照明节电器中PIC单片机的应用

照明节电器中PIC单片机的应用——节电率及其控制程序设计摘要本文主要论述单片机在照明节电中的应用，专门完成节电器节电率运算子程序设计。首先讨论节电器节能的基本原理，然后阐述照明节电器的特点、适用范围以及存在问题。介绍了单片机软、硬件的设计原则和方法。包括PIC单片机16F877A的基本知识。设计任务的主要环节是节电率运算的程序设计，给出调试后完整程序清单及其程序流程图。采用MAPLABICD2进行调试将程序烧写到单片机16F877A当中。通过调用节点率运算，程序结果经PIC16F877分析处理并在照明节电器12232F液晶屏幕显示。本设计提供的节电器，经过多种用户使用，负载性质不同，节电率稍有差异。关键字：照明节能，单片机，节电运算1绪论照明是现代人类社会生存与发展需要,在美化社会及方便群众生活生产中起了极大的作用。现代社会照明需要大量的能耗,照明已成为电能的消耗主体,使照明的电力耗费成为用户的一大经济负担。另外能源问题是人类社会面临的重大问题,节能降耗将成为人类社会发展的永恒主题。为此，我们的研制开发的照明节电器，对改善照明节电，具有重要意义。目前国内照明节能主要的途径有两种：1.采用高效的节能型光源，也就是使用发光效率高的灯泡或灯管。2.在现有照明系统上加装节能控制设备。本设计为第二种方案中的一种。主要内容是节电程序中的节电率程序设计。1.1节电器节能基本思路智能调控电压，将电网较高的电压调整到用电器的最佳电压，既节约电能，又保护用电设备，延长设备的使用寿命。1.2照明节电器特点、适用范围及存在的问题一、照明节电器的特点(1)整个设备没有需要维护的调整部件(如电机、炭刷等)，几乎可以做到免维护。(2)完善的动态检测功能，具有输入、输出、电压、电流功率等异常保护功能，可以延长灯管的使用寿命，且不增加交流电网总的谐波含量。(3)设有独立的旁路开关，故障时能及时退出运行，保证照明灯具仍然能够使用。(4)具有良好的节能效果，根据电网供电电压的高低不同，但一般大于10％。(5)安装方便，无需更改原有的照明配电线路。(6)用途广泛，寿命长。二、照明节电器的适用范围(1)电感式日光灯节电器用于最常见的普通电感式日光灯，特别是用途最广泛的40W(36W)日光灯。适用于室内照度要求较高的场合，如工厂、学校等。(2)电子式节能灯节电器配合电子式节能灯的广泛使用，主要是基于电子节能灯工作时的自身特性，广泛应用于节能灯使用较多的场合，如服装店、超市等。(3)单(三)相路灯节电器由于室外路灯广泛使用的是高压或低压纳灯、汞灯和金属卤素灯等气体放电光源。加之同时点亮的数量较多，耗电量较大，因此根据现有路灯的供电情况，具体选用单相或三相型路灯节电器。此外可以根据用户的需要，随时自动调整路灯的开、关时间。三、照明节电器使用中存在的问题。在具体地引入照明节电器时，有许多的实际问题需要考虑，有些问题必须在实际使用中才能发现；(1)照明供电电压情况上表给出了常用电光源当电压在一定范围内变化时相关参数的变化情况。由于照明节电器的节电功效是利用消去“多余”的电压(功率)来达到的。从使用的实际情况来看，负荷端实际的供电电压大小直接影响到照明节电器的使用效果。供电电压过低时照明节电器将无节电效果可言。(2)除用于路灯的照明节电器有三相电压的以外，其他均为单相的，而在实际使用环境中，对于用于群控的照明灯具，由于考虑到三相供电的平衡问题，一般都要采用三相电源平衡供电，因此就存在着相互衔接的矛盾。由于国内的单相供电电压的中心值为220V，实际的波动范围小于220(14-7％)V(即205～235V)，而灯具的设计指标、选用参数都是以供电电压的中心值220V为依据的。从实际的使用来看，在对照度要求较高的场合(如超市等)，照明节电器的输出值不能低于220(1—10％)V(即198V)，否则将影响到正常使用；在另一些场合(如道路等)由于对照度的要求不太高，可以将照明节电器的输出值调低至180V左右。此外，各种金卤灯还被广泛地应用于建筑物的立面造型和户外大面积的广告照明，其功率较大、耗电较多，其节电具有更积极的意义。但照明节电器安装后照度的减少又不能太大，否则将直接影响到观赏效果。(3)照明节电器自身的功耗问题照明节电器作为一种较为有效的节电产品，本身的效率也不是100％，因此在分析此产品的节能效果时节电器的自身功耗问题也需要考虑。2软、硬件设计的一般原则2.1软件设计原则在进行软件设计前，应明确软件承担的任务，用文字或图表的形式，把设计任务进行细化。首先，要确定整个系统的输入输出要求，CPU与外界接口的信息交换方式，传递信息的速率和信息的状态。其次，要确定对输入输出信息的处理方式，确定输入数据的类型是开关量还是模拟量，如何进行交换后送如CPU。确定输出数据的类型和交换方式，还要分析对输入数据采用的处理算法。对一个具体的单片机应用系统，数字的计算精度都有具体的指标要求。一般而言，软件的计算精度比硬件A/D、D/A的转换精度高一个数量级就能够满足要求了。对于实时测量控制系统，需要按照实时时间一步一步地完成多路信号的取样、滤波及统计分析等处理工作，有时候还要进行控制理论方面的计算。在单片机应用系统中，通常有一个实时监控系统，负责对各种外部事件的响应，并按照事件的轻重缓急做出相应的处理。模块化程序设计，要求一个程序的模块不宜太大但也不能太小，太大会影响程序的可读性，一般以几十至一二百句为好，太小使程序模块解决的问题过于简单，程序结构过于分散。结构化程序设计是一种基本的设计方法。结构化程序设计是指程序的基本结构形式，一般有顺序结构、条件结构、循环结构三种基本结构，所有的程序，不论简单与复杂，都由这三种结构形式的程序构成。2.2硬件设计组成硬件电路主要由模拟和数字两大部分组成。从功能模块上来分有：主机电路、电压比较电路、复位电路、控制执行及驱动电路就。其工作原理过程为：照明负载开始工作时，J23口和J24口的电压为电网电压，此时送进来的电压经过变压器、整流电路、滤波电路等送到LM339单片机中进行电压比较，然后输出控制信号，再把所得到的信号送到PIC16F877单片机中，控制调压电路进行有极调压，使补偿电路产生大小不同的补偿电压，达到降低和稳定输出电压的目的。根据电网供给的电压，能够自动降压，在主控电路上分为0～7档，共八个档位降压，每档可降5V。这样就可减少约40％的灯具启动浪涌。并且延长了灯具的寿命。灯具工作电压要求：气体放电灯只是在启动时，需要较高的工作电压，而点燃后适当降低并稳定供电电压（经长期试验确定，210V～200V电压为灯具使用的最佳供电状态），既可以保持其正常照度。又能有效地节电，还能延长灯具的使用寿命。根据这一特点，用智能照明稳压节电装置补偿灯的这一老化过程，在保证正常亮度的情况下，可有效地实现节电效果。在繁忙的时段，控制照明保持较强的照度，不繁忙的时候，开始自动调光，在人车稀少时，则控制路灯保持较低照度的照明。它的主要优点就是在调光的同时也大副降低了电耗，节约有功电耗达30%以上。电压比较器的要求：PIC单片机是由有四个独立的电压比较器组成的。可使用宽范围的单一电源，也可使用双电源。单电源电压范围为2～36V。双电源电压范围为1～18V（-18～-1V）。电源电流1mA左右（与电源电压大小无关）。3软件设计3.1PIC单片机16F877A介绍一、PIC单片机介绍PIC单片机（PeripheralInterfaceController）是一种控制外围设备的集成电路（IC），是把CPU、ROM和I/O等集成在一块芯片上的特殊微型计算机。它是具有分散作用（多任务）功能的CPU。二、单片机型号选择1.PIC单片机除个别跳转语句外其他指令是单周期指令。2.PIC有14个闪存。而8051没有闪存。3.PIC片内RAM368B。而8051片内RAM128B。4.PIC有14个中断源。而8051有5个中断源。5.8051有21个特殊功能寄存器，32条I/O口线，芯片有40个引脚。6.8级深度的硬件堆栈，低功耗。三、单片机引脚介绍PIC16F877系列单片机是8位CMOSFLASH单片机，有28/40引脚，其型号的管脚如下图3.1所示。图3.1单片机PIC16F8773.2MPLABICD2程序调试3.2.1ICD2的介绍ICD2是完全兼容Microchip的在线调试器MPLAB-ICD2的一个功能强大、低成本、高运行速度的开发工具。它利用Flash工艺芯片的程序区自读写功能，使用芯片来实现仿真调试功能。3.2.2调试模式的要求为使用MPLABICD2进行调试（设置断点、查看寄存器等），以下几个关键因素必须正确：1MPLABICD2必须与PC机相连。MPLABICD2必须通过外部电源，或者通过PC机的USB电缆来供电，并且必须通过RS-232或USB电缆与MPLABIDE软件通讯。详细信息请查看在线帮助。2MPLABICD2必须按照图示，通过模块接口电缆（或类似电缆）连接到目标PICmicro单片机的VPP、PGC和PGD引脚。MPLABICD2和目标PICmicro单片机之间的VSS和VDD引脚也必须连接起来。3目标PICmicro单片机必须有电源和正常工作的振荡器。无论是什么原因使目标PICmicro单片机不工作，MPLABICD2都不能进行调试。4必须对目标PICmicro单片机的配置字正确编程：(1)振荡器配置位应与RC、XT和HS等相对应，具体取决于目标板的设计。(2)不要使能目标PICmicro单片机的看门狗。(3)不要使能目标单片机的代码保护功能。3.2.3调试模式使用MPLABICD2作为调试器有两个步骤。第一步要求将应用程序烧写到目标PICmicro单片机中。第二步使用目标FLASHPICmicro单片机内部的在线调试硬件来运行和测试应用程序。这两步与MPLABIDE的操作直接相关：1.烧写代码到目标单片机中。2.使用调试器设置断点和运行。如果目标PICmicro单片机不能被正确编程，MPLABICD2将无法进行调试。3.2.4ICD与ICE在线调试器（ICD）是在线仿真器（ICE）的一个廉价替代品。它能完成很多以前只有更昂贵的硬件才能做的工作，但这些好处是以牺牲在线仿真器的一些便利为代价的。如果用户的应用设计为设计与ICD兼容，那么他们就能享受到低成本硬件调试器所带来的好处了。与ICE相比，在线调试器需要满足如下要求：(1)在线调试器需要占用目标板的一些软硬件资源。(2)目标PICmicro单片机必须有一个正常运行的时钟。只有当系统中所有的连接都正常时，ICD才能进行调试。仿真器提供存储器和时钟，并能运行代码—即使没有与目标应用板相连。在开发和调试期间，ICE提供了最强大的能力来发挥系统的所有功能，而ICD在应用不运行时将根本无法进行调试。另一方面，在系统量产后，仍然可在应用板上安装一个在线调试连接插座，并与ICD相连，这样允许用户对应用方便地进行测试、调试和再编程。尽管ICD与ICE相比有一些不足，但它也有一些突出的优点：(1)在量产后可直接与应用相连，而不需要取下单片机来插入ICE仿真头。(2)ICD可以在目标应用中对固件再编程，而不需要其它连接或设备。3.2.5进入调试模式的操作顺序如果上述条件都满足，那么当MPLABICD2被设置为当前调试器（DebuggerSelectTool）时，可以进行以下操作：(1)当选择DebuggerProgram时，应用代码就会通过前面所述的ICSP协议烧写到PICmicro单片机的存储器中。(2)一个小的“调试执行”程序被载入到目标PICmicro单片机程序存储器的高地址段。由于调试执行程序必须驻留在程序存储器中，因此应用程序不能使用这段保留的空间。调试执行程序一般需要0x120字的程序存储空间。(3)使能目标PICmicro单片机中的特殊“在线调试”寄存器。这使得调试执行程序能被MPLABICD2激活。(4)通过将VPP/MCLR保持为低电平，使目标PICmicro单片机复位。3.2.6节电率计算节电率是