基于全自然光的公路隧道智能照明系统(9-1)毕业论文

摘要

自然光是取之不尽用之不竭的可再生资源，它具有储量无限性，存在普遍性，使用清洁性的特点。充分利用自然光照明既节约大量传统照明用电, 又保护了环境, 已经成为现在绿色照明的一种重要能源。光导照明系统( Day lighting system ), 是继光热、光电模式后诞生的利用太阳能的新方式。

公路隧道具有缩短公路里程、提高交通运输效率、节省用地等优越性。随着公路建设的蓬勃发展，隧道照明设施的规模和数量越来越大，隧道照明能耗及安全问题日渐突出。针对目前我国中短距公路隧道存在的高耗能及不安全等照明缺点，本文设计了基于全自然光的公路隧道智能照明系统。根据隧道照明规范，将全自然光与LED节能灯结合，通过光电开关GL30检测车流量和光敏电阻LXD3526检测光强来启动自然光照明系统和LED节能灯照明，利用AT89S51单片机实现智能控制的新型照明技术应用到隧道照明系统中，满足公路隧道安全及节能照明要求，实现节能减排以及绿色照明的目的。

关键词

自然光 LED节能灯车流量检测光强检测智能控制Abstract：

Natural light is inexhaustible renewable resources, it has many characteristics, such as unlimited reserves, universal existence, the use of clean. Full use of natural lighting not only save a lot of traditional electricity for lighting, but also to protect the environment, it has become an important energy source of the green lighting. Day lighting system is becoming a new way of using solar energy after light and heat, photoelectric mode.

Highway tunnel can shorten the length of highways, improve the efficiency of transportation, saving land and other advantages. With the vigorous development of highway construction, growing the size and number of tunnel lighting, tunnel lighting energy consumption and security issues have become increasingly prominent. In order to solve lighting shortcomings of the high energy consumption and unsafe for short-range highway tunnel in China, this paper designed a program of highway tunnel

full of natural light-based intelligent lighting system. According to the Tunnel Lighting Specification, combined with the natural light and LED energy-saving lamps, by photoelectric switch the GL30 detecting traffic flow and the photoresistor LXD3526 detecteing light intensity to start the natural lighting systems and LED energy-saving lighting, By using AT89S51 microcontroller to achieve intelligent control applied to the tunnel lighting system for the new lighting technology, to meet the requirements of road tunnel safety and energy-efficient lighting, energy saving and green lighting purpose. Keywords: Natural light LED energy-saving lamps Flow detection Intensity detection Intelligent Control

目录

1 绪论 (1)

1.1 前言 (1)

1.2 国内外发展现状 (1)

1.3 课题研究的意义 (3)

1.4 本文研究的内容 (5)

2 方案论证 .......................................................................... 错误！未定义书签。

2.1 控制系统的选择 .................................................... 错误！未定义书签。

2.2 控制方式的选择 .................................................... 错误！未定义书签。

3 元器件选择 ...................................................................... 错误！未定义书签。

3.1 处理器的选择 ........................................................ 错误！未定义书签。

3.2 照明模块的选择 .................................................... 错误！未定义书签。

3.3 光强检测模块的选择 ............................................ 错误！未定义书签。

3.4 车流量检测模块的选择 ........................................ 错误！未定义书签。

3.5 太阳光的采集与导入的选择 ................................ 错误！未定义书签。

4 太阳光追踪与太阳光导入选择 ...................................... 错误！未定义书签。

4.1 太阳光的追踪的选择 ............................................ 错误！未定义书签。

4.2 太阳光导入系统的选择 ........................................ 错误！未定义书签。

5 控制电路设计 .................................................................. 错误！未定义书签。

5.1 单片机介绍 ............................................................ 错误！未定义书签。

5.2 时钟电路 ................................................................ 错误！未定义书签。

5.3 复位电路 ................................................................ 错误！未定义书签。

5.4 电源电路 ................................................................ 错误！未定义书签。

5.5 报警电路 ................................................................ 错误！未定义书签。

5.6 车流量检测模块 .................................................... 错误！未定义书签。

5.7 光强检测模块 ........................................................ 错误！未定义书签。

5.8 继电器 .................................................................... 错误！未定义书签。

6 系统软件设计 .................................................................. 错误！未定义书签。

7 经济效益分析与节能减排分析 ...................................... 错误！未定义书签。

7.1 经济效益分析 ........................................................ 错误！未定义书签。

7.2 节能减排分析 ........................................................ 错误！未定义书签。

8 系统实现 .......................................................................... 错误！未定义书签。

8.1 实际公路隧道照明亮度需求计算 ........................ 错误！未定义书签。

8.2 照亮此隧道所需的集光面积计算 ........................ 错误！未定义书签。

8.3 所需的LED节能灯计算....................................... 错误！未定义书签。

8.4 调试实物图 ............................................................ 错误！未定义书签。

9 总结 .................................................................................. 错误！未定义书签。参考文献 ................................................................................ 错误！未定义书签。致谢 ................................................................................ 错误！未定义书签。附录 ........................................................................................ 错误！未定义书签。

附录一主程序 ............................................................. 错误！未定义书签。

附录二系统电路原理图 ............................................. 错误！未定义书签。

1 绪论

1.1前言

公路隧道在我国正以空前的速度修建，建设施工的技术难度、技术含量不断加大，大跨度、大断面隧道不断出现，高海拔、高寒区隧道建设取得突破性进展，断面形式更是由单洞到双洞，由双洞到连拱，由双连拱到多连拱。隧道长度记录不断被刷新，令世人瞩目，位于陕西省的秦岭终南山隧道，单洞长18.02公里，位居亚洲第一，世界第二。隧道照明系统是车辆能够安全地进入、通过和离开隧道区域必不可少的基本保证。由于公路隧道具有缩短公路里程、提高运输效益、利用地下空间、节省用地和保持生态环境等优越性，在高等级公路建设中受到越来越多的重视。

公路隧道由于其功能的特殊性，确定了其建设的复杂性。公路隧道照明，尤其是高速公路隧道照明与一般道路照明要求不同，隧道白天也需要照明，而且白天照明问题比夜间更加复杂。一般隧道都有七八个照明控制回路，建设投资大，施工难度高，隧道开通后管理者仅能在有限的回路里进行控制，这种控制方式往往导致隧道照明的亮度超过了实际需求，造成能源的浪费，且无法保证隧道内亮度的均匀性及各段之间亮度的平滑过渡，隧道内会出现所谓的“斑马线”，而导致驾驶员视觉疲劳，出现重大安全隐患[1]。照明系统是隧道机电工程中最重要的设施之一，也是整个隧道机电工程总投资最大的系统之一。目前，隧道通风、照明系统费用通常为整个隧道土建费用的10%左右，最高可达20%。同时照明费用也是隧道运营费用中开支最大的项目之一[2]，如何既减少隧道照明系统的运营费用节约能源又不影响洞内车辆的安全行驶，成为摆在我们面前急需解决的难题。

1.2国内外发展现状

1.2.1 公路隧道的国内外发展现状

（1）公路隧道照明发展及研究现状

国外公路隧道的照明技术研究开始早，经过多年的研究和实践，技术相对成熟。例如，早在20世纪60年代，意、法两国之间的MontBlanc隧道就已经按照交通量的变化进行照明调光。

80年代后，世界各国相继出台了隧道照明规范，以规范隧道照明的设计和施工，减少交通事故。其中，当时被广泛接受的标准是CIE(国际照明委员会)1982年制定的(CIE No.30.2，1998)。随后,这个标准分别在1990年、1995年进行了修订。在此同时，各国也相继实施了各自的标准,如EUROSTD(欧洲隧道照明标准，1997年版)，日本《隧道照明指针》(1990)等。这些发达国家照明理论和技术相对比较完善，因此已经形成规范性的标准。

随着我国公路建设的发展，公路隧道建设规模非常大，速度越来越快,因此技术需求也越来越大。但我国隧道照明技术起步较晚,经验和基础性的工作不足，我国在2000年以前使用的

原则主要遵循《公路隧道设计规范》(JTJ 026-90)来设计隧道的照明系统，由于该规范设计的标准不很完善，因此90年代后期,为了适应我国公路隧道照明的技术需求,我国有一部分学者在这方面进行了一系列的研究。这些研究主要从2个方面进行：①确定布置灯光的方案,来消除“黑洞效应”和“白洞效应”等问题；②设计照明系统的控制系统，对隧道的照明进行动态控制。目前国内学者对隧道照明技术集中于如何安全舒适又经济节能的研究，主要集中于以下几个方面[3]:

1)设计开发隧道照明的亮度分析和计算软件。

2)对现有隧道的照明系统进行照明亮度检测，分析照明性能是否能达到国家行业标准。

3)设计自动调光系统,使隧道的入口段、过渡段等区域的照明能自动凋光，以实现节能。

4)设计开发新型隧道照明灯具和照明方法。

（2）公路隧道照明的特点：

隧道照明是为了保证隧道内交通顺畅而设置的功能性照明，给驾驶员在隧道行驶过程中提供一个安全、舒适的视觉环境，保障交通安全运行，提高运输效率。因此，将隧道照明分为：入口段、过渡段、中间段和出口段，而且每个照明段的路面亮度水平要求不同，如图1所示。隧道照明特点：1)分段式照明；2)白天照明比夜间照明更复杂；3)入口段和过渡段的照明亮度要保持与外部光线的亮度变化一致；4)24小时不间断照明。

（3）我国公路隧道照明的发展趋势

随着现代化交通系统的发展，公路隧道的通车里程会越来越大，隧道照明设施的规模及数量也将越来越大，隧道照明系统一定会向着节能、环保、智能等方向发展。将全自然光导入系统、LED节能灯、智能控制系统有机结合在一起，正适合了这一发展方向。

1.2.2 自然光导入技术的研究现状

（1）国内外研究现状

从国外的研究情况看，光纤传输的自然光能达到3km以上而只有0.001％的衰减，可以说已能满足大部分的应用场所，其主要弊端是对集光器的采光精度要求特别高，以致投入的成本高。自然光导入的方式有: 1）导光管法；2）光导纤维法；3）采光搁板法；4）导光板法；5）棱镜窗法；6）遮阳百叶法。在这些方式中，除了光纤法的传输距离较远外，其余的方式都是针对建筑采光的短距离传输。

从国内发展情况来看，自然光照明技术发展较晚，很多都是引进国外的技术，尤其是在光纤传输的集光器追踪精度技术上还相对薄弱。

（2）光纤导光的特点及优势

光纤导光照明的特点[4]：1）光纤柔性传播；2）实现了照明的光电分离；3）高精度的追踪可以得到无红外线和紫外线的冷光源；4）远距离传输；5）衰减小。

根据隧道照明特点与光纤导光照明特点对比分析可知，隧道采用光纤传输的自然光照明可以最直接地解决隧道白天照明控制难度大、耗能大、不安全等缺陷，相比于室内、工厂、宾馆等要求照明质量高的场所，拥有更高的性价比[5]。

（3）照明方法的改进

在照明方法的改进方面，主要是采用逆光照明,这种照明在国外使用很多，如瑞士几乎所有隧道均采用此种照明方式。所谓逆光照明，就是通过一个特殊的斜倾式反光器将光束集中朝汽车前进的方向投向路面，从而提高目标的背景亮度,使前方车辆或目标更易辨认。这种布灯方式可节约灯具30%，节省电力费30%。另外,国外还有二次配光技术，即将光通过反光器反射到玻璃罩上，再通过玻璃罩上的配光条纹进行再配光，将光线尽量照射在路面。

1.3课题研究的意义

我国公路隧道事业起步较晚，隧道照明设施相对落后，对隧道照明技术缺乏深入研究，虽然目前大多数隧道均考虑了照明，但照明设计仍采用传统的照明方式偏于保守，造成一些不必要的浪费。迫于运营费用和维护成本过高，一些隧道在运营后不长时间就没有完全开启照明灯具或仅开启其中的1/2到1/4左右，甚至有的隧道干脆不开灯，造成隧道内光线昏暗，且亮暗交错很不均匀，使行车者的视觉很不舒服，为行车安全埋下隐患。这种控制方式往往导致隧道照明的亮度超过了实际需求，造成能源的浪费，且无法保证隧道内亮度的均匀性及各段之间亮度的平滑过渡，隧道内会出现所谓的“斑马线”，而导致驾驶员视觉疲劳，出现重大安全隐患。因此如何在隧道内各段跟踪实际的车流量和外界环境亮度，采用不同强度的照明来改善隧道内的光照及其分布是隧道照明控制要解决的问题。与此同时，随着隧道通车里程增多，节能降耗已经成为降低隧道运营成本的重大研究课题。

1.3.1 隧道智能照明的意义

隧道智能照明控制技术是随着计算机技术、网络技术和通信技术的发展而发展起来的。该方式不仅具备开关灯控制，而且还能对光源进行调光控制，它是一个集多种照明控制方式、现代化数字控制技术和网络技术于一身的控制系统。该控制系统能够实现隧道照明洞内亮度自动跟踪洞外亮度的实时变化和车流量的大小，确定隧道照明的控制方式，既节约能源又达到绿色照明的目的。

隧道智能照明控制系统的研究已成为公路隧道工程上的一个重要课题，它不仅响应了由国家经贸委牵头启动的“中国绿色照明工程”，还能创造巨大的经济和社会效益：（1）创造有效率的照明环境、实现节约能源的目的

隧道智能照明控制系统通过对照度的自动调节，实现对各种天气和交通状况所需的即时精确照明，从而消除能源的浪费和照明的不足，节能效果十分明显。

（2）提高隧道照明质量

在隧道内交通流量较少时，可以不必像传统的控制方式那样关闭一侧灯具或让灯具隔一

开一，只需调节灯具的光输出即可，这样做的好处是可以获得较好的照度均匀度，为驾驶员提供舒适的光环境，避免事故的发生。

（3）延长灯具寿命

智能照明控制系统可以成功地抑制电网的冲击电压和浪涌电压，使灯具不会因电网电压过高而损坏。同时系统采用软启动和软关断技术，避免了开启灯具时电流对灯丝的热冲击，使得灯具寿命进一步延长。从而减少更换灯具的工作量，降低照明系统的运行费用。通过上述方法，光源的寿命通常可延长2-4倍[6].

（4）便于管理维护

1.3.2 自然光照明的意义

与此同时，我们可以在隧道照明系统中导入自然光。自然光主要由以下优点:

（1）储量的“无限性”。太阳每秒钟放射的能量大约是16×1023KW，一年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约1892×1013千亿吨，是目前世界主要能源探明储量的一万倍。相对于常规能源的有限性，太阳能具有储量的“无限性”，取之不尽，用之不竭。这就决定了开发利用太阳能将是人类解决常规能源匮乏、枯竭的最有效途径。

（2）存在的普遍性。虽然由于纬度的不同、气候条件的差异造成了太阳能辐射的不均匀，但相对于其它能源来说，对于地球上绝大多数地区而言太阳能具有存在的普遍性，可就地取用。这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。

（3）利用的清洁性。太阳能像风能、潮汐能等洁净能源一样，其开发利用时几乎不产生任何污染是人类理想的替代能源。

（4）利用的经济性。可以从两个方面看太阳能利用的经济性。一是太阳能取之不尽，用之不竭，而且在接收太阳能时不征收任何“税”，可以随地取用；二是在目前的技术发展水平下，有些太阳能利用已具经济性。随着科技的发展以及人类开发利用太阳能的技术突破，太阳能利用的经济性将会更明显。

当外界光照强度能够达到隧道照明的要求时，我们可以直接导入自然光，这样不仅可以达到照明的要求，而且可以节约能源，保护环境。

1.3.3 光纤导光照明的特点与应用优势

（1）节能性：由于光纤照明系统采用的是高效率的进口金属卤化物灯泡作为光源，同等照明效果其对电能的消耗只是原用高压气体灯的10%。而光纤作为传光介质，它的定向性也是普通照明灯具所不能达到的。所以在有限的空间内，光纤可以更好的对所需位置进行照明。

（2）自然性：光是人的眼睛最敏感的物质，自然光是人眼所习惯的光线。光纤作为新兴的传光介质，已经成为“绿色照明”领域的中重要的一员，。它的光谱均匀分布，显色性高（即色彩还原好），光色平均柔和，滤除了大部分的红外线和紫外线，有效的防止眩光的现象发生。它是最为接近自然光的光源，也就是最为人眼所接受的光源。现在常常强调的“以人为本”

就说明了，无论从理论上还是实际效果上看，只有最适合人的眼睛的照明灯光才是最好的灯源。盲目的追求高亮度不仅增加不必要的投入，还是对国家有限电力资源的极大浪费。

（3）科技性：最为新型传光材料，它的科技性显得尤为突出。前面的例子已经表明，美国、欧洲等国家已经提前一步在隧道照明领域取得了突破，高速发展中的中国应该同世界同步，以求取得领先地位。而且它电噪声极低，没有任何的声音污染。自带的散热系统也可以满足更恶劣的使用环境。

（4）易维护性：照明系统是隧道工程中重要的组成部分，同时也是较为脆弱的系统之一，特别是维修和更换的成本太高并且影响隧道的正常使用，所以使用易于维护的照明方式就显得尤为重要。光纤照明系统就恰如其分的解决了这一难题，它的更换极为简易，只需要稍加培训的普通电力维修人员沿途对其更换即可，更不用关闭隧道，从根本上解决了这一问题。

根据隧道照明特点与光纤导光照明特点对比分析可知，隧道采用光纤传输的自然光照明可以最直接地解决隧道白天照明控制难度大、耗能大、不安全等缺陷，相比于室内、工厂、宾馆等要求照明质量高的场所，拥有更高的性价比。

1.4本文研究的内容

本次设计主要研究的内容是通过光强检测模块检测光照的强度，然后把信号传给单片机，单片机对信号进行数据处理后，发出相应的控制指令。当光照强度大于或等于设定值时，启动全自然光照明系统。当光照强度不足（阴天或晚上）时，传感器检测到的隧道内车流量，使外部相应的继电器动作，进而控制相应的开关，使节能灯按预先设定的模式工作。当遇到紧急情况（强雾、车祸）时，隧道外的警示灯给以相应的警示[7]。这其中待解决的问题主要由以下几点：

（1）当光照强度充足（晴天）时，系统自动检测并采用全自然光照明，每天有效利用自然光照明时间平均至少8个小时；

（2）当光照强度不足（阴天或晚上）时，系统自动检测并采用LED节能灯智能控制系统照明，并且根据隧道内车流量的大小，使灯按预先设定的模式工作。