基于MSP430的LED路燈節(jié)能控制器設(shè)計(jì)

張秋艷，張俊霞，李淵博

(榆林學(xué)院能源工程學(xué)院，陜西 榆林 719000)

引言

隨著社會(huì)發(fā)展，生活水平的提高，我國(guó)城市路燈照明系統(tǒng)逐漸完善，但依然存在一定的問(wèn)題，如整夜亮著的霓虹燈和路燈使得夜晚燈火通明，給漆黑的街道添了一道靚麗的色彩，給走夜路的行人帶來(lái)了安全。但同時(shí)，在這光鮮亮麗的背后是一頁(yè)頁(yè)的能源消耗清單，浪費(fèi)了大量不必要的資源[1，2]。因此采用新的模式對(duì)路燈實(shí)現(xiàn)智能控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)的定時(shí)控制對(duì)促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。本設(shè)計(jì)采用MSP430芯片為核心，利用內(nèi)置定時(shí)器、光電傳感器、聲音傳感器等，檢測(cè)人員和車(chē)輛的活動(dòng)情況，達(dá)到在不同情況下進(jìn)行路燈的亮度調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)人性化無(wú)人操作，且更加節(jié)約資源。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

該路燈節(jié)能控制器設(shè)計(jì)采用MSP430F149主控芯片，電源電路，無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，光電對(duì)射式紅外傳感器，聲音傳感器，GY-30光敏電阻傳感器， LCD12864液晶顯示電路，LED驅(qū)動(dòng)電路等，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。利用GY-30光敏電阻傳感器測(cè)量外界亮度變化，將檢測(cè)到的亮度信息傳輸?shù)街骺匦酒?，并在LCD12864液晶顯示器上顯示當(dāng)前光強(qiáng)。當(dāng)光強(qiáng)小于規(guī)定值時(shí)，聲音傳感器和對(duì)射式紅外傳感器開(kāi)始工作，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)道路車(chē)輛人員的流動(dòng)情況，主控芯片MSP430將各個(gè)傳感器傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、對(duì)比，然后控制LED驅(qū)動(dòng)電路對(duì)LED燈進(jìn)行調(diào)節(jié)控制;同時(shí)，將車(chē)流量信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，傳送到PC上位機(jī)，便于工作人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure

2 硬件部分設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊

該系統(tǒng)使用具有不同電壓值3.3 V～5 V～12 V的電源，本設(shè)計(jì)采用電源轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。其原理是：由市電220 V交流電壓經(jīng)過(guò)變壓器后轉(zhuǎn)化為了兩個(gè)18 V輸出的電壓，將其接到了P4電源的接線(xiàn)端子上，然后被流器D1轉(zhuǎn)化成兩個(gè)18 V的直流輸出電壓。LED1和LED4兩個(gè)指示燈發(fā)光表示電路正常并能正常工作。EI，E2，E3，E4，C1，C4六個(gè)電容負(fù)責(zé)濾波。P4接線(xiàn)端子一端的輸出電壓通過(guò)穩(wěn)壓元件LM317和其匹配電阻R2，通過(guò)滑動(dòng)變阻器POT1將電壓轉(zhuǎn)化為5 V的直流電壓，而另一端的輸出電壓則通過(guò)穩(wěn)壓元件LM337和其匹配電阻R12，通過(guò)滑動(dòng)變阻器POT2將其轉(zhuǎn)化為-12 V的輸出電壓，兩端電壓輸出到接線(xiàn)端子P6上，最后由P6端口對(duì)單片機(jī)和系統(tǒng)中的傳感器進(jìn)行供電。其Proteus仿真如圖3所示，由仿真結(jié)果可知，該電源電路設(shè)計(jì)方案是切實(shí)可行的，兩端的輸出電壓都達(dá)到了預(yù)定的值。

2.2 信號(hào)采集模塊

信號(hào)的采集包括光強(qiáng)采集、聲音采集以及人流量采集等信號(hào)。其中①光強(qiáng)信號(hào)的采集由光敏電阻傳感器GY-30實(shí)現(xiàn)，其模塊內(nèi)置16位AD轉(zhuǎn)換器，可以直接將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成可供主控芯片直接傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)[3，4]，并避免使用專(zhuān)用的AD轉(zhuǎn)換模塊，降低系統(tǒng)功耗并節(jié)省系統(tǒng)空間。如圖4中的光敏電阻傳感器模塊為光敏電阻傳感器接口，其模擬I2C連接，可進(jìn)行接收數(shù)據(jù)和收發(fā)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)始時(shí)，SCL為高電平，SDA為低電平。結(jié)束信號(hào)傳輸時(shí)，SCL為高電平時(shí)，SDA為高電平。傳感器的I2C其內(nèi)部采用ROHM原裝BH1750FVI芯片[5，6]；光照度范圍為0～65 535 lx；數(shù)據(jù)線(xiàn)SDA接P1.1口，時(shí)鐘信號(hào)線(xiàn)SCL接在P1.2口，因?yàn)槌绦蚶顰DDRESS地址為地址為0xA6，因此ADDR接口需要接地。當(dāng)傳感器工作時(shí)，它直接輸出數(shù)字信號(hào)，省略復(fù)雜的計(jì)算，省略校準(zhǔn)，不區(qū)分環(huán)境光源而且擁有的分光特性可接近于人類(lèi)的視覺(jué)靈敏度，檢測(cè)到光強(qiáng)后，傳感器通過(guò)I2C將數(shù)據(jù)發(fā)送到MSP430單片機(jī)里。②人流量采集部分，采用E3F-5DP1/E3F-5L型紅外光電開(kāi)關(guān)傳感器[7]，它的檢測(cè)距離比普通傳感器更遠(yuǎn)。當(dāng)紅外發(fā)射檢測(cè)車(chē)輛人員等信息時(shí)，通過(guò)對(duì)射開(kāi)關(guān)管的啟停，對(duì)應(yīng)輸出高低電平，由P1.0口檢測(cè)高低電平的變化，來(lái)檢測(cè)道路的車(chē)人流量信息。③聲音采集部分，采用YL-56聲音傳感器，其可以根據(jù)震動(dòng)原理檢測(cè)周?chē)h(huán)境的聲音強(qiáng)度，可直接輸出高低電平來(lái)模擬環(huán)境中的是否有人車(chē)通過(guò)。當(dāng)模塊未達(dá)到環(huán)境聲音設(shè)定值時(shí)(由滑動(dòng)變阻器控制)，輸出高電平，當(dāng)聲音強(qiáng)度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，輸出低電平。輸出口接在P2.3，與對(duì)射式紅外傳感器共同檢測(cè)道路的車(chē)人流量信息。

圖2 電源轉(zhuǎn)化電路Fig.2 Power conversion circuit

圖3 電源轉(zhuǎn)化仿真圖Fig.3 Power conversion simulation diagram

2.3 NRF24L01無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊

本設(shè)計(jì)中信息傳輸模塊采用NRF24L01無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片,如圖4中的無(wú)線(xiàn)傳輸模塊。NRF24L01芯片是一款真正的GFSC單方收發(fā)芯器片，工作在2.4～2.5 GHz之間,并且擁有一套自己的協(xié)議，所以在通信的時(shí)候，它也只能和NRF24L01系列的芯片通訊[8]。本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)將其配置不同的模式。配置為傳輸發(fā)送模式后，待發(fā)送的數(shù)據(jù)由單片機(jī)寫(xiě)入，并自動(dòng)發(fā)送出去；配置成接收模式以后，單片機(jī)通過(guò)觀(guān)察它的IRQ引腳，就可以知道是否接收到了數(shù)據(jù)，IRQ為低電平，表示已收到數(shù)據(jù)，微控制器可以通過(guò)SPI口檢索接收到的數(shù)據(jù)。整個(gè)模塊使用3.3 V輸入，并具有增強(qiáng)型 ShockBurst TM 功能，用于自動(dòng)應(yīng)答和自動(dòng)重發(fā)。無(wú)線(xiàn)傳輸速率在1～2 Mbps，SPI接口速率在0～8 Mbps之間。在整個(gè)系統(tǒng)中，它的作用是將單片機(jī)信息傳輸?shù)搅硪粋€(gè)NRF24L01模塊，然后通過(guò)串口轉(zhuǎn)換發(fā)送到電腦中去。

圖4 主要硬件電路圖Fig.4 Main hardware circuit

2.4 LED驅(qū)動(dòng)電路

考慮到強(qiáng)電與弱電之間的干擾問(wèn)題，本設(shè)計(jì)引入光電耦合隔離電路，并通過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路進(jìn)行智能控制LED的光亮程度。如圖4中過(guò)零檢測(cè)電路，電壓通過(guò)兩個(gè)限流電阻R4、R9，傳輸?shù)秸鳂蚶铮骱?，連接到P521光耦中產(chǎn)生脈沖并進(jìn)入微控制器的P20端口，由MSP430F149的中斷腳P1.6和P1.7實(shí)現(xiàn)過(guò)零控制。

LED驅(qū)動(dòng)電路，本次設(shè)計(jì)采用晶閘管驅(qū)動(dòng)電路，另外加有電源提示功能，其電路如圖4的LED驅(qū)動(dòng)電路。其中，BT136-600D是一種三端雙向可控硅元器件，特點(diǎn)是擊穿電壓高，電流大，可用于電路板調(diào)壓，電路板調(diào)溫，電路板調(diào)速和電路板調(diào)光等的系統(tǒng)中，本次設(shè)計(jì)將其用于調(diào)光。MOC3023是一款光電耦合器，采用摩托羅拉芯片，其主要作用是實(shí)現(xiàn)光電隔離式的開(kāi)關(guān)控制，利用過(guò)零電路產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)的中斷腳P1.6和P1.7進(jìn)行通斷控制，當(dāng)P1.6和P1.7輸出低電平時(shí)，LED2和LED3指示燈發(fā)光，MOC3023內(nèi)部發(fā)光二極管接通，雙向可控硅開(kāi)啟。反之則關(guān)閉，進(jìn)而對(duì)火線(xiàn)進(jìn)行接通關(guān)閉操作。晶閘管T1極接AC電源火線(xiàn)，G極接三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)，T2極連接到輸出。LED具有余暉效應(yīng)，當(dāng)開(kāi)關(guān)通斷時(shí)間小于特定值時(shí)，就只是亮度發(fā)生了變化,從而實(shí)現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)的目的。

2.5 按鍵報(bào)警顯示電路

為了豐富路燈節(jié)能的智能控制，本設(shè)計(jì)增加了按鍵電路、報(bào)警電路及液晶顯示電路。按鍵電路：采用上拉電阻型的按鍵模塊，其中，S1負(fù)責(zé)PWM調(diào)節(jié)的模式切換，接在P6.3端口；S2負(fù)責(zé)在模式二的時(shí)候?qū)WM輸出占空比進(jìn)行增加操作，接在P6.4端口；而S3負(fù)責(zé)進(jìn)行減小操作，接在P6.5端口，從而實(shí)現(xiàn)，人工手動(dòng)調(diào)節(jié)模式的節(jié)能控制功能。報(bào)警電路：當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)生故障時(shí)，在模式二的情況下PWM 輸出占空比為0和100%時(shí)蜂鳴器發(fā)出響聲提示。該電路接在微控制器的P2.1端口，由三極管NPN8050驅(qū)動(dòng)報(bào)警功能， 該三極管的2為基極，1為發(fā)射極，3為集電極，4.7 kΩ的限流電阻R11串聯(lián)在三極管基極與單片機(jī)接口之間，確保三極管和電路的穩(wěn)定運(yùn)行。顯示電路：系統(tǒng)采用并行數(shù)據(jù)接口連接LCD12864顯示器,RS是指令數(shù)據(jù)選擇端，與單片機(jī)P5.4相連；D0～D7是數(shù)據(jù)口，與MSP430單片機(jī)的P4.0～P4.7引腳相連；E是使能信號(hào)端，RST是復(fù)位模塊，分別與P5.7和P5.1相連；引腳RW是讀寫(xiě)選擇端，當(dāng)RW置1時(shí)，數(shù)據(jù)被讀到D0～D7，當(dāng)RW置0時(shí)，數(shù)據(jù)從D0～D7寫(xiě)出。POT3則是一個(gè)可變電阻，一端接上+3.3V的VCC電源，一端接地，當(dāng)LCD12864與單片機(jī)接線(xiàn)以及電源供電完成后，通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)電阻POT3的阻值來(lái)調(diào)節(jié)VLCD上的電壓，阻值調(diào)節(jié)到適當(dāng)?shù)膮^(qū)域以?xún)?nèi)后，液晶屏就會(huì)有合適的對(duì)比度。

3 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

主程序是路燈節(jié)能控制系統(tǒng)的重要組成部分，其主流程如圖5所示，當(dāng)接通電源后，整個(gè)程序首先初始化、清零。光敏電阻傳感器根據(jù)光敏電阻阻值變化引起的電流變化采集光強(qiáng)數(shù)據(jù)，然后將其傳遞到模塊內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換器里，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)傳送到單片機(jī)里；當(dāng)外界光強(qiáng)大于限值時(shí)，進(jìn)一步采集聲音傳感器和紅外傳感器信息，從而獲得當(dāng)前人流量信息，通過(guò)當(dāng)前人流量信息，進(jìn)行調(diào)節(jié)占空比，來(lái)控制LED驅(qū)動(dòng)電路，從而智能調(diào)節(jié)路燈亮度；同時(shí)將采集到的相關(guān)信息進(jìn)行LCD12864實(shí)時(shí)顯示?？紤]到突發(fā)情況，本設(shè)計(jì)增設(shè)人為手動(dòng)按鍵無(wú)線(xiàn)控制方式調(diào)節(jié)占空比來(lái)控制路燈明暗程度的功能，使得設(shè)計(jì)更加人性化。此外，在軟件設(shè)計(jì)中，采用一定的數(shù)字濾波算法，減少外界干擾及系統(tǒng)中強(qiáng)電與弱電引入的噪聲干擾等因素，降低測(cè)量誤差，如對(duì)光強(qiáng)檢測(cè)信息每3 s檢測(cè)一次，避免光強(qiáng)數(shù)據(jù)波動(dòng)速度太快造成的誤判斷。整個(gè)系統(tǒng)采用間歇工作模式，合理利用MSP430F149控制器多種低功耗模式，這從一定程度降低了系統(tǒng)的整體功耗；并運(yùn)用微控制器內(nèi)部定時(shí)器的比較模式解決系統(tǒng)時(shí)鐘問(wèn)題，避免使用專(zhuān)用時(shí)鐘芯片，可進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗。

圖5 系統(tǒng)總流程圖Fig.5 System main program flow chart

4 系統(tǒng)測(cè)試

圖6 硬件實(shí)物圖Fig.6 Hardware testing system

通過(guò)系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，搭建硬件測(cè)試系統(tǒng)，如圖6所示。系統(tǒng)利用光敏電阻模塊、紅外傳感器和聲音傳感器對(duì)光強(qiáng)、人流量等信息進(jìn)行采集，傳輸?shù)街骺匦酒铮缓蠼?jīng)過(guò)對(duì)比分析對(duì)輸出占空比進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，能夠起到智能控制路燈的作用，并且通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，將現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)路燈使用情況，如遇到特殊情況，可遠(yuǎn)程發(fā)送指令，遠(yuǎn)程手動(dòng)控制路燈，實(shí)現(xiàn)人性化的智能節(jié)能控制。通過(guò)對(duì)整機(jī)進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)不同情況，進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)及其控制狀態(tài)如表1所示。硬件測(cè)試表明，該設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)功能，且反應(yīng)靈敏，調(diào)節(jié)迅速。

表1 路燈工作模擬情況

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)是基于MSP430F149單片機(jī)的LED路燈節(jié)能設(shè)計(jì)，該控制器具有夜間自動(dòng)調(diào)光的功能，能夠收集路上的人流量等信息，可進(jìn)行無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程電腦控制。該設(shè)計(jì)具有低功耗、體積小、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，遠(yuǎn)程控制也使其應(yīng)用更加便捷。