基于無(wú)線模塊NRF905的節(jié)能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張江偉，尹 慧

（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 徐州 221140）

道路照明，各類廠區(qū)及高端住宅和商業(yè)亮化工程越來(lái)越多，也越來(lái)越重要，路燈作為這種工程不可缺少的重要組成部個(gè)小時(shí)（從晚上7點(diǎn)到第二天早上7點(diǎn)），那么一盞路燈就要消耗200×12/1 000＝2.4度電能。假設(shè)路燈之間的間距是20米，一條長(zhǎng)2公里的街道就有2×2000/20＝200盞路燈（道路兩邊各有一盞路燈，所以要乘2），那么這條街道一晚上消耗的電能就有200×2.4＝480度[1]，1年消耗的電能是480×365分，對(duì)節(jié)能減排有著重要的影響。為了達(dá)到節(jié)能的目的，可設(shè)計(jì)這樣一種路燈控制器系統(tǒng)，使它具有以下功能：1）路燈支路控制系統(tǒng)有時(shí)鐘功能，能設(shè)定、顯示開(kāi)關(guān)燈時(shí)間，并控制整條支路按時(shí)開(kāi)燈和關(guān)燈。2）路燈支路控制系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)環(huán)境明暗變化，自動(dòng)開(kāi)燈和關(guān)燈。3）路燈支路控制系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)交通情況自動(dòng)調(diào)節(jié)亮燈狀態(tài)：當(dāng)有人或車經(jīng)過(guò)當(dāng)前路燈的監(jiān)控區(qū)域時(shí)，路燈打開(kāi)，離開(kāi)時(shí)路燈關(guān)閉。4）當(dāng)路燈出現(xiàn)故障時(shí)（燈不亮），支路控制器應(yīng)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，并顯示有故障路燈的地址編號(hào)。還可以人為的設(shè)定一段時(shí)間讓路燈的亮度自動(dòng)的降低或增加，這些功能可以很大的節(jié)約電能，達(dá)到節(jié)能的目的同時(shí)也達(dá)到了智能的要求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及電路工作原理

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案總體描述：本系統(tǒng)設(shè)計(jì)是以單片機(jī)作為為控制系統(tǒng)核心，以NRF905作為單片機(jī)與控制模塊之間的數(shù)據(jù)采集通道。通過(guò)支路單片機(jī)輸出控制指令給無(wú)線發(fā)射模塊NRF905，經(jīng)NRF905無(wú)線發(fā)送給單元電路。無(wú)線接收模塊NRF905實(shí)現(xiàn)對(duì)單元電路的路燈進(jìn)行定時(shí)開(kāi)、關(guān)太故障報(bào)警等自動(dòng)控制，該控制系統(tǒng)既智能又節(jié)能。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Structure diagram of the overall system

2 系統(tǒng)主要模塊方案的選擇

2.1 控制器模塊

本系統(tǒng)對(duì)單片機(jī)的要求不是太高，AT89S51單片機(jī)足以滿足系統(tǒng)的各項(xiàng)要求，各引腳也可以充分的被利用，同時(shí)AT89S51單片機(jī)價(jià)格低廉，其功能和指令對(duì)于大家也是比較熟悉的，編寫程序也相對(duì)簡(jiǎn)單。因此綜合考慮后，選擇了AT89S51單片機(jī)作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制芯片。

2.2 無(wú)線收發(fā)模塊

對(duì)于數(shù)據(jù)的無(wú)線傳送模塊，系統(tǒng)采用了NRF905無(wú)線收發(fā)的集成模塊。NRF905單片無(wú)線收發(fā)器工作在433/868/915 MHz的ISM頻段。由一個(gè)完成集成的頻率調(diào)制器，一個(gè)帶解調(diào)器的接收器，一個(gè)功率放大器，一個(gè)晶體震蕩器和一個(gè)調(diào)節(jié)器組成。電流消耗很少，在發(fā)射功率為-10 dBm時(shí)，發(fā)射電流為11 mA，接收電流為125 mA。進(jìn)入POWERDOWN模式可以很容易實(shí)現(xiàn)節(jié)電[2]。此外NRF905模塊性價(jià)比高，使用方便，通信距離遠(yuǎn)，編程方法簡(jiǎn)單，購(gòu)買也比較方便也是本系統(tǒng)采用其作為數(shù)據(jù)采集模塊的重要依據(jù)。

2.3 顯示模塊

顯示模塊選用74hc595移位寄存器構(gòu)成的靜態(tài)顯示。經(jīng)過(guò)分析考慮選擇的是LED數(shù)碼管顯示。LED數(shù)碼管顯示主要用來(lái)顯示數(shù)據(jù)，價(jià)格低廉，減少了對(duì)I/O口的浪費(fèi)，而且能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)數(shù)碼管。其驅(qū)動(dòng)程序容易編寫和理解。

2.4 電源模塊

電源模塊可采用開(kāi)關(guān)電源或12 V蓄電池供電。開(kāi)關(guān)電源好處雖然多，但價(jià)格昂貴。采用12 V蓄電池供電。電源較容易攜帶，具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能，且所輸出的電源電壓比較穩(wěn)定，能適用不同場(chǎng)合的供電要求。

LED恒流源驅(qū)動(dòng)模塊選用LM358運(yùn)放為驅(qū)動(dòng)芯片，用它構(gòu)成射極跟隨器控制LED燈光的亮與滅及功率的降低。

3 主要硬件電路的設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)的最小系統(tǒng)、鍵盤與顯示與電路

單片機(jī)的最小系統(tǒng)、鍵盤與顯示電路[3]如圖2所示。本系統(tǒng)所采用的單片機(jī)型號(hào)為AT89C51。輸入鍵盤采用了4×4的鍵盤作為控制，一共用了16個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)。采用串行的74HC595構(gòu)成八位靜態(tài)顯示，只用了單片機(jī)3個(gè)端口，不用進(jìn)行外圍端口的擴(kuò)展，大大節(jié)約了資源，提高了單片機(jī)的工作效率。C語(yǔ)言編程可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵盤和顯示器的自動(dòng)掃描、識(shí)別閉合鍵的鍵號(hào)、完成顯示器的靜態(tài)顯示。

圖2 單片機(jī)的最小系統(tǒng)、鍵盤與顯示電路Fig.2 MCU minimum system，keyboard and display circuit

16個(gè)按鈕的作用如表1所示。

表1 按鈕的作用Tab.1 Role of the button

3.2 無(wú)線發(fā)射與接收電路

無(wú)線裝置的功能[4]是用來(lái)對(duì)單片機(jī)的指令進(jìn)行發(fā)送與接收，它是由無(wú)線收發(fā)器NRF905來(lái)構(gòu)成。NRF905單片無(wú)線收發(fā)器工作在433/868/915MHZ的ISM頻段。它是由一個(gè)完全集成的頻率調(diào)制器，一個(gè)帶解調(diào)器的接收器，一個(gè)功率放大器、一個(gè)晶體振蕩器和一個(gè)調(diào)制器組成。該電路天線部分使用的是50 Ω單端天線。在NRF905的電路板設(shè)計(jì)中，也可以使用環(huán)形天線，把天線布在PCB板上，這可減小系統(tǒng)的體積。無(wú)線發(fā)射與接收電路圖如圖3所示。

3.3 LED的驅(qū)動(dòng)電路

LED的驅(qū)動(dòng)電路[5]由D/A轉(zhuǎn)換器TLC5615、集成運(yùn)放LM358高功三極管8050構(gòu)成，如圖4所示。數(shù)控恒流源，通過(guò)改變恒流源的外圍電壓，利用電壓的大小來(lái)控制輸出電流的大小。驅(qū)動(dòng)電路采用單片機(jī)控制的方式，利用單片機(jī)輸出數(shù)字量，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)變成模擬信號(hào)，再送到運(yùn)算放大器和大功率三極管進(jìn)行放大輸出電流。該設(shè)計(jì)通過(guò)軟件方法實(shí)現(xiàn)輸出電流穩(wěn)定，易于功能的實(shí)現(xiàn)，便于操作。

圖3 無(wú)線發(fā)送與接收電路Fig.3 Wireless transmitter and receiver circuit

圖4 LED驅(qū)動(dòng)電路Fig.4 LED driver circuit

3.4 聲光報(bào)警電路

系統(tǒng)要求在LED燈損壞時(shí)具有報(bào)警功能，聲光報(bào)警電路圖如圖5所示。利用LM358可以作為電壓比較，開(kāi)關(guān)的敏感元件采用光敏電阻RD。提供給LM358的3端為一個(gè)固定的電壓值，作為一個(gè)比較電壓值U3。當(dāng)無(wú)光線照射到光敏電阻上時(shí)，RD呈高阻值，所以U2>U3，1端給單片機(jī)一個(gè)高電平，使單片機(jī)發(fā)送聲光報(bào)警指令。當(dāng)有光線照射到光敏電阻上時(shí)，RD呈低阻值，因此U2

4 主要電路軟件的設(shè)計(jì)

4.1 4×4鍵盤子程序

所謂“4×4”是指4行與4列所構(gòu)成的按鍵數(shù)組，相當(dāng)于16個(gè)按鈕，此鍵盤可以節(jié)省很多的單片機(jī)I/O資源，它與單片機(jī)只有8個(gè)I/O的連接，為了說(shuō)明方便起見(jiàn)，由上而下各列編制為 Y0、Y1、Y2、Y3，由左到右各行編制為 X0、X1、X2、X3，而每個(gè)按鍵按照順序編制為1―16。其鍵盤連接方式如圖6所示。

圖5 聲光報(bào)警電路Fig.5 Sound and light alarm circuit

圖6 4×4鍵盤接線原理Fig.6 4×4 keypad wiring principle

根據(jù)鍵盤掃描原理可得到16個(gè)鍵的特征編碼。將16個(gè)鍵的特征編碼按順序排成一張表（前述表1），然后用當(dāng)前讀得的特征編碼來(lái)查表，當(dāng)表中有該特征編碼時(shí)，它的位置就是對(duì)應(yīng)的順序編碼。鍵盤掃描程序流程圖如圖7所示。

圖7 4×4鍵盤程序流程圖Fig.7 The program flow chart of 4×4 keyboard

4.2 4×4鍵盤與顯示部分的編程

鍵盤功能[6]如前述表1所示，其中：0-9按鍵為數(shù)字輸入鍵；10按鍵為校時(shí)確定鍵，用來(lái)校準(zhǔn)和設(shè)定系統(tǒng)時(shí)間；11、12按鍵為左右移鍵，主要用來(lái)選取需要設(shè)定的顯示位；13、14按鍵為加減鍵，用來(lái)對(duì)數(shù)進(jìn)行加減操作；15按鍵為功能鍵，主要用來(lái)設(shè)定系統(tǒng)各個(gè)功能的模式，如校時(shí)模式、定時(shí)開(kāi)關(guān)機(jī)模式、自動(dòng)降低功率模式等。這樣根據(jù)鍵盤設(shè)定表，可得到鍵盤與顯示部分的流程圖如圖8所示。

圖8 鍵盤與顯示程序流程圖Fig.8 Flow chart of keyboard and display program

4.3 物體位移感應(yīng)（光電開(kāi)關(guān)）的編程

本系統(tǒng)要求支路控制器應(yīng)能根據(jù)交通情況自動(dòng)調(diào)節(jié)亮燈狀態(tài)：當(dāng)可移動(dòng)物體M（在物體前端標(biāo)出定位點(diǎn)，由定位點(diǎn)確定物體位置）由左至右到達(dá)S點(diǎn)時(shí)（見(jiàn)圖2），燈1亮；當(dāng)物體M到達(dá)B點(diǎn)時(shí)，燈1滅，燈2亮；若物體M由右至左移動(dòng)時(shí)，則亮燈次序與上相反。根據(jù)此要求設(shè)計(jì)出流程圖如圖9所示。

圖9 光電開(kāi)關(guān)流程圖Fig.9 Flow chart of photoelectric switch

4.4 無(wú)線發(fā)送模塊NRF905

發(fā)送模式編程要點(diǎn)[7]：1）當(dāng)微控制器（單片機(jī)）有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，通過(guò)SPI口按時(shí)序把接收機(jī)的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)傳給NRF905。2）微控制器置高 TRX_CE和 TX_CE觸發(fā)NRF905的ShockBurst TX發(fā)送模式并發(fā)送數(shù)據(jù)。3）如果AUTO_RETRAN被置高，NRF905將不斷重發(fā)，直到TRX_CE被置低，否則只發(fā)送一次。4）當(dāng)TRX_CE被置低，NRF905發(fā)送過(guò)程完成，自動(dòng)進(jìn)入空閑模式。據(jù)此得到發(fā)送模式程序流程圖如圖10所示。

4.5 無(wú)線接收模塊NRF905

接收模式編程要點(diǎn)[7]：1）當(dāng) TRX_CE為高、TX_EN為低時(shí)，NRF905進(jìn)入ShockBurst RX接收模式 650 μs后，NRF905不斷監(jiān)測(cè)，等待接收數(shù)據(jù)。2）當(dāng)一個(gè)正確的數(shù)據(jù)包接收完畢，NRF905自動(dòng)移去字頭、地址和CRC校驗(yàn)位，然后把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備引腳DR置高，TRX_CE置低，NRF905進(jìn)入空閑模式。3）微控制器通過(guò)SPI口以一定的速率把數(shù)據(jù)移到微控制器內(nèi)。4）當(dāng)所有的數(shù)據(jù)接收完畢，NRF905把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備引腳DR和地址匹配引腳AM置低。此時(shí)，NRF905可以進(jìn)入ShockBurst RX接收模式，ShockBurst TX發(fā)送模式或關(guān)機(jī)模式。NRF905接收模式程序流程圖如圖11所示。

圖10 NRF905發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖Fig.10 Flow chart of NRF905 send data

圖11 NRF905接收模式流程Fig.11 Mode process of NRF905 receive

4.6 支路控制總設(shè)計(jì)

根據(jù)以上各個(gè)模塊程序的編寫，最終設(shè)計(jì)出支路控制總流程圖12與單元電路控制總流程圖13，分別如下所示。

5 結(jié) 論

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)無(wú)線裝置NRF905來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，如果應(yīng)用在實(shí)際路燈中，設(shè)備維護(hù)方便，成本較低，并且容易控制，不易受到干擾，信號(hào)穩(wěn)定。所以使用無(wú)線模塊的電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，應(yīng)該是將來(lái)路燈控制發(fā)展的方向。無(wú)線控制模塊的應(yīng)用在實(shí)際路燈的控制中已經(jīng)成為一種主流，并且也是將來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，值得進(jìn)一步研究。

圖12 單元電路流程圖Fig.12 Flow chart of cell circuit

圖13 支路電路流程圖Fig.13 Flow chart of slip circuit flow

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