的處理輸出對路燈是否開啟或關(guān)斷的控制決策 ;而現(xiàn)場的聲音情況通過聲學(xué)傳感器的采集和處理也得到相應(yīng)的模擬信號，將此信號輸入至智能控制器中，由智能控制器依據(jù)模糊控制算法來調(diào)整路燈的輸入電壓，將路燈的照度與實時街道上人車流量相對應(yīng)，使其亮度效果達到最佳。智能控制器控制流程圖如圖 4 所示。 圖 4 智能控制器控制流程圖 圖 2 可變電抗器阻抗變換原理圖 _ .-() o( )_-_ 無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 7 3 硬件設(shè)計 3.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計 智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)的硬件部分由智能控制器和功率變換單元組成。其中功率變換單元由電力電子功率器件、觸發(fā)控制器、信號檢測與處理器等組成。智能控制系統(tǒng)硬件主要由聲學(xué)傳感器、光學(xué)傳感器、信號變送器、微處理器、 A/D和 D/A 轉(zhuǎn)換器等組成。 硬件系統(tǒng)的工作原理為 :光信號通過光電傳感器轉(zhuǎn)變成模擬信號，經(jīng)變送器輸入至 A/D 轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉。噪聲信號通過噪聲傳感器轉(zhuǎn)變成電信號，通過模糊控制算法實時處理人車流量信息，動態(tài)調(diào)節(jié)燈光強弱度，實現(xiàn)節(jié)能控制。其系統(tǒng)框圖如圖 5 所示。 圖 3-1 硬件結(jié)構(gòu)框圖 3.2 光學(xué)信號的采集與檢測設(shè)計 3.2.1 光源檢測原理 光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件 3部分組成。其基本原理是以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)，把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電效應(yīng)是指用光照射某一物體，可以看作是一連串帶有一定能量的光子轟擊在這個物體上，此時光子能量就傳遞給電子，并且是一圖 5 硬件結(jié)構(gòu)框圖 無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 8 個光子的全部能量一次性地被一個電子所吸收，電子得到光子傳遞的能量后其狀態(tài)就會發(fā)生變化從而使受光照射的物體產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)。通常把光 電效應(yīng)分為3類 ： (l)在光線作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，如光電管、光電倍增管等 ; (2)在光線作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)，如光敏電阻、光敏晶體管等 ; (3)在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)，如光電池等。 3.2.2 檢測裝置所需器件及選型 在本系統(tǒng)的設(shè)計過程中，光源檢測用于整套系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉，因此只需要具有內(nèi)光電效應(yīng)的光敏器件即可。 光敏器件包括光敏電阻、光敏二極管及光敏三極管等。光敏電阻的工作原理是用光電導(dǎo)體制成的光電器件又稱光導(dǎo)管，它是 基于半導(dǎo)體光電效應(yīng)工作的。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時可加直流偏壓，也可以加交流電壓。當(dāng)無光時，光敏電阻值 (暗電阻 )很大，電路中電流很小。當(dāng)光敏電阻受到一定波長范圍的光照時，它的阻值 (亮阻值 )急劇減少，因此電路中電流迅速增加 19。 光敏二極管的外型與一般二極管一樣，只是它的管殼上開有一個嵌著玻璃的窗口，以便于光線射入，為增加受光面積， PN 結(jié)的面積做得較大，光敏二極管工作在反向偏置的工作狀態(tài)下，并與負載電阻相串聯(lián)，當(dāng)無光照時，它與普通二極管一樣，反向電流很小 (uA)，稱為光敏二極管的暗電 流 ;當(dāng)有光照時，載流子被激發(fā)，產(chǎn)生電子空穴，稱為光電載流子。在外電場的作用下，光電載流子參于導(dǎo)電，形成比暗電流大得多的反向電流，該電流稱為光電流。光電流的大小與光照強度成正比，于是在負載電阻上就能得到隨光照強度變化而變化的電信號。 光敏三極管除了具有光敏二極管能將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的功能外，還有對電信號放大的功能，其符號如圖 6 所示。光敏三極管的外型與一般三極管相差不大，一般光敏三極管只引出兩個極 發(fā)射極和集電極，基極不引出，管殼同樣開窗口，以便光線射入。為增大光照，基區(qū)面積做得很大，發(fā)射區(qū)較小，入射光主要被 基區(qū)吸收。工作時集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。在無光照時管子流過的電流為暗電流： Ieco 一 (l+p)Iebo(很小 )， 比一般三極管的穿透電流還小 ;當(dāng)有光照時，激發(fā)大量的電子空穴對，使得基極產(chǎn)生的電流 Ib 增大，此刻流過管子的電流稱為光電流，集電極電流： Ie=(l+p)Ib， 可見光電三極管要比光電二極管具有更高的靈敏度。 由于本系統(tǒng)涉及的光源采集為系統(tǒng)啟停提供控制信息，所以采用光敏電阻即可滿足系統(tǒng)需求。光敏電阻和其它半導(dǎo)體光電器件相比有以下特點 : l)光譜響應(yīng)范圍相當(dāng)寬。根據(jù)光電導(dǎo)材料的不同，光譜響應(yīng)可從紫外光 、可見光、近紅外擴展到遠紅外，尤其對紅光和紅外輻射有較高的響應(yīng)度。 2)工作電流大，可達數(shù)毫安。 3)所測光強范圍寬。既可測強光也可測弱光。 4)靈敏度高。光導(dǎo)電增益大于 l。 5)偏置電壓低，無極性之分，使用方便。 無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 9 圖 7 所示是利用光敏電阻控制的路燈自動啟停電路。該電路由兩部分組成。電阻 R、電容 C 和二極管 D 組成半波整流電路。 CdS 光敏電阻和 J 組成光控繼電器。路燈接在繼電器常閉觸點上，光控繼電器控制燈的 l從燃到熄滅。工作原理是 :晚上光線很暗， CdS 光敏電阻阻值很大，流過 J 的電流很小，使繼電器 J 不動作，路 燈接通電源點亮。早上，天漸漸變亮，即照度逐漸增大， CdS 光敏電阻受光照后，阻值變小，流過 J 的電流逐漸增大，當(dāng)照度達到一定值時，流過繼電器的電流足以使 J 動作，使其閉合，其常閉觸點斷開，路燈熄滅。 3.3 聲學(xué)信號的采集與檢測設(shè)計 3.3.1 聲學(xué)檢測原理 聲音測量結(jié)構(gòu)如圖 8 所示。其中，外部聲音信號傳播到傳聲器，并通過運算放大器將輸入的微弱音頻信號轉(zhuǎn)換為一信號電平 (電壓信號 )，此電壓信號則由AD 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號發(fā)送至單片機，單片機根據(jù)輸入的數(shù)字信號進行處理，并經(jīng)量綱轉(zhuǎn)換出所對應(yīng)的 DB 值，最后在單片機控制 下由 LCD 實時顯示出來。 圖 6 光敏三極管符號示意圖 圖 7 采用光敏電阻控制的路燈自動點熄電路 無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 10 圖 8 聲音檢測結(jié)構(gòu)框圖 3.3.2 檢測裝置所需器件及選型 本系統(tǒng)選用傳聲器作為路面聲音信號的采集裝置。傳聲器 (microphone)俗稱話筒，是將聲源通過空氣振動產(chǎn)生的聲波轉(zhuǎn)換成電信號的換能設(shè)備，是一種重要的電聲器件。傳聲器作為音頻系統(tǒng)的第一環(huán)節(jié)，應(yīng)具備結(jié)構(gòu)堅固、性能穩(wěn)定的品質(zhì)，能滿足在特 定使用條件下的基本要求。其基本技術(shù)特性為： (l)傳聲器的靈敏度 傳聲器的靈敏度表示傳聲器的聲一電轉(zhuǎn)換效率，當(dāng)傳聲器的振膜受到聲壓的作用時，在負載上所產(chǎn)生的電動勢或電壓的數(shù)值，稱為傳聲器的靈敏度。視負載情況不同，分為開路 (空載 )靈敏度和帶載靈敏度。 (2)傳聲器的響應(yīng)頻率 傳聲器的頻率響應(yīng)指傳聲器靈敏度依從頻率的關(guān)系，簡稱頻響，靈敏度與頻率之間的關(guān)系曲線叫頻響曲線。在給定的頻率范圍內(nèi)，頻響的不均勻度以 dB 來度量。響特性是評價傳聲器音質(zhì)的最重要的標準，如果頻響曲線從低端到高端都很平坦，則說明它能真實地再現(xiàn)原聲 ，而事實上即使是最高級的傳聲器也存在高頻提升、低頻下降的情況。因此，在一定頻帶寬度內(nèi)頻響的不均勻度越小，其有效頻率范圍就越窄。為獲得良好的音質(zhì)，要求傳聲器的頻響應(yīng)具有寬而平直特性。 (3)傳聲器的指向性 傳聲器的指向性是傳聲器的靈敏度隨聲波入射方向變化的特性，又稱為方向性。不同的聲波入射角所得入射 角頻率曲線，就是傳聲器的指向頻響曲線。通常以傳聲器與聲源同聲軸 0。 (正向 )90。 (側(cè)向 )和 180。 (背向 )這二種角度來測定其頻響，從中確定其頻率特性 .正背相差越大，指向性就越強。傳聲器的輸出阻抗指傳聲器的交流內(nèi)阻， 又稱源阻抗。通常的測定方法是 :在聲頻為 1000Hz、聲壓為 1pa聲場中，調(diào)節(jié)傳聲器輸出端可變電阻的阻值，使傳聲器的輸出電壓值為不接可變電阻時開路輸出電壓值的 1/2，此時電阻的阻值即為傳聲器的輸出阻抗。 (4)傳聲器的最大聲壓極 在強聲壓作用下，傳聲器輸出產(chǎn)生非線性諧波失真達到 0.5%-l%時的聲壓級稱為最大聲壓級。它是衡量傳聲器性能優(yōu)劣的一項重要指標。 (5)傳聲器的等效噪聲級 傳聲器的等效噪聲級也稱固有噪聲。在理想情況下 ，當(dāng)聲壓等于零時，傳聲器的輸出電壓也應(yīng)等于零。事實上由于傳聲器的內(nèi)部或外部導(dǎo)線中分子的 熱 .運動，周圍空氣氣流的微弱變化，使傳聲器在無聲壓作用于振膜時仍有一定的電壓輸出，這個電壓稱為傳聲器的固有噪聲或固有噪聲電壓。通常用等效噪聲聲壓級來衡量傳聲器固有噪聲的大小。傳聲器的等效噪聲級與靈敏度有關(guān)，在固有噪聲相同時，傳聲器靈敏度越高，等效噪行級越小。通常高保真?zhèn)髀暺鞯牡刃г肼暭壭∮诘扔?26dB 無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 11 (6)傳聲器的失真度 傳聲器的失真度的含義是聲源信號經(jīng)傳聲器拾音以后聲頻畸變的程度。當(dāng)傳聲器的振動波形與聲源不同，某些頻率與諧波出現(xiàn)增減，便產(chǎn)生了非線性諧波失真。雖然有的傳聲器的振動波形與聲源相同，但一些頻率 或諧波的強度與聲源不同，就產(chǎn)生了線性失真，也稱之為頻率失真。當(dāng)作用于傳聲器的聲壓超過最大聲壓級時，傳聲器輸出信號的非線性畸變會超過允許范圍而不能校正。 (7)傳聲器的動態(tài)范圍 傳聲器所能拾取聲音音量的大小，上限受到線性失真 (最大聲壓級 )的限制，下限受到等效噪聲級的限制，因此，傳聲器的動態(tài)范圍是最大聲壓級與等效噪聲級之差。顯然，最大聲壓級越高則等效噪聲級越低。傳聲器的動態(tài)范圍就越大，越能適應(yīng)獲取音量變化范圍大的聲音的需要。 傳聲器的種類很多，按換能原理可分為電動式、電容式、電磁式、壓電式、半導(dǎo)體式傳聲器 ;按接 收聲波的方向性可分為無指向性和有方向性兩種，有方向性傳聲器包括心形指向性、強指向、雙指向性等 ;按用途可分為立體聲、近講、無線傳聲器等。 (l)動圈傳聲器 動圈傳聲器是一種最常用的傳聲器。 主要由振動膜片、音圈、永義磁鐵和升壓變壓器等組成。它的工作原理是當(dāng)人對著話筒講話時，膜片就隨著聲音前后顫動，從而帶動音圈在磁場中作割磁力線的運動。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在線圈兩端就會產(chǎn) 感 應(yīng)音頻電動勢，從而完成了聲電轉(zhuǎn)換。為了提高傳聲器的輸出感應(yīng)電動勢和阻抗，還需裝置一只升壓變丈五器。 動圈傳聲器結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定靠、使用方便、固有 噪聲小，被廣泛用于語言廣播和擴聲系統(tǒng)中。但缺點是靈敏度較低、頻率范圍窄。近幾年己有專用動圈傳聲器，其特性和技術(shù)指標都較好。 (2)電容傳聲器 電容傳聲器是靠電容量的變化而工作的。它的結(jié)構(gòu)如圖 3-8 所示，主要由振動膜片、剛性極板、電源和負載電阻等組成。它的工作原理是當(dāng)膜片受到聲波的壓力，并隨著壓力的大小和頻率的不同而振動時，膜片極板之間的電容量就發(fā)生變化。與此同時，極板上的電荷隨之變化，從而使電路中的電流也相應(yīng)變化，負載電阻上也就有相應(yīng)的電壓輸出，從而完成了聲電轉(zhuǎn)換。電容傳聲器的頻率范圍寬、靈敏度高、失真小、 音質(zhì)好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，多用于高質(zhì)量的廣播、采音、錄音、，擴音中。 (3)駐極體電容傳聲器 這種傳聲器的工作原理和電容傳聲器相同，所不同的是它采用一種聚四氟乙烯材料作為振動膜片。由于這種材料經(jīng)特殊電處理后，表面被永久地駐有極化電荷，從而取代了電容傳聲器的極板，故名為駐極體電容傳聲器。其特點是體積小、性能優(yōu)越、使用方便，被廣泛地應(yīng)用在盒式錄音機中作為機內(nèi)傳聲器。 (4)無線傳聲器 無線傳聲器實際 !幾是一種小型的擴聲系統(tǒng)。它由一臺微型發(fā)射機組成。發(fā)射機又由微型駐極體電容式傳聲器、調(diào)頻電路和電源三部分組成，無 線傳聲器采用了調(diào)頻方式調(diào)制信號，調(diào)制后的信號經(jīng)傳聲器的短開線和發(fā)射出去，其發(fā)射頻率的范圍按國家規(guī)定在 100MHz-120MHz之間，每隔 2MHz為一個頻道，避免互相干擾。 無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 12 無線傳聲器與接收機應(yīng)一一對應(yīng)，配套使用，不得張冠李戴，出現(xiàn)差錯。接收機是專用調(diào)頻接收機，但是一般的調(diào)頻收音機只要使其調(diào)諧頻率調(diào)整在無線傳聲器發(fā)射的頻率上，同樣能收聽到無線傳聲器發(fā)出的聲音。 無線傳聲器體積小、使用方便、音質(zhì)良好、話筒與擴音機間無線、移動自如、且發(fā)射功率小，因此在教室、舞臺、電視攝制方面得到了廣泛的應(yīng)用。 由于本系統(tǒng)采集的聲 音信號為道路上行人與車輛所發(fā)出，則需要靈敏度高、非線性失真小、頻響范圍寬的傳聲器。通過上文的闡述，可選用電容式傳聲器作為路面聲音信息的采集裝置，優(yōu)質(zhì)電容式傳聲器的頻響可達到聲頻的范圍是20Hz-20KHz，適合于高質(zhì)量的識音。國產(chǎn)電容式傳聲器用 CRX-X表示，如 CRI-6，CRGI-2 等。 3.4 功率變換單元設(shè)計 方案中已經(jīng)闡明，功率單元處于可變電抗器低壓控制繞組側(cè)，我們采用晶閘管交流調(diào)壓方式，控制改變電抗器低壓側(cè)電壓，使高壓側(cè)電抗可變。功率變換單元由電力電子功率器件、觸發(fā)控制器、信號檢測與處理器等組成。 通過對晶閘管控制角的調(diào)整來控制可變電抗變換器二次線圈電流的大小，進而使得路燈的端電壓發(fā)生變化來改變路燈的照明亮度。 當(dāng)路燈開始起動時，電網(wǎng)三相交流電經(jīng)可變電抗變換器高壓側(cè) (即 AX、 BY、CZ)后達路燈，可變電抗器低壓側(cè)線圈將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，三相低壓繞組相當(dāng)于三相電源。交流調(diào)壓原理就是，在交流電源和負載之間，用兩個晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)到交流電路中，通過對晶閘管的控制來改變交流電力，這種電路不改變交流電的頻率，稱為交流電力控制電路。在每半個周波內(nèi)通過對晶閘管開通相位的控制，可以方便的調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值，實現(xiàn)三相 交流調(diào)壓。 根據(jù)三相聯(lián)結(jié)形式不同，三相交流調(diào)壓電路具有多種形式。包括星形聯(lián)結(jié)、線路控制三角形聯(lián)結(jié)、支路控制三角形聯(lián)結(jié)、中點控制三角形聯(lián)結(jié)。這里采用了星形電路三相四線制連接，此時，相當(dāng)于單相交流調(diào)壓電路的組合，三相互錯開120。 工作。 由于路燈是阻感性負載，從電力電子學(xué)中可以知道，當(dāng)晶閘管交流調(diào)壓電路帶有阻感性負載時，移相角 只有在 180。 范圍，才能起到調(diào)壓作用。 為負載阻抗角。 為了便于分析，我們預(yù)先假定 ： (l)電源為三相對稱的正弦電壓源，電源的內(nèi)阻抗為零 ； (2)各晶閘管的特性一致，對稱觸發(fā)，關(guān) 斷狀態(tài)時，其阻抗為無窮大 ； 導(dǎo)通狀態(tài)時，其阻抗為零 ； (3)路燈為理想負載，穩(wěn)態(tài)運行時，功率因數(shù)恒定。 在調(diào)壓時，路燈上所得到的電壓與電流波形在不同 角時是不同的。例如晶閘管調(diào)壓器在電機起動時，隨著控制角 由大到小變化時，路燈所得的電壓也隨之升高的，而路燈上電流變化的一般趨勢是從大減小到額定值。由于調(diào)壓控制在實質(zhì)上是改變一個周期內(nèi)電壓波形導(dǎo)通角的大小，所以輸出的不是正弦波，但由于晶閘管是對稱觸發(fā)，所以每一相負載上所得到的電壓及穩(wěn)態(tài)時的相電流是三相對稱的。其中 角為觸發(fā)角， 角為續(xù)流角， 為晶閘管真正導(dǎo)通角， U1 為路燈相電壓。 角決定了晶閘管的輸出電壓，故改變 角的大小就可以調(diào)節(jié)電抗器低壓側(cè)電壓 U1。 3.5 智能控制器硬件設(shè)計 3.5.1 AD 轉(zhuǎn)換電路 無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 13 微處理器只能識別和處理數(shù)字量，因此信號檢測模塊輸出的模擬信號必須經(jīng)過模 /數(shù)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量，才能完成軟起動信號的采集，所以設(shè)計中采用 AD 轉(zhuǎn)換電路完成這一信號轉(zhuǎn)換。 AD 轉(zhuǎn)換器是 AD 轉(zhuǎn)換電路的核心，本設(shè)計中采用的是美國 T1 公司生產(chǎn)的 12 位串行 A/D 轉(zhuǎn)換器 TLC2543。 TLC2543 是 CMOS、 12 位開關(guān)電容逐次逼近式 AD 轉(zhuǎn)換器。它有三個輸入端和一個三態(tài)輸出端 :片選 (CS)、輸入 /輸出時鐘 (FOCLK)、地址輸入 (ADDRESS)和數(shù)據(jù)輸出 (DATAOUT)。這樣通過一個直接的四線接口與主處理器通信。片內(nèi)含有 14 通道多路選擇器可以選擇 11 個輸入中的任何一個或三個內(nèi)部自測試電壓中的一個。片內(nèi)設(shè)有自動采樣保持電路。系統(tǒng)時鐘由片內(nèi)產(chǎn)生并與 FOCLK 同步。片內(nèi)轉(zhuǎn)換器設(shè)計使器件具有高速 (10uS 轉(zhuǎn)換時間 )、高精度 (12 位分辨率、最大正負 1LSB 線性誤差 )和低噪聲的特點。 一般地， TLC2543 與微處理器之間的數(shù)據(jù)傳送僅需將 CS、 FOCLK 、ADDRESS、 DATAOUT 一與處理器的 FO 口相連，通過軟件合成控制時序即可。在本系統(tǒng)中，為了防止工業(yè)現(xiàn)場的干擾，采用了光電隔離電路切斷了處理器與模擬量輸入通道 (包括傳感器、信號調(diào)理電路和 AD 轉(zhuǎn)換電路 )之間的電氣聯(lián)系。電路原理圖設(shè)計中使用光電禍合器 6N137 對 TLC254)和單片機之間的線路進行光電隔離，從而大大提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力 20。 3.5.2 D/A 轉(zhuǎn)換電路 本設(shè)計中，需要由微處理器系統(tǒng)提供控制信號給觸發(fā)控制模塊，該信號為0-10V 直流電壓信號。為了把控制信號由數(shù)字量轉(zhuǎn)換成 符合觸發(fā)控制模塊需要的模擬電壓信號，設(shè)計了 DA 轉(zhuǎn)換電路。 電路中使用 D/A 轉(zhuǎn)換器 TLC56 巧進行 D/A 轉(zhuǎn)換， TLC5615 是一個串行 10 位DAC 芯片，性能優(yōu)于早期電流性輸出的 DAC。只需要通過 3跟串行總線就可以完成 10 位 數(shù)據(jù)的串行輸入，易于和工業(yè)標準的微處理器或微控制器接 。其主要特點為 :單 5V 電源工作 ； 3線串行接口 ； DAC 輸出的最大電壓為 2倍基準輸入電壓 ；轉(zhuǎn)換速率快，更新率為 1.2lMHz。 本系統(tǒng)中， TLC5615 的數(shù)據(jù)輸入端 (DIN)、始終信號端 (SCLK)分別與P89V5lRDZ 單片機的 SPI 接口的 MOsl 和 SCK 端相連，利用單片機的 SPI 接口完成對 TLC5615 的控制，提高了轉(zhuǎn)換速度，降低了軟件的復(fù)雜程度。 TLC56 巧轉(zhuǎn)換輸出為 0-5V 直流電壓，為把該輸出電壓轉(zhuǎn)化為 0-10V 直流電壓，使用運算放大器 LM348 組成同相比例放大電路，經(jīng)比例放大后，輸出 0-10V直流信號輸入觸發(fā)板作為該模塊的給定信號 。 3.5.3 開關(guān)量輸入 /輸出電路 (l)開關(guān)量輸入電路 開關(guān)量輸入電路主要用于接受各設(shè)備狀態(tài)信號和工作人員的操作命令，包括 ： 電機起動、警報接觸、急停、故障報警、開關(guān)和斷路器的反饋信號等。開關(guān)量輸入電路原 理圖如圖 9 所示。 開關(guān)量輸入電源由 +24V 直流電源提供。輸入的開關(guān)量通過光禍 TLP521 隔離后輸送到微處理器，微處理器根據(jù)輸入開關(guān)量進行相應(yīng)的操作。 (2)開關(guān)量輸出電路 開關(guān)量輸出信號主要用于控制微型繼電器，微型繼電器用于控制指示燈、蜂鳴器和中間繼電器的狀態(tài)，以完成對應(yīng)開關(guān)設(shè)備的動作。開關(guān)量輸出電路原理圖如圖 10 所示。 無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 14 電路中的 I/O 并不足以直接驅(qū)動繼電器，因此需要經(jīng)過驅(qū)動電路進行轉(zhuǎn)換，使輸出的驅(qū)動電壓、電流能夠適應(yīng)繼電器的要求。還需要解決在負載動作時，對電源的干擾以及斷開電流時線圈電感在線 圈兩端產(chǎn)生的極高的感應(yīng)電壓等問題。所以，設(shè)計使用了光電禍合器 TLP521 進行了光電隔離，輸出信號通過控制三極管的開關(guān)來控制繼電器的狀態(tài)。同時，在繼電器線圈兩端并聯(lián)續(xù)流二極管，使繼電器線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流由二極管流過，從而使三極管得到保護。在繼電器的觸點加入阻容消弧電路，用以消除繼電器觸點斷開使產(chǎn)生的電弧。 4 軟件設(shè)計 4.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計 在軟件開發(fā)的過程中，我們采用了了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法，使得軟件系統(tǒng)具有了模塊化的特點。結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計是在 70 年代逐漸被采用的一種新型的程序設(shè)計方法，它具有易讀、易查、易調(diào)試 、編程效率高等優(yōu)點。軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模塊如圖 11 所示。 圖 9 開關(guān)量輸入電路原理圖 圖 10 開關(guān)量輸出電路原理圖 無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 15 圖 11 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)軟件分成通信模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)處理與分析模塊和 LCD 顯示。服務(wù)功能為 :將傳感器采集到的實時現(xiàn)場聲音信號通過 A/D 轉(zhuǎn)換發(fā)送到單片機中，在單片機的系統(tǒng)中先設(shè)置好聲音級別對應(yīng)的控制數(shù)據(jù)，將傳送進來的實 時音頻數(shù)據(jù)與設(shè)定的好的數(shù)據(jù)進行比較，判斷該實時音頻數(shù)據(jù)應(yīng)對應(yīng)的控制數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)輸出，通過 D/A 轉(zhuǎn)換來控制路燈的亮度，并在 LCD 上顯示出實時的聲音分貝。 4.2 數(shù)據(jù)采集與處理程序設(shè)計 街道路面信息數(shù)據(jù)的采集與處理是系統(tǒng)的主要任務(wù)之一，要正確而高效的完成數(shù)據(jù)的采集與處理首先必須解決以下兩個問題： 1)數(shù)據(jù)采集與處理首先必須處理好標度變換問題。由于系統(tǒng)采集的各種參數(shù)都有不同的量綱和數(shù)值，被測信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量之后，往往還要轉(zhuǎn)換成操作人所熟悉的工程量，這種轉(zhuǎn)換就是標度變換。 2)在微機測控系統(tǒng)中，存在大量的現(xiàn)場干擾 ，采集的數(shù)據(jù)都存在不同程度的信號污染，因此應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)受干擾性質(zhì)和干擾后果的不同，采取相應(yīng)的軟硬件措施清除干擾。采用軟件的方法方便靈活，成本低。常用的軟件抗干擾的方法有：有效性檢查、數(shù)字濾波、數(shù)字調(diào)零和自動校正等都是應(yīng)用廣泛的數(shù)據(jù)處理技術(shù)。 4.2.1 標度變換技術(shù) 由于實際測量到的各個參數(shù)都有不同的量綱和數(shù)值，這些參數(shù)首先由測量儀表轉(zhuǎn)換成模擬信號，再經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換后成為一系列數(shù)字量。這些數(shù)字量僅僅代表參數(shù)值的大小，并不一定等于原來帶有量綱的參數(shù)值，為了能直接顯示被測工程量值，必須把它們轉(zhuǎn)換成有量綱的數(shù)值。標 度變換主要有線性和非線性兩種變換。 l)線性參數(shù)的標度變換技術(shù) 該標度變換的前提是參數(shù)值與 A/D 變換結(jié)果之間為線性關(guān)系，其變換公式為： Y=Y0+(Ym-Y0)(X-N0)/Nm-N0 上式中， Y 表示參數(shù)的測量值 ； Ym 表示參數(shù)量程最大值； Y0 表示參數(shù)量程最小 值； Nm 表示對應(yīng)的 A/D 轉(zhuǎn)換后的輸入值 ； N0 表示 Y0 對應(yīng)的 A/D 轉(zhuǎn)換后的輸入值； X 表示側(cè)量值 Y 所對應(yīng)的 A/D 轉(zhuǎn)換值。 一般情況下，在編寫程序時， Ym、 Y0、 Nm、 N0 都是已知的，因而可以把 無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 16 上式寫成： Y=a0+a1*X 這是一個一次多項式， a0、 a1 為兩個系數(shù)。在編程前，應(yīng)根據(jù) Ym、 Y0、 Nm、N0 先算出 a。、 a1，然后按上式編寫程序來計算 Y。 2)非線性參數(shù)的標度變換技術(shù) 當(dāng)傳感器輸出的數(shù)據(jù)與實際被檢測的參數(shù)之間不是線性關(guān)系，而是由傳感器和測量方法所決定的某種函數(shù)關(guān)系時，則需要采用非線性標度變換。此時的標度變換式應(yīng)根據(jù)具體問題具體分析，本文將音頻信號在短時間內(nèi)采集到的參數(shù)值與A/D 變換結(jié)果視為線性關(guān)系，故在此對非線性參數(shù)的標度變換不作詳細介紹。 4.2.2 有效性檢查 為避免測量元件、信號線路的開路，確保單片機采集到的數(shù)據(jù)的真實性，通常都要對輸入數(shù)據(jù) 進行有效性檢查，這是保證系統(tǒng)可靠性措施之一。在系統(tǒng)設(shè)計時總是使被測量的模擬信號處于某個標準電壓或電流范圍內(nèi)，如果測量儀表或信號傳送線路出現(xiàn)故障，其信號便會達到甚至超過信號標準的上下限值，單片機便可發(fā)出報警信號，提醒維修人員進行處理。 4.2.3 數(shù)字濾波 數(shù)字濾波就是通過一定的計算機程序減少干擾信號在有用信號中的比重，故實際上是一種程序濾波。數(shù)字濾波能夠克服模擬濾波器的不足，它與模擬濾波器相比有以下優(yōu)點： (l)由于數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，因而不需要增加硬件設(shè)備，可以多個輸入通道 “ 共用 ” 一個濾波程序。 (2)由于數(shù)字濾波不需要硬件設(shè)備，因而可靠性高，穩(wěn)定性好，各回路之間不存在阻抗匹配等問題。 (3)數(shù)字濾波能對頻率很低的干擾信號實現(xiàn)濾波，克服了模擬濾波器的缺陷，而且通過改寫數(shù)字濾波程序可以實現(xiàn)不同的濾波方法，這比改變模擬濾波器的硬件要靈活、方便。 常用的數(shù)字濾波方法為程序判斷濾波法： 當(dāng)采樣信號由于隨機干擾而引起失真時，可采用程序判斷濾波。該方法是根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，確定出兩次采樣的輸入信號可能出現(xiàn)的最大偏差 Y，如果超過此偏差值，則表明該輸入信號是干擾信號，就用上次的采樣代替本次采樣 ： 如果小于此偏差值，可將信號作 為本次采樣值。其算法為： Yn=Yn Yn-Yn-1 Y 或 Yn=Yn Yn-Yn-1 Y 式中 Yn 為第 n 次采樣值 ； Y 為兩次采樣值所允許的最大偏差，其大小取決于采樣周期和 Y 值的變化范圍，由被測量值的實際情況決定。這種方法的關(guān)鍵問題是 Y 的選擇， Y 選得太大，干擾信號無法濾除， Y 選得太小，會將某些有用信號也濾除。 4.2.4 程序設(shè)計 本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集主要是光信號和聲音信號的采集，而光信號則是直接用來控制整套系統(tǒng)的啟停，通過模擬電路即可實現(xiàn)其控制。對聲音信號的采集處理則采用軟、硬件結(jié)合的方式，其 程序流程圖如圖 12 所示。 無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 17 根據(jù)程序流程圖我們設(shè)計出了相應(yīng)的控制程序，其中數(shù)據(jù)采集和處理的部分程序如下： unit ad2543(uchar port) unit ad; unit I; uchar al =0,ah = 0; CLOCK = 0; -CS = 0; /片選 nop(10); for(i = 0;i8;i+); /把通道號打入 2543 ADDRESS =(bit)(port & 0*80); /取最高位輸出 nop(5); CLOCK =1; /高電平，產(chǎn)生一個上升沿，此時輸入一位地址 nop(5); CLOCK =0; nop(5); port = port1; /左移一位，使下一位地址至最高位 圖 12 數(shù)據(jù)采集程序流程圖 無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 18 for(i=0;i4;i+); /填寫 4 個 CLOCK，此時正在進行 AD 轉(zhuǎn)換 CLOCK=1; nop(5); CLOCK=0; nop(5); -CS = 1; nop(10); -CS = 0; /等待 AD 轉(zhuǎn)換 nop(10); for(i=0;i4;i+); /取 D9,D8 CLOCK = 1; nop(5); ah = ah 1; if(D-OUT) ah = ah 0*0 ; CLOCK = 0; nop(5); for(i=0;i8;i+); /取 D7-D0 CLOCK = 1; nop(5); al = al 1; if(D-OUT) al = al 0*0 ; CLOCK = 0; nop(5); -CS = 1; nop(10); /得到 AD 值 ad = (uint)ad; ad = ad8; ad = ad (uint)al; return ad; 算術(shù)平均濾波方法的部分程序為： #define N 10 char filter() 無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 19 int sum = 0; for(count=0;countN;count+) sum + = get-ad(); delay(); return(char)(sum/N); 標度變換子程序是將聲音信號轉(zhuǎn)換為聲音值，以便于顯示或與設(shè)定值在相同的量綱進行比較。由于街道路面的環(huán)境情況較為復(fù)雜，聲音的采集在一段時間內(nèi)呈現(xiàn)為非線