基于全自然光的公路隧道智能照明系統(tǒng)

1、摘 要自然光是取之不盡用之不竭的可再生資源，它具有儲量無限性，存在普遍性，使用清潔性的特點。充分利用自然光照明既節(jié)約大量傳統(tǒng)照明用電, 又保護了環(huán)境, 已經(jīng)成為現(xiàn)在綠色照明的一種重要能源。光導(dǎo)照明系統(tǒng)( day lighting system ), 是繼光熱、光電模式后誕生的利用太陽能的新方式。公路隧道具有縮短公路里程、提高交通運輸效率、節(jié)省用地等優(yōu)越性。隨著公路建設(shè)的蓬勃發(fā)展，隧道照明設(shè)施的規(guī)模和數(shù)量越來越大，隧道照明能耗及安全問題日漸突出。針對目前我國中短距公路隧道存在的高耗能及不安全等照明缺點，本文設(shè)計了基于全自然光的公路隧道智能照明系統(tǒng)。根據(jù)隧道照明規(guī)范，將全自然光與led節(jié)能燈結(jié)合，

2、通過光電開關(guān)gl30檢測車流量和光敏電阻lxd3526檢測光強來啟動自然光照明系統(tǒng)和led節(jié)能燈照明，利用at89s51單片機實現(xiàn)智能控制的新型照明技術(shù)應(yīng)用到隧道照明系統(tǒng)中，滿足公路隧道安全及節(jié)能照明要求，實現(xiàn)節(jié)能減排以及綠色照明的目的。關(guān)鍵詞自然光 led節(jié)能燈 車流量檢測 光強檢測 智能控制abstract：natural light is inexhaustible renewable resources, it has many characteristics, such as unlimited reserves, universal existence, the use of cl

3、ean. full use of natural lighting not only save a lot of traditional electricity for lighting, but also to protect the environment, it has become an important energy source of the green lighting. day lighting system is becoming a new way of using solar energy after light and heat, photoelectric mode

4、.highway tunnel can shorten the length of highways, improve the efficiency of transportation, saving land and other advantages. with the vigorous development of highway construction, growing the size and number of tunnel lighting, tunnel lighting energy consumption and security issues have become in

5、creasingly prominent. in order to solve lighting shortcomings of the high energy consumption and unsafe for short-range highway tunnel in china, this paper designed a program of highway tunnel full of natural light-based intelligent lighting system. according to the tunnel lighting specification, co

6、mbined with the natural light and led energy-saving lamps, by photoelectric switch the gl30 detecting traffic flow and the photoresistor lxd3526 detecteing light intensity to start the natural lighting systems and led energy-saving lighting, by using at89s51 microcontroller to achieve intelligent co

7、ntrol applied to the tunnel lighting system for the new lighting technology, to meet the requirements of road tunnel safety and energy-efficient lighting, energy saving and green lighting purpose.keywords: natural light led energy-saving lamps flow detection intensity detection intelligent control目

8、錄1 緒論11.1 前言11.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀11.3 課題研究的意義31.4 本文研究的內(nèi)容52 方案論證62.1 控制系統(tǒng)的選擇62.2 控制方式的選擇73 元器件選擇83.1 處理器的選擇83.2 照明模塊的選擇83.3 光強檢測模塊的選擇93.4 車流量檢測模塊的選擇103.5 太陽光的采集與導(dǎo)入的選擇114 太陽光追蹤與太陽光導(dǎo)入選擇124.1 太陽光的追蹤的選擇124.2 太陽光導(dǎo)入系統(tǒng)的選擇135 控制電路設(shè)計155.1 單片機介紹155.2 時鐘電路195.3 復(fù)位電路205.4 電源電路205.5 報警電路215.6 車流量檢測模塊215.7 光強檢測模塊265.8 繼電器

9、276 系統(tǒng)軟件設(shè)計297 經(jīng)濟效益分析與節(jié)能減排分析307.1 經(jīng)濟效益分析307.2 節(jié)能減排分析318 系統(tǒng)實現(xiàn)328.1 實際公路隧道照明亮度需求計算328.2 照亮此隧道所需的集光面積計算338.3 所需的led節(jié)能燈計算338.4 調(diào)試實物圖339 總結(jié)34參考文獻(xiàn)35致 謝36附錄37附錄一 主程序37附錄二 系統(tǒng)電路原理圖411 緒論1.1 前言公路隧道在我國正以空前的速度修建，建設(shè)施工的技術(shù)難度、技術(shù)含量不斷加大，大跨度、大斷面隧道不斷出現(xiàn)，高海拔、高寒區(qū)隧道建設(shè)取得突破性進(jìn)展，斷面形式更是由單洞到雙洞，由雙洞到連拱，由雙連拱到多連拱。隧道長度記錄不斷被刷新，令世人矚目，位于

10、陜西省的秦嶺終南山隧道，單洞長18.02公里，位居亞洲第一，世界第二。隧道照明系統(tǒng)是車輛能夠安全地進(jìn)入、通過和離開隧道區(qū)域必不可少的基本保證。由于公路隧道具有縮短公路里程、提高運輸效益、利用地下空間、節(jié)省用地和保持生態(tài)環(huán)境等優(yōu)越性，在高等級公路建設(shè)中受到越來越多的重視。公路隧道由于其功能的特殊性，確定了其建設(shè)的復(fù)雜性。公路隧道照明，尤其是高速公路隧道照明與一般道路照明要求不同，隧道白天也需要照明，而且白天照明問題比夜間更加復(fù)雜。一般隧道都有七八個照明控制回路，建設(shè)投資大，施工難度高，隧道開通后管理者僅能在有限的回路里進(jìn)行控制，這種控制方式往往導(dǎo)致隧道照明的亮度超過了實際需求，造成能源的浪費，且

11、無法保證隧道內(nèi)亮度的均勻性及各段之間亮度的平滑過渡，隧道內(nèi)會出現(xiàn)所謂的“斑馬線”，而導(dǎo)致駕駛員視覺疲勞，出現(xiàn)重大安全隱患1。照明系統(tǒng)是隧道機電工程中最重要的設(shè)施之一，也是整個隧道機電工程總投資最大的系統(tǒng)之一。目前，隧道通風(fēng)、照明系統(tǒng)費用通常為整個隧道土建費用的10%左右，最高可達(dá)20%。同時照明費用也是隧道運營費用中開支最大的項目之一2，如何既減少隧道照明系統(tǒng)的運營費用節(jié)約能源又不影響洞內(nèi)車輛的安全行駛，成為擺在我們面前急需解決的難題。1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 公路隧道的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀（1）公路隧道照明發(fā)展及研究現(xiàn)狀國外公路隧道的照明技術(shù)研究開始早，經(jīng)過多年的研究和實踐，技術(shù)相對成熟。

12、例如，早在20世紀(jì)60年代，意、法兩國之間的montblanc隧道就已經(jīng)按照交通量的變化進(jìn)行照明調(diào)光。80年代后，世界各國相繼出臺了隧道照明規(guī)范，以規(guī)范隧道照明的設(shè)計和施工，減少交通事故。其中，當(dāng)時被廣泛接受的標(biāo)準(zhǔn)是cie(國際照明委員會)1982年制定的(cie no.30.2，1998)。隨后,這個標(biāo)準(zhǔn)分別在1990年、1995年進(jìn)行了修訂。在此同時，各國也相繼實施了各自的標(biāo)準(zhǔn),如eurostd(歐洲隧道照明標(biāo)準(zhǔn)，1997年版)，日本隧道照明指針(1990)等。這些發(fā)達(dá)國家照明理論和技術(shù)相對比較完善，因此已經(jīng)形成規(guī)范性的標(biāo)準(zhǔn)。隨著我國公路建設(shè)的發(fā)展，公路隧道建設(shè)規(guī)模非常大，速度越來越快,因

13、此技術(shù)需求也越來越大。但我國隧道照明技術(shù)起步較晚,經(jīng)驗和基礎(chǔ)性的工作不足，我國在2000年以前使用的原則主要遵循公路隧道設(shè)計規(guī)范(jtj 026-90)來設(shè)計隧道的照明系統(tǒng)，由于該規(guī)范設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)不很完善，因此90年代后期,為了適應(yīng)我國公路隧道照明的技術(shù)需求,我國有一部分學(xué)者在這方面進(jìn)行了一系列的研究。這些研究主要從2個方面進(jìn)行：確定布置燈光的方案,來消除“黑洞效應(yīng)”和“白洞效應(yīng)”等問題；設(shè)計照明系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，對隧道的照明進(jìn)行動態(tài)控制。目前國內(nèi)學(xué)者對隧道照明技術(shù)集中于如何安全舒適又經(jīng)濟節(jié)能的研究，主要集中于以下幾個方面3:1)設(shè)計開發(fā)隧道照明的亮度分析和計算軟件。2)對現(xiàn)有隧道的照明系統(tǒng)進(jìn)行照

14、明亮度檢測，分析照明性能是否能達(dá)到國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。3)設(shè)計自動調(diào)光系統(tǒng),使隧道的入口段、過渡段等區(qū)域的照明能自動凋光，以實現(xiàn)節(jié)能。4)設(shè)計開發(fā)新型隧道照明燈具和照明方法。（2）公路隧道照明的特點：隧道照明是為了保證隧道內(nèi)交通順暢而設(shè)置的功能性照明，給駕駛員在隧道行駛過程中提供一個安全、舒適的視覺環(huán)境，保障交通安全運行，提高運輸效率。因此，將隧道照明分為：入口段、過渡段、中間段和出口段，而且每個照明段的路面亮度水平要求不同，如圖1所示。隧道照明特點：1)分段式照明；2)白天照明比夜間照明更復(fù)雜；3)入口段和過渡段的照明亮度要保持與外部光線的亮度變化一致；4)24小時不間斷照明。（3）我國公路隧道照

15、明的發(fā)展趨勢隨著現(xiàn)代化交通系統(tǒng)的發(fā)展，公路隧道的通車?yán)锍虝絹碓酱螅淼勒彰髟O(shè)施的規(guī)模及數(shù)量也將越來越大，隧道照明系統(tǒng)一定會向著節(jié)能、環(huán)保、智能等方向發(fā)展。將全自然光導(dǎo)入系統(tǒng)、led節(jié)能燈、智能控制系統(tǒng)有機結(jié)合在一起，正適合了這一發(fā)展方向。1.2.2 自然光導(dǎo)入技術(shù)的研究現(xiàn)狀（1）國內(nèi)外研究現(xiàn)狀從國外的研究情況看，光纖傳輸?shù)淖匀还饽苓_(dá)到3km以上而只有0.001的衰減，可以說已能滿足大部分的應(yīng)用場所，其主要弊端是對集光器的采光精度要求特別高，以致投入的成本高。自然光導(dǎo)入的方式有: 1）導(dǎo)光管法；2）光導(dǎo)纖維法；3）采光擱板法；4）導(dǎo)光板法；5）棱鏡窗法；6）遮陽百葉法。在這些方式中，除了光纖法

16、的傳輸距離較遠(yuǎn)外，其余的方式都是針對建筑采光的短距離傳輸。從國內(nèi)發(fā)展情況來看，自然光照明技術(shù)發(fā)展較晚，很多都是引進(jìn)國外的技術(shù)，尤其是在光纖傳輸?shù)募馄髯粉櫨燃夹g(shù)上還相對薄弱。（2）光纖導(dǎo)光的特點及優(yōu)勢光纖導(dǎo)光照明的特點4：1）光纖柔性傳播；2）實現(xiàn)了照明的光電分離；3）高精度的追蹤可以得到無紅外線和紫外線的冷光源；4）遠(yuǎn)距離傳輸；5）衰減小。根據(jù)隧道照明特點與光纖導(dǎo)光照明特點對比分析可知，隧道采用光纖傳輸?shù)淖匀还庹彰骺梢宰钪苯拥亟鉀Q隧道白天照明控制難度大、耗能大、不安全等缺陷，相比于室內(nèi)、工廠、賓館等要求照明質(zhì)量高的場所，擁有更高的性價比5。（3）照明方法的改進(jìn)在照明方法的改進(jìn)方面，主要是采

17、用逆光照明,這種照明在國外使用很多，如瑞士幾乎所有隧道均采用此種照明方式。所謂逆光照明，就是通過一個特殊的斜傾式反光器將光束集中朝汽車前進(jìn)的方向投向路面，從而提高目標(biāo)的背景亮度,使前方車輛或目標(biāo)更易辨認(rèn)。這種布燈方式可節(jié)約燈具30%，節(jié)省電力費30%。另外,國外還有二次配光技術(shù)，即將光通過反光器反射到玻璃罩上，再通過玻璃罩上的配光條紋進(jìn)行再配光，將光線盡量照射在路面。1.3 課題研究的意義我國公路隧道事業(yè)起步較晚，隧道照明設(shè)施相對落后，對隧道照明技術(shù)缺乏深入研究，雖然目前大多數(shù)隧道均考慮了照明，但照明設(shè)計仍采用傳統(tǒng)的照明方式偏于保守，造成一些不必要的浪費。迫于運營費用和維護成本過高，一些隧道在

18、運營后不長時間就沒有完全開啟照明燈具或僅開啟其中的1/2到1/4左右，甚至有的隧道干脆不開燈，造成隧道內(nèi)光線昏暗，且亮暗交錯很不均勻，使行車者的視覺很不舒服，為行車安全埋下隱患。這種控制方式往往導(dǎo)致隧道照明的亮度超過了實際需求，造成能源的浪費，且無法保證隧道內(nèi)亮度的均勻性及各段之間亮度的平滑過渡，隧道內(nèi)會出現(xiàn)所謂的“斑馬線”，而導(dǎo)致駕駛員視覺疲勞，出現(xiàn)重大安全隱患。因此如何在隧道內(nèi)各段跟蹤實際的車流量和外界環(huán)境亮度，采用不同強度的照明來改善隧道內(nèi)的光照及其分布是隧道照明控制要解決的問題。與此同時，隨著隧道通車?yán)锍淘龆?，?jié)能降耗已經(jīng)成為降低隧道運營成本的重大研究課題。1.3.1 隧道智能照明的意

19、義隧道智能照明控制技術(shù)是隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的。該方式不僅具備開關(guān)燈控制，而且還能對光源進(jìn)行調(diào)光控制，它是一個集多種照明控制方式、現(xiàn)代化數(shù)字控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一身的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)隧道照明洞內(nèi)亮度自動跟蹤洞外亮度的實時變化和車流量的大小，確定隧道照明的控制方式，既節(jié)約能源又達(dá)到綠色照明的目的。隧道智能照明控制系統(tǒng)的研究已成為公路隧道工程上的一個重要課題，它不僅響應(yīng)了由國家經(jīng)貿(mào)委牽頭啟動的“中國綠色照明工程”，還能創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟和社會效益：（1）創(chuàng)造有效率的照明環(huán)境、實現(xiàn)節(jié)約能源的目的隧道智能照明控制系統(tǒng)通過對照度的自動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對各種天氣和交通狀況所

20、需的即時精確照明，從而消除能源的浪費和照明的不足，節(jié)能效果十分明顯。（2）提高隧道照明質(zhì)量在隧道內(nèi)交通流量較少時，可以不必像傳統(tǒng)的控制方式那樣關(guān)閉一側(cè)燈具或讓燈具隔一開一，只需調(diào)節(jié)燈具的光輸出即可，這樣做的好處是可以獲得較好的照度均勻度，為駕駛員提供舒適的光環(huán)境，避免事故的發(fā)生。（3）延長燈具壽命智能照明控制系統(tǒng)可以成功地抑制電網(wǎng)的沖擊電壓和浪涌電壓，使燈具不會因電網(wǎng)電壓過高而損壞。同時系統(tǒng)采用軟啟動和軟關(guān)斷技術(shù)，避免了開啟燈具時電流對燈絲的熱沖擊，使得燈具壽命進(jìn)一步延長。從而減少更換燈具的工作量，降低照明系統(tǒng)的運行費用。通過上述方法，光源的壽命通?？裳娱L2-4倍6.（4）便于管理維護1.3.

21、2 自然光照明的意義與此同時，我們可以在隧道照明系統(tǒng)中導(dǎo)入自然光。自然光主要由以下優(yōu)點:（1）儲量的“無限性”。太陽每秒鐘放射的能量大約是16×1023kw，一年內(nèi)到達(dá)地球表面的太陽能總量折合標(biāo)準(zhǔn)煤共約1892×1013千億噸，是目前世界主要能源探明儲量的一萬倍。相對于常規(guī)能源的有限性，太陽能具有儲量的“無限性”，取之不盡，用之不竭。這就決定了開發(fā)利用太陽能將是人類解決常規(guī)能源匱乏、枯竭的最有效途徑。（2）存在的普遍性。雖然由于緯度的不同、氣候條件的差異造成了太陽能輻射的不均勻，但相對于其它能源來說，對于地球上絕大多數(shù)地區(qū)而言太陽能具有存在的普遍性，可就地取用。這就為常規(guī)能

22、源缺乏的國家和地區(qū)解決能源問題提供了美好前景。（3）利用的清潔性。太陽能像風(fēng)能、潮汐能等潔凈能源一樣，其開發(fā)利用時幾乎不產(chǎn)生任何污染是人類理想的替代能源。（4）利用的經(jīng)濟性?？梢詮膬蓚€方面看太陽能利用的經(jīng)濟性。一是太陽能取之不盡，用之不竭，而且在接收太陽能時不征收任何“稅”，可以隨地取用；二是在目前的技術(shù)發(fā)展水平下，有些太陽能利用已具經(jīng)濟性。隨著科技的發(fā)展以及人類開發(fā)利用太陽能的技術(shù)突破，太陽能利用的經(jīng)濟性將會更明顯。當(dāng)外界光照強度能夠達(dá)到隧道照明的要求時，我們可以直接導(dǎo)入自然光，這樣不僅可以達(dá)到照明的要求，而且可以節(jié)約能源，保護環(huán)境。1.3.3 光纖導(dǎo)光照明的特點與應(yīng)用優(yōu)勢（1）節(jié)能性：由于

23、光纖照明系統(tǒng)采用的是高效率的進(jìn)口金屬鹵化物燈泡作為光源，同等照明效果其對電能的消耗只是原用高壓氣體燈的10%。而光纖作為傳光介質(zhì)，它的定向性也是普通照明燈具所不能達(dá)到的。所以在有限的空間內(nèi)，光纖可以更好的對所需位置進(jìn)行照明。（2）自然性：光是人的眼睛最敏感的物質(zhì)，自然光是人眼所習(xí)慣的光線。光纖作為新興的傳光介質(zhì)，已經(jīng)成為“綠色照明”領(lǐng)域的中重要的一員，。它的光譜均勻分布，顯色性高（即色彩還原好），光色平均柔和，濾除了大部分的紅外線和紫外線，有效的防止眩光的現(xiàn)象發(fā)生。它是最為接近自然光的光源，也就是最為人眼所接受的光源?，F(xiàn)在常常強調(diào)的“以人為本”就說明了，無論從理論上還是實際效果上看，只有最適合人的眼睛的照明燈光才是最好的燈源。