技術支持：基于GPS系統的路燈控制器的設計

　　基于GPS系統的路燈控制器的設計

　　摘要:本文提出了一種新型的路燈控制器，利用GPS設備獲取本地的經緯度以及時間信息，得到可靠的地理位置信息和時間數據;再利用單片機計算當地每一天的日出日落時間，控制路燈系統的工作狀態。單片機目前發展已經非常成熟，可以保證整個控制系統性能穩定，受環境干擾小;準確的日出日落算法，可以大大的節省人力和能源消耗。

　　關鍵詞: 路燈控制 單片機 日出日落 GPS

　　Research of Power Controller Based on GPS

　　Hou Jianbin

　　Xi’an Junzhi Electronics Technologies, Co., LTD

　　Abstract: A new power controller is presented in this paper. The geography and time information of location including latitude and longitude can be gotten by the GPS, and the MCU (microcontroller) can budget the sunrise and sundown time everyday with the geography information. According to the sunrise and sundown time, MCU can control the power on or down under multi-mode. MCU is a mature technology and can work well in complicated environment. So the power controller can be energy saving and consumption reduction, and in the same time which can be human resource saving.

　　Key Words: Power controller, MCU, Sunrise and sundown, GPS

　　引言

　　在路燈控制智能方法上，目前應用比較廣泛的是鐘控和光控兩種方式。但是這兩種方式都各有自己的局限性：使用鐘控設備，工作人員需要定期更改開燈關燈時間，尤其在春秋兩季，晝夜長短的變化非?？?，為了保障路燈的正常工作，工作人員需要不斷的設置開關燈的時間，以西安07年日落時間為例(圖一);在春秋季晝夜變化快的時候，每天日落時間可以改變80秒左右，工作人員如果每10天更改一次鐘控時間，變化更大，例如在9月份和10月份，日落時間會延遲14分左右。另外，晝夜交替雖然曾周期性變化，但是受經度、緯度、年份影響，難以被觀測記錄到，所以在設置路燈開關燈時間時，只是按照大概估計，造成能源和人力的浪費。光控設備使用光敏器件，判斷光線的強弱來控制路燈的工作，比鐘控節約能源和人力。但是缺點也是顯而易見的，容易受到強光，煙霧，灰塵，擺放角度的影響，造成性能的變化。

　　基于以上問題,市場上出現很多經緯度式的路燈控制系統,但是由于其算法存在問題,導致在使用的過程中無法正常使用.本系統根據太陽的視赤緯度,太陽視角,以及當地的經緯度計算該地區每天的日出日落時間.從而建立一套單片機路燈控制系統,可以在多種模式控制各種照明或者廣告牌電源,在很大程度上降低能源的消耗降低人力成本.

　　圖一：西安2007年日落時間趨勢

　　1.系統設計

　　1.1功能框架圖(圖二)

　　系統框圖如圖二所示,系統由單片機,gps模塊,液晶顯示板,鍵盤以及其他附屬結構組成。

　　圖二：功能框架

　　1.2 工作原理

　　從GPS或者手工輸入經緯度位置信息和當前時間(北京時間)，控制器計算出該位置每日準確的日出日落時間,算法在后面的內容介紹。在此時間的基礎上，加入一定的提前和滯后量，控制繼電器的閉合。

　　1.3GPS模塊：

　　GPS即全球定位系統(Global Positioning System)。簡單地說，這是一個由覆蓋全球的24顆衛星組成的衛星系統。這個系統可以保證在任意時刻，地球上任意一點都可以同時觀測到4顆衛星，以保證衛星可以采集到該觀測點的經緯度和高度，以便實現導航、定位、授時等功能。這項技術可以用來引導飛機、船舶、車輛以及個人，安全、準確地沿著選定的路線，準時到達目的地。本系統利用GPS來獲得工作地點的經緯度信息以及時間信息,其特點是高靈敏、低功耗、20通道，可外接天線，高靈敏度，在城市峽谷、高架下等弱信號的地方，都可以快速、準確獲取時間和位置信息。

　　1.4控制IC(單片機)：

　　單片機是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機系統。盡管他的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個完整計算機所需要的大部分部件：CPU、內存、內部和外部總線系統，目前大部分還會具有外存。同時集成諸如通訊接口、定時器，實時時鐘等外圍設備。而現在強大的單片機系統甚至可以將聲音、圖像、網絡、復雜的輸入輸出系統集成在一塊芯片上。本系統選用型號：STC89C256;具有抗干擾性好，耐靜電，保密性好，可實現在線編程，使用方便的特點.

　　2.日出日落算法

　　2.1 日出日落時間算法

　　已知：日出日落時太陽的位置h=-0.833°，要計算地的地理位置，經度Long，緯度G1at，時區zone，UTo為上次計算的日出日落時間，第一次計算時UTo=180°。

　　(1)先計算出從格林威治時間公元2000年1月1日到計算日天數days;

　　(2)計算從格林威治時間公元2000年1月1日到計算日的世紀數t， 則：

　　t=(days+UTo/360)/36525;

　　(3)計算太陽的平黃徑： L=280.460+36000.77t;

　　(4)計算太陽的平近點角： G=357.528+35999.05t

　　(5)計算太陽的黃道經度：λ=L+1.915sinG+0.02sin(2G);

　　(6)計算地球的傾角：ε=23.4393-0.013t;

　　(7)計算太陽的偏差：δ=arcsin(sinεsinλ);

　　(8)計算格林威治時間的太陽時間角GHA：

　　GHA=UTo-180-1.915sinG-0.02sin(2G)+2.466sin(2λ)-0.053sin(4λ)

　　(9)計算修正值e： e=arcos{[ sinh-sin(Glat)sin(δ)]/cos(Glat)cos(δ)}

　　(10)計算新的日出日落時間： UT=UTo-(GHA+Long±e);

　　其中“+”表示計算日出時間，“-”表示計算日落時間;

　　(11)比較UTo和UT之差的絕對值，如果大于0.1°即0.007小時，把UT作為新的日出日落時間值，重新從第(2)步開始進行迭代計算，如果UTo和UT之差的絕對值小于0.007小時，則UT即為所求的格林威治日出日落時間;

　　(12)上面的計算以度為單位，即180°=12小時，因此需要轉化為以小時表示的時間，再加上所在的時區數Zone，即要計算地的日出日落時間為：

　　T=UT/15+Zone

　　上面的計算日出日落時間方法適用于小于北緯60°和南緯60°之間的區域，如果計算位置為西半球時，經度Long為負數。

　　計算出來的西安當地的日落時間見圖一.

　　2.2 計算方法的簡化

　　由于STC89C256是只有8位的微處理器，難以處理以上的較為復雜的實時運算，并且存儲的容量有限,為了簡化運算，對部分數據建立數據庫，處理器內部查表，對日出日落數據進行軟件擬合的方式代替實時運算。

　　2.3 誤差分析

　　由軟件擬合得到的數據代替原始數據必然帶來一定的誤差，產生的誤差原因有：

　　a)閏年和平年之間的差異

　　b)經度和緯度因為計算精度造成的差異

　　c)處理器計算過程中產生的溢出

　　對全國各地且不同年份的軟件擬合數據進行系統抽樣，利用統計軟件spss10.0對產生的總體誤差進行分析，得到以下結果：

　　平均誤差m=25.4秒，95%的數據誤差可以控制在62.6秒之內，98%數據誤差可以控制在68.7秒之內。

　　3.電磁兼容設計

　　由于控制器通常都安裝在配電箱內，其負載為交流接觸器,在開關的瞬間會產生很強的電磁脈沖。另外配電箱內復雜的環境和控制器自身負載都會產生高頻電磁干擾。為了在這樣復雜的環境下，始終能夠保持穩定的性能，在設計和生產過程中就要考慮到電磁兼容性設計的問題。

　　控制器是通過繼電器實現弱點控制強電，高頻電磁干擾會出現繼電器閉合的瞬間。由于干擾是從電源線引入，并傳播到內部的線路中去的，我們可以在電源的出口和印刷版的電源入口處設置鐵氧體抗干擾磁芯，即可抑制電源和印刷板之間的高頻干擾傳輸，也可以抑制印刷板之間高頻噪聲的互相干擾。

　　鐵氧體抗干擾磁芯是電子電路中常用的抗干擾元件，對于高頻噪聲有很好的抑制作用，它一般使用鐵氧體材料(Mn- Zn)制成，它在不同的頻率下有不同的阻抗特性，一般在低頻時阻抗很小，當信號頻率升高磁環表現的阻抗急劇升高。利用這種特性，使用鐵氧體磁環后可以把繼電器閉合瞬間產生的高強度脈沖有效地吸收，保證控制器正常工作。

　　4.結論

　　本論文提出一種新型的GPS型路燈控制器,根據太陽的視赤緯度,太陽視角,以及當地的經緯度精確計算出當地的日出日落時間,根據這一時間來控制繼電器的開關,然后利用繼電器來控制交流接觸器控制城市的一些電源系統例如路燈系統和廣告牌系統,從而達到節能降耗節省人力的作用.

　　參考文獻:

　　產品類別

　　· HS-08-14C

　　· H?S?08-14C

　　· H-S-08-14C

　　聯系方式

　　· 溫縣俊智電子電器設備廠

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