- 探討LED路燈智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
- 采用熱釋電紅外傳感器檢測(cè)人體及車輛發(fā)出的紅外信號(hào)
- 運(yùn)用光敏電阻檢測(cè)背景光的強(qiáng)度
- 通過恒定電流源來控制LED燈光的強(qiáng)度
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?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注，城市道路照明的重要性也日益增大。目前，我國(guó)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(jiǎn)單的光控和時(shí)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(gè)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檢測(cè)人體及車輛發(fā)出的紅外信號(hào)，運(yùn)用光敏電阻檢測(cè)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(gè)季節(jié)天黑的時(shí)間不同設(shè)置各自的路燈開啟和關(guān)閉時(shí)間，在規(guī)定時(shí)間對(duì)移動(dòng)物體進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)到物體發(fā)射出的紅外線，從而可以檢測(cè)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(shí)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(huì)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(cè)物體熱輻射引起敏感元件溫度的變化進(jìn)行探測(cè)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(dòng)控制照明和工業(yè)自動(dòng)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(shí)，靈敏度相對(duì)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(cè)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(duì)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(dòng)物體發(fā)射的紅外線進(jìn)入透鏡的探測(cè)范圍，菲涅耳透鏡會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交替的"盲區(qū)"和"高靈敏區(qū)",熱釋電紅外傳感器的兩個(gè)反向串聯(lián)的敏感元件輪流檢測(cè)運(yùn)動(dòng)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(cè)到靜止的物體。菲涅耳透鏡在安裝時(shí)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(cè)模塊和LED驅(qū)動(dòng)模塊等。其系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。
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2.1 數(shù)據(jù)采集模塊
2.1.1 物體定位檢測(cè)
信號(hào)探測(cè)采用被動(dòng)式雙元熱釋電紅外傳感器P2288,并在其表面罩上一個(gè)菲涅耳透鏡用來提高其探測(cè)靈敏度。它以非接觸形式檢測(cè)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(hào)輸出，物體定位檢測(cè)電路如圖2所示。當(dāng)P2288探測(cè)到有人或者車輛進(jìn)入到探測(cè)區(qū)域，P2288產(chǎn)生一個(gè)交變紅外輻射信號(hào)，并輸出一個(gè)微弱的電壓信號(hào)（TTL電平）。
信號(hào)經(jīng)過二級(jí)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(jí)運(yùn)放的放大倍數(shù)，RW4用來設(shè)定兩個(gè)門限電平Uref1（U7處）和Uref2（U8處），當(dāng)探測(cè)電壓大于Uref1時(shí)，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(cè)電壓低于Uref2時(shí)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(cè)電壓介于Uref1和Uref2之間時(shí)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(hào)輸入到單片機(jī)當(dāng)中。
2.1.2 背景光檢測(cè)
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(shí)電阻值減小。背景光檢測(cè)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(chǔ)及其控制寄存器Sref位確定。
當(dāng)背景光強(qiáng)度強(qiáng)時(shí)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(shí)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(shí)，物體定位檢測(cè)子系統(tǒng)開啟。
同時(shí)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(shí)間為30s,30s后單片機(jī)檢測(cè)到三極管的集電極輸出確實(shí)高于預(yù)設(shè)值時(shí)，單片機(jī)發(fā)出物體定位檢測(cè)開啟信號(hào)。
2.2 LED恒流源驅(qū)動(dòng)模塊及PWM 驅(qū)動(dòng)方式
LED由于壽命長(zhǎng)、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(dòng)電壓的波動(dòng)就會(huì)導(dǎo)致LED驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路也面臨更大的挑戰(zhàn)，LED驅(qū)動(dòng)電路關(guān)系到整個(gè)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(dòng)能夠精準(zhǔn)控制LED的驅(qū)動(dòng)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(gè)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(dòng)電流，從而穩(wěn)定控制LED的亮度。恒流源驅(qū)動(dòng)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(duì)LED光亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)。用PWM 對(duì)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(shí)值，UPWM為PWM的輸出電壓。在獲得同樣的發(fā)光亮度時(shí)脈沖電流驅(qū)動(dòng)方式比直流電流驅(qū)動(dòng)方式所需要的電流值更小，所以脈沖電流驅(qū)動(dòng)可以給系統(tǒng)帶來高效性。
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3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
根據(jù)硬件設(shè)計(jì)時(shí)各個(gè)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(cè)程序、人體紅外信號(hào)檢測(cè)程序和RS-485協(xié)議等[6]構(gòu)成。電路上電啟動(dòng)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(shí)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(cè)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(hào)PWM,驅(qū)動(dòng)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(cè)到紅外信號(hào)，路燈LED熄滅。
圖4 系統(tǒng)流程圖
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
由于到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)有一定的難度，所以實(shí)驗(yàn)仿真只對(duì)人體紅外信號(hào)進(jìn)行了檢測(cè)。設(shè)置系統(tǒng)規(guī)定亮燈時(shí)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(tái)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(cè)區(qū)域，觀察示波器上有無波形輸出。測(cè)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(shí)間；菲涅耳透鏡可以顯著提高傳感器的探測(cè)靈敏度。
表1 傳感器檢測(cè)輸出結(jié)果
測(cè)試恒流源驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)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(cè)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(hào)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±4mA,LED的工作電流與PWM 輸出信號(hào)的占空比成正比關(guān)系。恒流源驅(qū)動(dòng)電路雖然簡(jiǎn)單，但其性能非常優(yōu)秀。
表2 LED路燈工作電流測(cè)試
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(duì)下位機(jī)的控制，通過熱釋電傳感器探測(cè)人與車輛發(fā)出的紅外信號(hào)，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(jià)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(huì)和商業(yè)前景。
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