LED路燈智能控制系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1.2 背景光檢測

光敏電阻是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)度變化而改變的電阻器，入射光強(qiáng)時電阻值減小。背景光檢測電路如圖3（左）所示，三極管的集電極輸出電壓輸入到A/D轉(zhuǎn)換器當(dāng)中。由于單片機(jī)當(dāng)中已經(jīng)集成了高精度的12位A/D 數(shù)模轉(zhuǎn)換器，故選用其內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器，其模擬量輸入控制范圍在0~5V,由單片機(jī)的存儲及其控制寄存器Sref位確定。

當(dāng)背景光強(qiáng)度強(qiáng)時光敏電阻阻值減小，三極管處在非工作狀態(tài)，三極管的集電極輸出低電平；當(dāng)背景光強(qiáng)度較弱的時候光敏電阻阻值增大，三極管處在工作狀態(tài)，三極管的集電極輸出高電平。當(dāng)輸出高于設(shè)定值時，物體定位檢測子系統(tǒng)開啟。

同時為避免由于其他原因（如雷電、光源等）造成的影響，設(shè)置路燈開啟判斷時間為30s,30s后單片機(jī)檢測到三極管的集電極輸出確實高于預(yù)設(shè)值時，單片機(jī)發(fā)出物體定位檢測開啟信號。

2.2 LED恒流源驅(qū)動模塊及PWM 驅(qū)動方式

LED由于壽命長、節(jié)能、環(huán)保和光電效率高等眾多優(yōu)點，成為了照明領(lǐng)域關(guān)注的焦點。根據(jù)LED的伏安特性曲線可知，LED正向伏安特性非常陡，微小的驅(qū)動電壓的波動就會導(dǎo)致LED驅(qū)動電流的急劇變化，這將直接影響到LED的壽命、光通量和可靠性。LED 獨特的電氣特性使得LED驅(qū)動電路也面臨更大的挑戰(zhàn)，LED驅(qū)動電路關(guān)系到整個LED照明系統(tǒng)性能的可靠性。因此為防止LED的損壞，要求所設(shè)計驅(qū)動能夠精準(zhǔn)控制LED的驅(qū)動電流。本系統(tǒng)設(shè)計的恒流源是在恒壓源模式控制上增加了一個電流串聯(lián)負(fù)反饋，恒流源的輸出值也反映了電壓源輸出的大小，但其可以精確控制LED的驅(qū)動電流，從而穩(wěn)定控制LED的亮度。恒流源驅(qū)動電路如圖3（右）所示。電流串聯(lián)負(fù)反饋由U4和Q3組成。

系統(tǒng)采用PWM 對LED光亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)。用PWM 對LED進(jìn)行調(diào)光實際上是某一固定直流電壓經(jīng)過以一定頻率打開與閉合的開關(guān)，從而改變LED上的電壓。假設(shè)某一固定直流電壓能夠提供的最大電流為Imax,開關(guān)頻率為f 且閉合周期為t,則有通過LED的平均電流I為：

因此只要改變閉合周期t就可以改變通過LED的平均電流，進(jìn)而改變LED的亮度。假設(shè)系統(tǒng)輸出的PWM 的占空比為τ，PWM 的頻率和輸出電壓分別為f 和UPWM,則由圖3電路可知通過LED的電流值為：

式中，t0=Tτ，i為電流的瞬時值，UPWM為PWM的輸出電壓。在獲得同樣的發(fā)光亮度時脈沖電流驅(qū)動方式比直流電流驅(qū)動方式所需要的電流值更小，所以脈沖電流驅(qū)動可以給系統(tǒng)帶來高效性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)硬件設(shè)計時各個模塊的功能和要求，系統(tǒng)軟件的設(shè)計主要是和硬件電路相結(jié)合。本次設(shè)計將系統(tǒng)功能分為具有獨立子功能的控制模塊。

設(shè)計采用模塊化的方式更易于閱讀和理解，軟件結(jié)構(gòu)更加清晰，而且利于軟件調(diào)試。系統(tǒng)軟件方案主要由初始化程序、背景光檢測程序、人體紅外信號檢測程序和RS-485協(xié)議等[6]構(gòu)成。電路上電啟動后，單片機(jī)進(jìn)行初始化操作，電路控制系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)，該系統(tǒng)的工作流程圖如圖4所示。

在規(guī)定亮燈時間內(nèi)，如果背景光強(qiáng)度較弱，上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送開始工作命令和信息，否則下位機(jī)等待響應(yīng)上位機(jī)發(fā)送命令。下位機(jī)響應(yīng)后，當(dāng)有人或者車輛進(jìn)入紅外探測區(qū)域單片機(jī)根據(jù)背景光的強(qiáng)度，輸出脈寬調(diào)制信號PWM,驅(qū)動控制器點亮LED,保證LED光強(qiáng)度足以滿足路面的可見度。如果下位機(jī)沒有探測到紅外信號，路燈LED熄滅。

圖4 系統(tǒng)流程圖

4 實驗結(jié)果及分析

由于到達(dá)現(xiàn)場進(jìn)行實驗有一定的難度，所以實驗仿真只對人體紅外信號進(jìn)行了檢測。設(shè)置系統(tǒng)規(guī)定亮燈時間段為PM 6:00~7:00,將熱釋電紅外傳感器固定在實驗室臺上，傳感器的輸出端接在示波器的探頭上，人走向傳感器探測區(qū)域，觀察示波器上有無波形輸出。測試結(jié)果如表1所示，A表示傳感器沒有罩上菲涅耳透鏡的輸出結(jié)果；B表示傳感器罩上菲涅耳透鏡的輸出結(jié)果。結(jié)果表明，系統(tǒng)可以精確控制智能路燈的開啟時間；菲涅耳透鏡可以顯著提高傳感器的探測靈敏度。

表1 傳感器檢測輸出結(jié)果

測試恒流源驅(qū)動電路的時候選用1 W 的大功率LED燈珠，通過調(diào)節(jié)PWM 的占空比來檢測通過LED的電流值。如果LED亮暗的頻率超過100Hz,人眼看到的就是平均亮度，而不是LED的閃爍。實驗仿真設(shè)定PWM 輸出信號的頻率為1kHz,實驗仿真結(jié)果如表2所示。從表2看出，恒流源的誤差精度在±4mA,LED的工作電流與PWM 輸出信號的占空比成正比關(guān)系。恒流源驅(qū)動電路雖然簡單，但其性能非常優(yōu)秀。

表2 LED路燈工作電流測試

5 結(jié) 語

研究設(shè)計智能化、運行可靠和高效節(jié)能的路燈控制系統(tǒng)，是智能交通系統(tǒng)的必然需求。系統(tǒng)以低功耗單片機(jī)為系統(tǒng)控制核心，使用RS-485通信協(xié)議完成上位機(jī)對下位機(jī)的控制，通過熱釋電傳感器探測人與車輛發(fā)出的紅外信號，利用MSP430的內(nèi)部資源PWM 實現(xiàn)了路燈的智能調(diào)光控制。系統(tǒng)設(shè)計完全從節(jié)能和性價比的角度出發(fā)提高了路燈的用電效率和智能化程度，在節(jié)約能源、電力資源合理利用的今天，該系統(tǒng)有著十分廣闊的社會和商業(yè)前景。