专利名称：路灯控制开关自保持装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电器节能装置，特别涉及一种路灯控制开关自保持装置。
背景技术：
目前，在国家制定的可持续发展的战略大背景下，节能减耗成为了路灯管理部门的首要任务和前提，路灯的控制对于节约能源，减少损耗具有很大关系，现有的路灯控制系统采用的方法是通过控制柜电路，用直流继电器控制外部交流接触器吸合通电，之后，由自保电路始终保持供电以维持继电器吸合，使得路灯一直开着，路灯亮10个小时，控制柜电路中的继电器也要在直流电持续供电的情况下吸合10小时。现有的路灯控制系统的电能消耗非常大，那么，如何改变现有的用直流继电器控制外部交流接触器吸合方式，从而大大减少了控制部分电能消耗呢？无疑要通过新技术来解决。因此，如何解决这个问题就成为了本技术领域的技术人员所要研究和解决的课题。
发明内容本实用新型的目的就是针对目前路灯控制器现状，提供一种新改进方案，利用磁保持控制继电器吸合与断开，设计实现控制路灯开关，更加节省的投入，更适合现场改造和应用后日常维护，节约能源，减少损耗。本实用新型是通过这样的技术方案实现的路灯控制开关自保持装置，其主电路包括中央处理器，日光照度检测模块和光电隔离控制模块，其特征在于，中央处理器采用单片机MSP430F149 ;日光照度检测模块包括光敏感光器件和分压电阻，单片机MSP430F149片内A/D转换器ADC端口与日光照度检测模块连接，光敏感光器件连接单片机MSP430F149片内A/D转换器ADC端口 ；光电隔离控制模块包括开关预动保护电路、预动作反馈电路、自保持控制开关电路和接线端子C0N14，接线端子C0N14中的信号端包括闸-输出、闸-返回、闸-闭合01、闸-闭合02、闸-闭合03、闸-断开01、闸-断开02、闸-断开03，它们分别与单片机MSP430F149 的 I/O 口连接；开关预动保护电路由光电耦合器U9、三极管V10、预动作继电器K1、稳压二极管VI、二极管V2、V3及阻容元件组成；光电耦合器U9的输入回路正极与VCC/3. 3V电源端连接，光电耦合器U9的输入端负极通过电阻R42与接线端子C0N14的“闸-输出”端连接；光电耦合器U9的输出回路的集电极端与12V电源正极连接，输出回路的发射极端经电阻R2、稳压二极管Vl连接三极管VlO的基极，三极管VlO的集电极串接预动作继电器K1，预动作继电器Kl的一组常开触点的一端与12V电源正极连接，同组常开触点的另一端与外供路闸的12V电源正极端子连接；预动作反馈电路由光电耦合器U4、电阻R17组成；光电耦合器U4的输入回路正极通过电阻R17与12V电源正极连接，光电耦合器U4的输入端负极与开关预动保护电路控制的预动作继电器Kl的一组常开触点的一端连接，同组常开触点的另一端与电源地GNDl连接；光电耦合器U4的输出回路的集电极端与接线端子C0N14的“闸-返回”端连接，输出回路的发射极端与电源地GND连接；自保持控制开关电路由若干个电路结构相同的开关通道组成；其中，开关通道I由2个光电耦合器U17、U18，2个三极管V14、V15，自保持控制开关K2、2个二极管V4、V5及阻容元件组成；2个光电耦合器U17、U18的输入回路正极与电源VCC端连接，光电耦合器U17的输入端负极通过电阻R51与接线端子C0N14的“闸-闭合01”端连接；光电耦合器U18的输入端负极通过电阻R52与接线端子C0N14的“闸-断开01”端连接。自保持控制开关K2、K3、K4采用磁保持继电器。本实用新型的有益效果是通过路灯现场实际操作运行，达到设计目的，实现了开关节能的效果；同时如所控路灯负荷不太大，可以取代中间交流接触器，直接采用控制器自身开关来实现控制，更加节省的投入，更适合现场改造和应用后日常维护。
图I、路灯控制开关自保持装置电路结构框图；图2、系统工作流程图；图3、光电隔离控制模块电路图；图4、遥信电路图；图5、日出日落时刻表。为了更清楚的理解本实用新型，结合附图和实施例详细描述本实用新型如图I至图5所示，设计电路中电源分为两组隔离电源，一组由VCC(3.3V)与GND组成，为单片机MSP430F149及连接的集成电路所用，称为“数字电源”；另一组为12V与GNDl组成，为各控制输出及反馈信号所用，称为“隔离电源”;两组电源在使用中通过“光电耦合器”隔离分开，起到隔离作用。路灯控制开关自保持装置，其主电路包括中央处理器，日光照度检测模块和光电隔离控制模块，中央处理器采用单片机MSP430F149 ;日光照度检测模块包括光敏感光器件和分压电阻，单片机MSP430F149片内A/D转换器ADC端口与日光照度检测模块连接，由光敏感光器件采集光信号，采用电阻分压方法，将光信号转换成随光线强弱变化而变化对应的电压信号，电压信号传送到单片机MSP430F149片内A/D转换器ADC端口，经A/D转换后电压信号转换成数字信号；光电隔离控制模块包括开关预动保护电路、预动作反馈电路、自保持控制开关电路和接线端子C0N14，接线端子C0N14中的信号端包括闸-输出、闸-返回、闸-闭合01、闸-闭合02、闸-闭合03、闸-断开01、闸-断开02、闸-断开03，它们分别与单片机MSP430F149 的 I/O 口连接；开关预动保护电路由光电耦合器U9、三极管V10、预动作继电器K1、稳压二极管VI、二极管V2、V3及阻容元件组成；光电耦合器U9的输入回路正极与VCC/3. 3V电源端连接，光电耦合器U9的输入端负极通过电阻R42与接线端子C0N14的“闸-输出”端连接；光电耦合器U9的输出回路的集电极端与12V电源正极连接，输出回路的发射极端经电阻R2、稳压二极管Vl连接三极管VlO的基极，三极管VlO的集电极串接预动作继电器K1，预动作继电器Kl的一组常开触点的一端与12V电源正极连接，同组常开触点的另一端与外供路闸的12V电源正极端子连接；当预动作继电器Kl吸合时，路闸的12V电源正极端子接通12V电源正极；预动作反馈电路由光电耦合器U4、电阻R17组成；光电耦合器U4的输入回路正极通过电阻R17与12V电源正极连接，光电耦合器U4的输入端负极与开关预动保护电路控制的预动作继电器Kl的一组常开触点的一端连接，同组常开触点的另一端与电源地GNDl连接；光电耦合器U4的输出回路的集电极端与接线端子C0N14的“闸-返回”端连接，输出回路的发射极端与电源地GND连接；“闸-返回”端通过电阻R16上拉到3.3V，常态为“高电平”，当预动作继电器Kl吸合时，“闸-返回”端由高电平变为低电平；单片机MSP430F149根据“闸-返回”端由高电平到低电平的变化确定“预动作”执行完成；当“闸-返回”端为低电平时，单片机MSP430F149确定预动作完成后，通过I/O口控制自保持控制开关电路中的自保持控制开关K2、K3、K4执行相应的闭合和断开操作，闸-闭合01、闸-断开01为自保持控制开关K2执行闭合和断开操作的控制端；闸-闭合
02、闸-断开02为自保持控制开关K3执行闭合和断开操作的控制端；闸-闭合03、闸-断开03为自保持控制开关K4执行闭合和断开操作的控制端；自保持控制开关电路由若干个电路结构相同的开关通道组成；其中，开关通道I由2个光电耦合器U17、U18，2个三极管V14、V15，自保持控制开关K2、2个二极管V4、V5及阻容元件组成；2个光电耦合器U17、U18的输入回路正极与电源VCC端连接，光电耦合器U17的输入端负极通过电阻R51与接线端子C0N14的“闸-闭合01”端连接；光电耦合器U18的输入端负极通过电阻R52与接线端子C0N14的“闸-断开01”端连接；自保持控制开关K2通过一组常开触点控制路闸电路的AC 220V电路通断，进而控制路闸控制设备中的交流接触器动作吸合与断开，实现交流接触器所控负荷开或关；当“闸-返回”端为低电平时，单片机MSP430F149获得预动作完成得信息，通过I/O 口控制自保持控制开关电路中的“闸-闭合01、闸-断开01”的电平，进而控制2个光电耦合器U17、U18的工作状态；MSP430F149单片机做为中央处理器，它属于德州仪器公司MSP430F13X/14XFLASH系列。该系列是一组超低功耗的微控制器，由多种针对不同应用而以不同模块组成的型号，微控制器可使用电池长期工作，电压范围1.8 3.6V。由于具有16位RISC结构，16位寄存器和常数寄存器，MSP430达到了最大的代码效率。数字控制的振荡器提供快速从所有低功耗模式苏醒到活动模式的能力时间少于6us。MSP430F149带有两个16位定时器(带看门狗功能)、速度极快的8通道12位A/D转换器(ADC)(带内部参考电压、采样保持和自动扫描功能)、一个内部模拟比较器和两个通用同步/异步发射接收器。48个I/O 口(均可独立控制)的微处理器结构。MSP430FLASH擦写次数高达10万次，强力抗干扰。MSP430F149 有 60KB + 256B 的 FLASH 和 2KB 的 RAM。其中 FLASH 又分为 120 个每段512B的主存储器和两个每段128B的信息存储器。FLASH可以整个擦除也可以分段擦除，这给系统的软件、硬件设计都带来了极大的便利和灵活性。光照度采集设计中日光照度采集选用光敏感光器件通过电阻分压方法，将光信号转换成随光线强弱变化而变化对应的电压信号，再由MCU内部自带A/D转换器，将电压信号转换成数字信号。程序判断符合控制输出条件时，MCU使能预动作继电器各控制口管脚，并执行预动作(设计目的防止系统因意外干扰，使控制开关误动作。执行预动给自保持控制开关接通电源，平常自保持控制开关是不通电的。)，MCU判断预动作继电器执行反馈信号，正确执行完成后，立即使能自保持控制开关控制端口，控制自保持控制开关输出，自保持控制开关执行动作输出控制电路采用三极管二级推动方式，保障自保持控制开关瞬时大电流工作需求，控制时长30ms，之后判断执行自保持控制开关反馈信号，正确执行完成后，关闭所有控制输出端口，执行动作结束。自保持控制开关K2、K3、K4的当前状态通过遥信电路测量并传送给单片机MSP430F149 ；遥信电路由光电耦合器、双向TVS管及阻容元件构成，光电耦合器的输入回路正极通过发光二极管、电阻与12V电源正极连接，光电耦合器的输入端负极通过电阻与与交流接触器辅助触点的常开组的一端连接，辅助触点的常开组的另一端与电源地GNDl连接；光电耦合器的输出回路的集电极端通过电阻与VCC/3. 3V电源端连接，同时光电耦合器的输出回路的集电极端与单片机MSP430F149I/0 口连接；当交流接触器为断开状态下，辅助触点的常开组两端为“断开”状态；当交流接触器为闭合状态下，此辅助触点的常开组两端为“接通”状态。路灯控制开关自保持装置的实现方法，包括如下步骤a)将光照度表编码预存在单片机MSP430F149片内FLASH和外部FLASH FM3164芯片内，存储使用所在地全年日出日落时刻表编码；b)将单片机MSP430F149工作晶振分频，每I秒产生一次中断，在秒中断处理中，采集当前光照度信号数据，并将数据保存在临时存储区，每当采集数据结果达到3次即3秒钟时，计算一次光照度平均值，而后将平均结果保存在光照度滑差数据区，计算光照度滑差数据区内的全部光照度数据的平均值；光照度滑差数据区为专门存储光照度数据的数据区，数据存储采用堆栈“先进先出”处理方式循环保存采集的实时数据，此数据区存储容量为3分钟光照数据容量，数据存储在单片机MSP430F149片内RAM内；c)设定开灯条件为光照级别彡4级；d)将全部光照度数据的平均值计算结果与光照度表中所列光照度平均值进行比较，如符合开灯条件，标识“光照开灯标志”，反之则标识“光照关灯标志”;e)如上述光照度计算结果为每3秒钟计算一次，则每3秒钟更新一次实时光照标志；f)通过程序判断光照度符合控制输出条件时，单片机MSP430F149使能开关预动保护电路，预动作继电器Kl接通电源，单片机MSP430F149判断预动执行反馈信号，预动作完成后，立即使能自保持控制开关电路中的执彳丁动作的控制端口，控制自保持控制开关K2、K3、K4吸合，控制时长30ms，之后，判断自保持控制开关执行反馈信号，正确执行完成后，关闭所有控制输出端口，执行动作结束；g)通过自保持控制开关K2、K3、K4控制220V AC输出或断开，进而控制交流接触器动作吸合与断开，实现交流接触器所控负荷路灯开或关。 如交流接触器为三相的，通过本装置可以通过一个自保持控制开关，一次可控制3路的路灯。[0042]本实施例中的装置采用一个自保持控制开关，单独控制路灯负荷，一次控制I路的路灯。自保持控制开关控制220VAC输出或断开，控制外部交流接触器动作吸合与断开，实现交流接触器所控负荷(路灯)开或关。自保持控制开关自身控制输出最大负荷为单节点最大220VAC, 100A ;如路灯线路负荷不大，可节省中间交流接触器，用自保持控制开关直接控制。自保持控制开关工作原理自保持控制开关触点状态保持力是由衔铁部分中的两件磁钢产生的，磁钢产生的磁通通过右衔铁一轭铁磁极一铁心一轭铁磁极一左衔铁一磁钢形成闭合回路，在衔铁和轭铁极间产生吸力，如图所示，左衔铁的延伸臂通过推动片对动簧片施加推力，使动、静触点间产生足够的压力，使其能可靠载流。当需要使自保持控制开关触点断开时，只需对线圈的I与9脚施加一个足够宽度脉冲电压，该脉冲电压产生的磁通与磁钢产生的磁通方向相反，在磁极上就会产生与磁钢相同的极性，根据磁场同性相斥原理，在衔铁和轭铁磁极间会产生推力，当磁路产生的合成力矩大小簧片的反力矩，动簧朝后运动，衔铁部分绕转轴转动，自保持控制开关会呈现下图右边的断开状态。如果要返回闭合状态，需在在线圈的2与9上施加一个足够宽度脉冲电压，否则，继电器触点状态会永远保持下去。在程序设计中，将MCU工作晶振分频，每I秒产生一次中断。在秒中断处理中，采集当前光照度，并将结果保存在临时存储区，当采集结果达到3次即3秒钟时，计算一次光照度平均值，而后将平均结果保存在光照度“滑差数据区”，同时计算滑差数据区全部采集数据的平均值，结果与光照度表中所列“平均值”比较，如符合开灯条件(光照级别< 4级)则，标识“光照开灯标志”，反之则标识“光照关灯标志”。如上光照度计算实为每3秒钟计算一次，并更新一次实时光照标志。光照度滑差数据区为专门存储光照度数据，数据存储采用堆栈“先进先出”处理方式循环保存采集的实时数据，以保持数据的连贯性、持续性。防止采集日光照度时，光敏头因其他物短时阻挡(如风吹动树枝遮挡等状况)，发生数据突变而引起不当处理动作。此数据区存储为3分钟光照数据容量，数据存储在MCU片内RAM内。光照度对应参数表如下
本照度表数据依本装置实测记录数据汇总总结，求平均值而得，符合设计条件，满足实际应用需求。其中起始、目标、平均值参数可通过通信设置修改，以更适应使用的实际情况。表中参数分别存储在片内FLASH主存储区段和FM3164的FLASH存储内，采用CRC16 “冗余校验”方式对数据进行校验保护处理。[0055]高精度时钟设计中选用带存储器的集成电路处理器FM3164，它集成了“实时时钟(RTC)、看门狗计数器、早期掉电报警/匪I、64Kb串行非易失性铁电存储器”等多种功能于一体，使得电路设计便捷、简单、体积小。实时时钟以BCD格式提供时间和日期信息。外部配备用大容量电容(1F/5V)提供永久供电。时钟使用一个32. 768 kHz晶振，并使用软件校准模式来保证时间记录器的精确性。众所周知，在外界应用环境中，由于温度的高低变化，会影响时钟的走时精度，长久累计会造成时间偏差，在本设计中，CPU在周任务里，设置FM3164寄存器OOh CAL位设定为1，进入时钟输入校准模式。在CAL模式下，CAL/C0输出管脚专门用做校准功能。校准操作是基于频率错误而对计数器进行数据修正。在CAL模式下，CAL/C0管脚输出512Hz (连续的)的方波。任何从512 Hz有规则的偏离都可以转换成时钟误差，CPU将此误差转换成PPM格式，并且将适当的修正值写到校准寄存器上。CALS设置为O。校准后，在校准的温度下，时钟最大误差为土 2.17 ppm或土 O. 09分钟每月。日照时刻表装在片内FLASH主存储区段和FM3164的FLASH内存储有使用所在地，全年日出日落时刻表(出厂预存)。该时刻表由使用所在地经纬度计算所得(网络上有提供)。装置可实现开关控制方式I.光控； 2.经纬度日照时刻表控；3.定点时段控(设定固定时间开与关，如19 :00至23 :00开灯，其余时间关灯
等);4.灯型控(整夜灯、半夜灯等，依照经纬度日照时刻表执行)；整夜灯即天黑时开灯，直到天亮后再关灯；半夜灯即天黑时开灯，但到凌晨(默认00:00)时关灯；5.任意开关条件控；可实现单开关多时间段任意组合控制。如我们要实现按时刻表开灯时开灯到夜间23 00时关灯；然后，到凌晨04 00时再次开灯，最后在时刻表关灯时关灯。如经纬度日照时刻表自动查表得开关时间为(18 :15 开灯；06:18 关灯)，则控制开关执行开灯时刻为18 :15至23 00 04 00至06 :18多种方式组合控制，达到既满足日常照明需求，又最大限度的实现节能降耗。故障诊断报警设计程序中，具有程序自检、参数自检、动作自检、显示自检、通信收发自检自我判断程序。程序自检系统初始运行时，自动对片内FLASH程序区，进行16位CRC校验，如有错误，读取FM3164相应区数据自恢复。参数自检系统对设置运行参数采用双存储区CRC校验保护，自检出错，自动恢复。动作自检通过自控反馈方式自检，如错，显示并保存故障信息，指导维护、维修。显示自检与液晶显示屏I2 C通信应答方式，进行验证。通信收发自检采用红外方式，自发自收验证。[0074]自保持控制开关执行动作开关执行部分设计中采用软、硬件两类8种组合控制方式，保护、保证操作正确执行完成。硬件设计I. MCU控制及采集接口部分，光电隔离处理方式；2.自保持控制开关动作(闭合与断开)，均采用“延时预动” + “自保持控制开关执行加电准备”十“实时操作执行”三部分，分步、分层操作；3.各开关控制操作，均有“反馈”信号，监督处理；4.印制板交流220AC输出部分，采用物理分区，印制板内“挖空割断”处理。整个系统设计中，全部采用低功耗芯片，且系统平时处于“中断唤醒”的待机休眠工作状态，整机消耗<5mA +5V DC。所有参与执行的继电器、自保持控制开关平时均不消耗电流，只有在执行操作通电的几十毫秒内才消耗电能，这样使得系统的消耗降低到最小，同时安全性、可靠性大大提高。根据上述说明，结合本领域技术可实现本实用新型的方案。
权利要求1.路灯控制开关自保持装置，其主电路包括中央处理器，日光照度检测模块和光电隔离控制模块，其特征在于，中央处理器采用单片机MSP430F149 ；日光照度检测模块包括光敏感光器件和分压电阻，单片机MSP430F149片内A/D转换器ADC端口与日光照度检测模块连接，光敏感光器件连接单片机MSP430F149片内A/D转换器ADC端口 ；光电隔离控制模块包括开关预动保护电路、预动作反馈电路、自保持控制开关电路和接线端子C0N14，接线端子C0N14中的信号端包括闸-输出、闸-返回、闸-闭合01、闸-闭合02、闸-闭合03、闸-断开01、闸-断开02、闸-断开03，它们分别与单片机MSP430F149的I/O 口连接；开关预动保护电路由光电耦合器U9、三极管V10、预动作继电器K1、稳压二极管VI、二极管V2、V3及阻容元件组成；光电耦合器U9的输入回路正极与VCC/3. 3V电源端连接，光电耦合器U9的输入端负极通过电阻R42与接线端子C0N14的“闸-输出”端连接；光电耦合器U9的输出回路的集电极端与12V电源正极连接，输出回路的发射极端经电阻R2、稳压二极管Vl连接三极管VlO的基极，三极管VlO的集电极串接预动作继电器K1，预动作继电器Kl的一组常开触点的一端与12V电源正极连接，同组常开触点的另一端与外供路闸的12V电源正极端子连接；预动作反馈电路由光电耦合器U4、电阻R17组成；光电耦合器U4的输入回路正极通过电阻R17与12V电源正极连接，光电耦合器U4的输入端负极与开关预动保护电路控制的预动作继电器Kl的一组常开触点的一端连接，同组常开触点的另一端与电源地GNDl连接；光电耦合器U4的输出回路的集电极端与接线端子C0N14的“闸-返回”端连接，输出回路的发射极端与电源地GND连接；自保持控制开关电路由若干个电路结构相同的开关通道组成；其中，开关通道I由2个光电耦合器U17、U18，2个三极管V14、V15，自保持控制开关K2、2个二极管V4、V5及阻容元件组成；2个光电耦合器U17、U18的输入回路正极与电源VCC端连接，光电耦合器U17的输入端负极通过电阻R51与接线端子C0N14的“闸-闭合01”端连接；光电耦合器U18的输入端负极通过电阻R52与接线端子C0N14的“闸-断开01”端连接。
2.如权利要求I所述的路灯控制开关自保持装置，其特征在于，自保持控制开关K2、K3、K4采用磁保持继电器。
专利摘要本实用新型涉及路灯控制开关自保持装置，电路包括单片机MSP430F149，日光照度检测模块和光电隔离控制模块，单片机MSP430F149片内A/D转换器ADC端口与日光照度检测模块连接，由光敏感光器件采集光信号，将光信号转换电压信号，通过单片机程序判断光照度，使能开关预动保护电路，预动作继电器K1，判断预动作执行反馈信号，预动作完成后，立即使能自保持控制开关电路中各执行动作的控制端口，控制自保持控制开关K2、K3、K4闭合或断开，控制时长30ms，之后，判断自保持控制开关执行反馈信号，正确执行完成后，关闭所有控制输出端口，执行动作结束；通过自保持控制开关控制交流接触器动作闭合与断开，实现交流接触器所控负荷开或关。
文档编号H05B37/02GK202738190SQ20122032600
公开日2013年2月13日 申请日期2012年7月5日 优先权日2012年7月5日
发明者蔡椿军, 朱溟, 赵芹, 陈栩 申请人:天津斯巴克瑞汽车电子有限公司