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^[1]。
                    

    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：
  
电压调整后耗电量：
  

节能率：
   

    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" title="输入电压">输入电压为U_in，输出电压为U_out；t时刻i(i=1，2，3)相输入电压为U_in(i，t)，t时刻i相输出电压为U_out(i，t)；设定的输出电压为U_S。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(U_S+5)，即电压下降到(U_S+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(U_S+5)比较取绝对值最小Min[|U_out(i，t)-U_out(i，t-1)|]的一路开关闭合：
    U_out(i,t)=U_in ·α_i                             (5)
    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。

3.2 软件部分
    路灯控制器的软件流程如图6。
              

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。