LED路燈智能控制系統(tǒng)設(shè)計方案

摘要：出于對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足社會發(fā)展的需求。在分析了單片機(jī)MSP430的性能優(yōu)勢之后，從綠色能源、節(jié)約能源和性價比的角度出發(fā)，提出了一個基于MSP430為控制核心的設(shè)計方案。單片機(jī)在規(guī)定亮燈時間內(nèi)檢測背景光強(qiáng)度，若背景光強(qiáng)度較弱啟用熱釋電紅外傳感器開始探測人體和車輛發(fā)出的紅外信號。當(dāng)有人或車輛進(jìn)入傳感器探測區(qū)域，單片機(jī)輸出脈寬調(diào)制信號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控制恒定電流源的工作電流來保證道路的可見度，從而完成對LED路燈的智能化控制。實驗仿真結(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，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和汽車的逐漸普及，城市的交通問題已經(jīng)引起人們越來越多的關(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，控制方式仍然是簡單的光控和時控等傳統(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重要途徑。

本設(shè)計以低功耗單片機(jī)MSP430為主控部件，采用熱釋電紅外傳感器檢測人體及車輛發(fā)出的紅外信號，運(yùn)用光敏電阻檢測背景光的強(qiáng)度，通過恒定電流源來控制LED燈光的強(qiáng)度。根據(jù)各個季節(jié)天黑的時間不同設(shè)置各自的路燈開啟和關(guān)閉時間，在規(guī)定時間對移動物體進(jìn)行檢測，實現(xiàn)對路燈的智能化控制，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

利用紅外線傳感器可以檢測到物體發(fā)射出的紅外線，從而可以檢測到不同物體的存在。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物體熱輻射引起敏感元件溫度的變化進(jìn)行探測的。熱釋電紅外傳感器被廣泛應(yīng)用到安防監(jiān)控、電子防盜、自動控制照明和工業(yè)自動控制等領(lǐng)域。

物體釋放的紅外線能量十分微弱，當(dāng)直接用熱釋電紅外傳感器接收紅外線時，靈敏度相對較低，一般情況下很難滿足系統(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，其探測距離可以增加到原來的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，對紅外線的透射率大于65%.根據(jù)菲涅耳透鏡的工作原理可知，當(dāng)有移動物體發(fā)射的紅外線進(jìn)入透鏡的探測范圍，菲涅耳透鏡會產(chǎn)生一個交替的盲區(qū)和高靈敏區(qū),熱釋電紅外傳感器的兩個反向串聯(lián)的敏感元件輪流檢測運(yùn)動物體，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法檢測到靜止的物體。菲涅耳透鏡在安裝時與熱釋電紅外傳感器之間的距離應(yīng)滿足與菲涅耳透鏡的焦距相等。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

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、背景光檢測模塊和LED驅(qū)動模塊等。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

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

信號經(jīng)過二級運(yùn)放后輸入到雙限比較器當(dāng)中，其中RW3用來調(diào)節(jié)二級運(yùn)放的放大倍數(shù)，RW4用來設(shè)定兩個門限電平Uref1（U7處）和Uref2（U8處），當(dāng)探測電壓大于Uref1時，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)探測電壓低于Uref2時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)探測電壓介于Uref1和Uref2之間時D2和D3都截止，熱釋電OUT為低電平。經(jīng)過放大和整形的信號輸入到單片機(jī)當(dāng)中。