LED路燈智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬 騰，李 淵，李 寶 營，路 瑩

（大連工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116034）

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(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［1］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(shí)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(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、背景光檢測模塊和LED 驅(qū)動模塊等。其系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 LED 路燈智能交通控制系統(tǒng)Fig.1 LED street lamp intelligent traffic control system

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［2］。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。

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）［3］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(shí)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

圖2 物體定位檢測Fig.2 Detection of object orientation

圖3 環(huán)境光檢測及恒流源電路Fig.3 Circuit of ambient light detection and the constant current source

LED 由于壽命長、節(jié)能、環(huán)保和光電效率高等眾多優(yōu)點(diǎn)，成為了照明領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。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(dú)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(jì)驅(qū)動能夠精準(zhǔn)控制LED 的驅(qū)動電流。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)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）［4］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)［5］。用PWM 對LED 進(jìn)行調(diào)光實(shí)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(jì)

根據(jù)硬件設(shè)計(jì)時各個模塊的功能和要求，系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要是和硬件電路相結(jié)合。本次設(shè)計(jì)將系統(tǒng)功能分為具有獨(dú)立子功能的控制模塊。設(shè)計(jì)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(diǎn)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Fig.4 System flow chart

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

由于到達(dá)現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)驗(yàn)有一定的難度，所以實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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Tab.1 Sensor detection output

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(shí)驗(yàn)仿真設(shè)定PWM 輸出信號的頻率為1kHz，實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果如表2所示。從表2看出，恒流源的誤差精度在±4 mA，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Tab.2 LED street lamp operating current test

5 結(jié)語

研究設(shè)計(jì)智能化、運(yùn)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(shí)現(xiàn)了路燈的智能調(diào)光控制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)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。