LED路燈智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

摘要：出于對(duì)能源消耗及智能化水平的考慮，傳統(tǒng)的路燈控制方式已不能滿(mǎn)足社會(huì)發(fā)展的需求。在分析了單片機(jī)MSP430的性能優(yōu)勢(shì)之后，從綠色能源、節(jié)約能源和性?xún)r(jià)比的角度出發(fā)，提出了一個(gè)基于MSP430為控制核心的設(shè)計(jì)方案。單片機(jī)在規(guī)定亮燈時(shí)間內(nèi)檢測(cè)背景光強(qiáng)度，若背景光強(qiáng)度較弱啟用熱釋電紅外傳感器開(kāi)始探測(cè)人體和車(chē)輛發(fā)出的紅外信號(hào)。當(dāng)有人或車(chē)輛進(jìn)入傳感器探測(cè)區(qū)域，單片機(jī)輸出脈寬調(diào)制信號(hào)PWM,并根據(jù)背景光強(qiáng)度調(diào)整LED路燈的亮度，選用合適的占空比來(lái)控制恒定電流源的工作電流來(lái)保證道路的可見(jiàn)度，從而完成對(duì)LED路燈的智能化控制。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果充分證明了系統(tǒng)方案的可行性、高效性和穩(wěn)定性。

0 引 言

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和汽車(chē)的逐漸普及，城市的交通問(wèn)題已經(jīng)引起人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注，城市道路照明的重要性也日益增大。目前，我國(guó)大部分城市的路燈照明都采用全夜燈恒照度的方式，控制方式仍然是簡(jiǎn)單的光控和時(shí)控等傳統(tǒng)方式，這大大增加了城市的用電量，為此，政府承擔(dān)著巨額的財(cái)政支出，而路燈照明設(shè)備的使用壽命也大大降低。因此，引入智能交通系統(tǒng)（ITS）成為提高城市交通管理水平的一個(gè)重要途徑。

本設(shè)計(jì)以低功耗單片機(jī)MSP430為主控部件，采用熱釋電紅外傳感器檢測(cè)人體及車(chē)輛發(fā)出的紅外信號(hào)，運(yùn)用光敏電阻檢測(cè)背景光的強(qiáng)度，通過(guò)恒定電流源來(lái)控制LED燈光的強(qiáng)度。根據(jù)各個(gè)季節(jié)天黑的時(shí)間不同設(shè)置各自的路燈開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間，在規(guī)定時(shí)間對(duì)移動(dòng)物體進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的智能化控制，提高了路燈照明的有效性，避免了電力資源的浪費(fèi)。

1 熱釋電紅外傳感器與菲涅耳透鏡

利用紅外線(xiàn)傳感器可以檢測(cè)到物體發(fā)射出的紅外線(xiàn)，從而可以檢測(cè)到不同物體的存在。制造熱釋電紅外傳感器的材料，以陶瓷氧化物及壓電晶體用得最多，這類(lèi)材料具有強(qiáng)烈的自發(fā)極化性能，當(dāng)受到熱輻射而產(chǎn)生溫度變化時(shí)介質(zhì)的極化狀態(tài)隨之發(fā)生變化。由于內(nèi)部電荷的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于表面電荷的變化速度，晶體兩端會(huì)產(chǎn)生數(shù)量相等而極性相反的獨(dú)立電荷，這就是電介質(zhì)的熱釋電效應(yīng)。熱釋電紅外傳感器就是利用被測(cè)物體熱輻射引起敏感元件溫度的變化進(jìn)行探測(cè)的。熱釋電紅外傳感器被廣泛應(yīng)用到安防監(jiān)控、電子防盜、自動(dòng)控制照明和工業(yè)自動(dòng)控制等領(lǐng)域。

物體釋放的紅外線(xiàn)能量十分微弱，當(dāng)直接用熱釋電紅外傳感器接收紅外線(xiàn)時(shí)，靈敏度相對(duì)較低，一般情況下很難滿(mǎn)足系統(tǒng)需求。為了提高熱釋電紅外傳感器的接收靈敏度，在其表面罩上一片菲涅耳透鏡，其探測(cè)距離可以增加到原來(lái)的5~7倍。菲涅耳透鏡[1]是一種由聚乙烯材料根據(jù)菲涅耳原理制成的塑料薄紋透鏡，對(duì)紅外線(xiàn)的透射率大于65%.根據(jù)菲涅耳透鏡的工作原理可知，當(dāng)有移動(dòng)物體發(fā)射的紅外線(xiàn)進(jìn)入透鏡的探測(cè)范圍，菲涅耳透鏡會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交替的盲區(qū)和高靈敏區(qū),熱釋電紅外傳感器的兩個(gè)反向串聯(lián)的敏感元件輪流檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體，形成一系列光脈沖后，進(jìn)入傳感器。所以，熱釋電紅外傳感器無(wú)法檢測(cè)到靜止的物體。菲涅耳透鏡在安裝時(shí)與熱釋電紅外傳感器之間的距離應(yīng)滿(mǎn)足與菲涅耳透鏡的焦距相等。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件組成以MSP430為核心控制器，輔以外圍電路如AD/DA 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)模塊、熱釋電紅外傳感器模塊、背景光檢測(cè)模塊和LED驅(qū)動(dòng)模塊等。其系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

2.1.1 物體定位檢測(cè)

信號(hào)探測(cè)采用被動(dòng)式雙元熱釋電紅外傳感器P2288,并在其表面罩上一個(gè)菲涅耳透鏡用來(lái)提高其探測(cè)靈敏度。它以非接觸形式檢測(cè)出人體及車(chē)輛放射出的微弱紅外線(xiàn)能量并轉(zhuǎn)化成電信號(hào)輸出，物體定位檢測(cè)電路如圖2所示。當(dāng)P2288探測(cè)到有人或者車(chē)輛進(jìn)入到探測(cè)區(qū)域，P2288產(chǎn)生一個(gè)交變紅外輻射信號(hào)，并輸出一個(gè)微弱的電壓信號(hào)（TTL電平）。

信號(hào)經(jīng)過(guò)二級(jí)運(yùn)放后輸入到雙限比較器當(dāng)中，其中RW3用來(lái)調(diào)節(jié)二級(jí)運(yùn)放的放大倍數(shù)，RW4用來(lái)設(shè)定兩個(gè)門(mén)限電平Uref1（U7處）和Uref2（U8處），當(dāng)探測(cè)電壓大于Uref1時(shí)，U7輸出高電平，U8輸出低電平，則D2導(dǎo)通而D3截止，熱釋電OUT 為高電平；當(dāng)探測(cè)電壓低于Uref2時(shí)U7輸出低電平，U8輸出高電平，則D2截止而D3導(dǎo)通，熱釋電OUT為高電平；當(dāng)探測(cè)電壓介于Uref1和Uref2之間時(shí)D2和D3都截止，熱釋電OUT為低電平。經(jīng)過(guò)放大和整形的信號(hào)輸入到單片機(jī)當(dāng)中。