摘 要 本文依据城市道路照明系统用电负荷的主要特点，提出了一种基于PIC12F675单片机的具有过电压节电、断电保护功能的新型变功率镇流器设计方案，在达到减轻路灯负载、节约电能的同时；又延长灯泡及光源电器的使用寿命，节约道路照明的维护成本。本文重点介绍基于PIC12F675单片机的变功率镇流器的控制器的设计方法、电路构成，以及使用本控制器不同的接线方法构成不同的节电方案。
关键词 城市照明 变功率镇流器 PIC12F675
近年来，随着各地城市照明工程的实施，道路照明越来越普遍，既保证了驾驶员在夜间的行车安全，又使城市变得更加漂亮。但是后半夜时，电网电压普遍升高，由此而引起的电能损耗为正常点灯的20%左右，可见过电压时降低路灯的功率是很有必要的；并且，此时的车流量相对稀少，依然保持像前半夜一样的高强度照明显然没有必要，如果适当地降低道路的光照度，又可以降低电能损耗。如果意外停电后马上供电，灯泡因为温度高而不会被马上点亮，则触发器产生的几千伏高压脉冲将不停地对灯泡和镇流器等附件进行冲击，从而影响使用寿命；所以应对意外停电采取相应的保护措施，达到节约维护成本的目的。
现在，电力供应越来越紧张，国家节能减排目标的完成正处在攻坚阶段，道路照明的节能显得越来越具有经济效益和社会效益。
一、路灯节电的主要措施
为了节约道路照明的电能，节电措施是多种多样，节电效果及经济性有好有坏，现简述如下：
1）增大供电线路的截面积、减小供电线路的电阻来节电。该方法节电有限，但投资较大，特别是近几年铜、铝等原材料价格的不断上涨，该方法在经济上的可行性越来越差。
2）增加单灯的功率因数补偿电容。对钠灯、金卤灯之类的电感镇流器来说，功率因数在0.45左右，加装电容后功率因数在0.85以上，线路电流可以变为原来的1/2,线路及变压器损耗可降为原来的1/4,同时提高了变压器的利用率。目前，该方法被普遍采用。
3）隔盏开灯。该方法简单，节电效果显著，达到50%;但是道路的光照度和均匀度均达不到设计时的要求，特别在交通繁忙的时间段也是如此，就容易引发交通事故。除在偏远地区的个别道路外，基本不被采用。
4）节电器降压法。在线路输入端安装节电器，通过一定的控制使节电器输出的电压稳定在220V或者降低10-20V之间，达到降低用电量，减少电费支出的目的。该方法节电效率为10%-28%,但是由于线路压降，在较长道路的末端，灯泡会因电压低而出现闪烁，甚至个别灯熄灭的现象，影响照明质量。
5）加装变功率镇流器。具体做法是采用有抽头的电感镇流器，在车多人少的前半夜使灯泡在额定功率下工作，保证道路的光照度满足设计要求；使灯泡在车少人稀的后半夜自动切换功率，使灯在额定功率的60%左右运行，达到降低用电量，减少电费支出的目的。
以上方案除方案4外，均未考虑到后半夜时，电网电压升高（在230V-250V之间，甚至会超过250V），使节电效果大打折扣。而所有方案均是对意
外断电未加保护；如果停电后马上供电，灯泡因为温度高而不会被马上点亮，则触发器产生的几千伏高压脉冲不停的对灯泡和镇流器等附件进行冲击，影响使用寿命。本文所介绍的方案是在方案5的变功率镇流器的基础上，针对电网供电情况及以上方案中存在的弊端作出了适当改进，提出了一种新型变功率镇流器设计方案以更有利于节电及保护灯泡、镇流器等光源电器。
二、节电控制器的节电方案介绍
本方案的镇流器采用具有2个抽头的三功率电感镇流器，其原理图如下：
在车多人稀的前半夜，控制器使L1与相线导通、L2和L3关断，使灯泡在额定功率下工作，保证道路的光照度和均匀度满足设计时的要求。如果此时电网电压超出一定量，则控制器使L2与相线导通、L1和L3关断，此时灯泡的实际功率与额定功率比较接近，在降低因电网电压升高消耗过多电能的同时，又保证道路的光照度基本满足设计时的要求。
在车少人稀的后半夜，如果电压正常，控制器使L2与相线导通、L1和L3关断，使灯泡的功率适当地减小，在满足道路照度要求的情况下降低路灯的电能损耗。如果此时电网电压超出一定量，则控制器使L3与相线导通、L1和L2关断，更进一步降低灯泡的功率，抵消因电网电压升高而消耗的电能。
电网电压监测伴随整个亮灯过程，依据不同的时间段、不同的电网电压，采取不同的控制方案；同时，电网电压监测与控制输出之间具有滞回设置，可以避免频繁切换继电器而造成的继电器提前损坏。使道路照明更智能化、更合理。
如果意外停电，控制器在一定时间内使相线与L1、L2、L3及功率因数补偿电容C端口均断开，使触发器不会产生高压脉冲，达到保护灯泡、镇流器等配
件的目的。当灯泡冷却时再重新点灯。
本方案的实际节电效果可以达到30%以上，同时又能延长路灯系统的使用寿命，降低维护成本。
三、节电控制器的工作原理及单片机程序流程图
本节电控制器由PIC12F675单片机、电源电路、监测输入电路、控制输出电路组成。
1）工作原理
如图2所示：在图中R3、D1、Z1、C1、C2、C3构成电源电路，为单片机工作提供电源。B1为可充电电池，在停电时作为单片机的备用电源；R5、U2 、D3为可充电电池保护电路，到达一定时间时，关闭电池对单片机的供电，防止可电池过放电现象的发生，延长电池的使用寿命。R1、R2和单片机的A/D转换器构成电网电压的检测电路，实时监测电压，为单片机的控制提供依据。D2、R4、C4为检测是否停电的电路，同样为单片机的控制提供依据。
单片机依据不同的控制条件，决定C、L1、L2、L3各端口对“相线L”的通断与否，通断与否和控制条件的关系在上一章已有详细的叙述，在此不再说
明。
计时通过PIC12F675单片机内置的1%精度的振荡器来控制。
2）PIC12F675单片机介绍
PIC12F675单片机为Microchip Technology Inc公司依据“哈佛”总线结构生产的8引脚、8位闪存的CMOS单片机。其工作电压范围为2.0V-5.5V,工业
级和扩展级温度范围，适用范围更广，内置1%精度4MHz振荡器。具有1K字节的程序存储器，64字节的数据存储器，128字节可擦写存储器，适用于中小型控制器的开发。
该芯片具有低功耗上电复位（POR），上电延时定时器（PWRT），振荡器起振定时器（OST），欠压检测（BOD），引脚电平变化可触发中断等功能，使
程序运行更稳定。
外设方面具有6个独立方向控制功能的I/O引脚，一个模拟比较器，可编程的4通道、10位分辨率A/D转换器模块，带有8位可编程预分频器的8位定时器/计数器，带有预分频器的16位定时器/计数器。集成度高，可以使系统更小。
具体引腿如下图：
此外，5、6、7腿可以配置为模拟比较器。3、5、6、7腿可以配置为10位分辨率的A/D转换器。2、3腿可以连接外部晶体或陶瓷谐振器，使单片机在不同于4M Hz的频率下工作或频率精度更高。依据不同的需要，可以灵活的配置各个腿的功能。
在本控制器中，3腿配置为A/D转换器；2、4、5、6、7腿配置为通用I/O端口
3）程序流程图
为了使单片机具有需要的控制功能，除配置好各个引腿功能外，还必须烧入合适的程序。本控制器的程序流程图如下图所示：
在程序中，所有的计时由TMR0中断完成；电压测量由AN3的A/D转换模块完成；“切断相线L供电”和“L1、L2、L3分别对L的导通或关断”通过改变
GPIO<0-2>的不同电平来完成。
四、电路主要参数
1）工作电压范围：180V-260V
2）最大切换电流：10A
3）功率转换定时时间：默认4小时，可以在0-24小时之间任意设定
4）定时精度：≤±1%
5）功率转换电压：≥242V时，进入过压省电模式；≤238V时，回到原来的运行模式
6）电压检测精度：≤±2%
7）停电后再开灯定时：默认5分，可以在0-24小时之间任意设定
8）尺寸：29*50mm（线路板），33*57*62mm（产品，引线式），33*57*100mm（产品，接线端子式）
5、节电控制器及其他不同的节电方案
1）后半夜隔盏关灯对道路路两侧隔盏安装本节电控制器，如图5所示：图中小黑点表示安装本节电控制器，在定时时间到时，该灯即自动关闭。具体控制器与镇流器的连线如图6所示，控制器的电路不需要改变，只要把程序中的A/D模块关闭并将电压检测值始终设为220V即可。
如果对程序不作调整，则过电压时也会自动关灯，本方案则变为过电压、后半夜隔盏关灯的另外一种方案。
2）使用双功率镇流器节电具体控制器与镇流器的连线如图3所示，其中的L3端口连线断开即可。控制器的电路图不需要改变，只要把程序中关于电压测量的部分删去。
如果对程序不作调整，则在定时点前，过电压会降低功率；在定时点后，过电压时会自动关灯。
3）两者结合
在图5中，黑点装本控制器，白点装方案2中程序修改过的控制器，镇流器装双功率镇流器，L3端口断开。则方案又变为双功率节电和后半夜隔盏关灯的结合，节电效果更显著，但光照度会变得较差。
本节电控制器针对供电电网后半夜电压过高和路灯灯泡在温度高时无法马上点亮的特点而开发的。既可以定时变功率节电，又可以在电网电压过高时抵消电压过高引起的电能损耗；同时又可以防止触发器的高压脉冲对系统的损坏，是道路照明节电的理想选择。
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