我国现有的路灯70%以上使用的是高压钠灯，其设计寿命为24 000小时(5年)。但是由于我国城市电网技术落后，造成线路的电压波动大大超过国际标准，许多地区的波动甚至超过额定电压的±15%，特别是在后半夜，由于电负荷减少使得电网电压" title="电网电压">电网电压有时接近245伏，致使路灯灯泡的实际使用寿命平均不到一年。因此，有必要加强技术改进，以期减缓能耗上升的趋势。在全球都在提倡绿色照明的时代，路灯的节能必然成为一种趋势。

目前在供电电源端节能的方式主要有两种，一是采用半夜灯，二是采用调压的方式。半夜灯是通过在下半夜关掉一部分路灯的方法来达到节能，它具有简单易行的特点，缺点是使得道路照明不均匀，且无法解决下半夜电压高而影响光源寿命的问题。通过降低供电电压的方法不但可以节能，还可延长光源的寿命，是一种较好的节能方式。

1 基本设计思路

该路灯控制器要实现的基本功能为：通过闭合在自耦变压器的二次边设置的不同变比的四个触点开关，使路灯两端电压在电网电压变化时（主要是夜间电网电压偏高时）能够自动稳定在某一预置值，且该预置值可在不同时段有不同取值。该路灯控制器内部存有室内、室外（室外包括冬季、夏季）三种工作方案可供选择。所有操作通过“Up”、“Down”、“Enter”、“Esc”四个按键完成，简单方便，易于操作。带有LCD液晶显示屏，在无按键操作时，如果选择了自动显示功能，LCD液晶显示屏就循环滚动实时显示各相组触点开关状态及调整电压；有按键操作时，显示为多级菜单形式，简洁明了，方便快捷。在此状态下可设置时间、选择方案及查询指定相的实时触点开关情况及其调整电压。

该路灯控制器采用自耦变压形式调整负载(路灯)的电压，图1为三相电压中任意一相的示意图。自耦变压器的一、二次侧线圈不仅有磁的联系，还有电的联系。所以，在输出电压调节范围不大时它的容量比较小，可靠性也比较高。采用单片机实现电压值数据的采集、运算等功能，并对外接设备实施实时有效的控制。

2 设计方案

2.1 路灯工作方案

供电质量的好坏对照明灯具的使用效果及使用寿命都有较大的影响。照明灯具端电压偏离灯具所要求的额定电压值越大，对灯具的使用效果和使用寿命的影响就越大，并由此导致灯电流、灯输出功率和灯输出光通量的变化。

以下分室内照明和室外照明来讨论工作方案。

2.1.1 室内照明

荧光灯是一种利用汞放电产生紫外辐射激发荧光粉层而发光的低气压放电灯，是目前工厂、大厦、商场、机关、学校和家庭照明的一种主要电光源。

表1给出了荧光灯照度、寿命与电压关系。

由表1可知，电网电压为额定电压是220V，采用90%额定电压供电,灯具寿命可延长一倍,照度衰减7%。从人体视觉学可知，人的眼睛对光强度变化的感觉是按对数关系计算的，照度衰减7%，人的视觉能够感觉到光线变暗1.6%，此时节约电能19%，达到了最佳能效比。如电网电压超过220V，则节能率一般在20%以上。所以，90%额定电压为室内照明供电最优运行与节能电压。

2.1.2 室外照明

夜晚道路的照明作为对白天照明的延续，要求考虑到人们的生理特征，即存在着开灯和关灯时的照度设定问题。通常在早晨的时候，由于人们刚经过一个黑夜的睡眠，对光线的亮度较为敏感，道路照明关灯的设定值可以在较低的照度值上；在傍晚的时候，因为刚刚经过了一个明亮的白天，人们对外界光线的亮度反应较为迟钝，道路照明开灯的设定值应该在较高的照度值上。因此道路照明的开关值并不是恒定的，开灯时的照度值较高，关灯时的照度值较低。

由于日照时间随季节变化，所以室外路灯工作方案又分为冬季和夏季两种，具体设置见图2、图3。

以冬季工作方案为例，对上述方案作节能率分析：

假设照明系统负荷R恒定，且节能率只计算有功功率。则电压调整前耗电量：

同理，可得出夏季路灯工作方案实施后的节能率为23.3%。

2.2 电压控制方案

以室内方案为例，输出电压保持在198V(=220V×90%)。

设输入电压为Uin，输出电压为Uout；t时刻i(i=1，2，3)相输入电压为Uin(i，t)，t时刻i相输出电压为Uout(i，t)；设定的输出电压为US。先判断输入电压Uin处于上升阶段还是下降阶段：

如(4)式，若某路t时刻输入电压大于(t-1)时刻输入电压，则输入电压处于上升阶段。设定输出电压值为US，即电压上升到US时触点开关跳变。反之，若某路t时刻输入电压小于(t-1)时刻输入电压，则输入电压处于下降阶段，设定输出电压值为(US+5)，即电压下降到(US+5)时触点开关跳变。

其中，5V为回差，使电压在上升和下降两个阶段有两个不同的阈值。设置该回差是为了保证触点开关在输入电压波动频繁时不会随之频繁跳变。

显然，当t时刻输入电压与(t-1)时刻输入电压相等时，不需进一步处理，只需延时等待下一个采样周期即可。

输入电压乘各开关支路电压变比ai(i=1,2,3)的积，与设定输出电压US或(US+5)比较取绝对值最小Min[|Uout(i，t)-Uout(i，t-1)|]的一路开关闭合：

当出现两路电压比较后绝对值相等的情况时，若存在与上一采样周期相同的一路开关，则开关不变；否则取最靠近上一周期所闭合开关的那一路开关闭合。

室外两种方案与室内方案相似，只是在最初应先判断该时刻所处的时间段(如图2、图3所示)，以确定其设定输出电压值，再进行上述各步骤。

2.3 人机界面设计方案

该人机界面采用类似PC机的Windows菜单操作。如果用一般的方法实现该功能，编写程序时会涉及复杂的多重嵌套，若每层菜单有n个选项，就需要作n次判断。这不仅使得程序繁锁，还会占用很多的程序内存空间。

在该设计中采用了一种根据菜单的树状特点，结合数据结构思想设计的“菜单值”原理方法[2]：采用变量菜单值MenuNumber对每一层菜单的变量计数，根据此菜单值转向执行相应的子程序。具体做法如下：

(1)开机后，进入开机画面，延时后自动进入主菜单；

(2)以后每按一次“Enter”键，MenuNumber×10+1；每按一次“Esc”键，MenuNumber/10；

(3)每按一次“Up”键，MenuNumber-1；每按一次“Down”键，MenuNumber+1；

(4)根据上述方法形成“菜单值”（10进制），如图4菜单目录树中所标出的数字；

(5)到达菜单顶层，设置一标志，此时，按“Up”、“Down”后，再按一次“Enter”，视为“执行”功能，MenuNumber不变化，跳转至相应函数执行。如图4所示。

在该路灯控制器的人机界面设计中，菜单只有两层窗口，每层最多四个项目，所以把MenuNumber定义为一个字节已足够。

传统的方法是采用两个变量Windows和Level，并将Window和Level分开判断，这种方法将二者合成为一个“菜单值”来判断。由于“菜单值”的形成过程清楚，大大节省了程序设计时间，使程序清晰简洁，便于维护修改，并大大提高了程序的可读性。

3 结构设计

3.1 硬件部分

主要包括微处理机、数据采集电路、触点开关驱动电路、时钟及人机接口电路(如图5所示)。电网电压经整流滤波电路、A/D转换电路被采集到微处理机，微处理机通过运算确定此时需闭合的变压器副边开关位置，同时发出命令，令相应继电器驱动与其对应的触点开关闭合，从而实现其基本功能。人机交互接口用于设定时间，以及随时查看各相测量电压、调整电压和触点开关闭合情况等信息。

4 试验结果

4.1 室内方案运行结果

室内方案要求24小时工作，电压值要求稳定在198V。

在主菜单上，进入方案选择项，选定“室内”选项。通过调压器将电压从210V上升至250V，再降至210V。在这个电压变化的过程中观察该路灯控制器的测量电压值、调整电压值以及选择开关位置。室内电压调整结果如表2。

4.2 室外(夏季)

以夏季室外方案(图3所示)为例，19：00～21：00时，要求电压稳定在210V；21：00～0：00时，要求电压稳定在200V；0：00～5：00时，要求电压稳定在190V。

同上，进入主菜单，选定“室外2”选项。通过调压器将电压从205V增大到240V，再逐渐减小到210V。与室内方案不同的是，在调节电压的同时，还需相应地对时间进行设置，才能反映路灯控制器是否按照设定方案正常工作。在这个过程中，观察该路灯控制器的测量电压值、调整电压值、选择开关位置以及工作时间。室外电压调整结果见表3。

从表3试验结果可以看出，无论在电压上升还是下降阶段，该路灯控制器均能够较准确地测量输入电压值，并按照所选择的方案，将输出电压控制在方案中设定的电压值附近，误差在－5V～＋5V之间，且不会出现开关在两个位置上频繁反复跳变的情况。由此，证明了该路灯控制器的设计方案切实可行，实现了其需要完成的功能，并具有较高的精度。

基于节约能源、延长光源寿命的目的，本文介绍了一种自耦调压型路灯控制器，对电网电压的控制方案通过一个简单的基于微处理器的嵌入式系统来实现。

该路灯控制器针对电网负载端用户数量时段性变化显著、电网电压呈时段性跳变这一特点，研究分析电网电压随时间的变化规律以及在相应时段人们日常生活对路灯亮度的需求，制订了冬季和夏季两套路灯电压控制方案。在此基础上，将这种专用于路灯电压控制的方案加以扩展，也可以应用于室内灯光供电电压的控制。