林方盛 江 磊 劉木清

(復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，上海 200433)

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，節(jié)能減排和低碳經(jīng)濟(jì)已成為當(dāng)今全球關(guān)注的熱點。而在照明領(lǐng)域，LED作為第四代照明光源，以其高效節(jié)能長壽命等諸多優(yōu)點脫穎而出。近幾年在道路照明領(lǐng)域中LED的應(yīng)用越來越多。在路燈應(yīng)用上，大部分城市在零點之后道路幾乎空無一人，此時在低交通流量的道路上保持高亮度顯然沒有必要［1］。因此對路燈亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)尤為重要，對節(jié)能減排也十分關(guān)鍵。

目前在LED路燈控制中，主要還是采用定時控制。這種方式，按照定時器設(shè)定固定的時間對LED路燈實現(xiàn)定時自動開關(guān)和分時PWM調(diào)光控制，既節(jié)省了人力成本，又達(dá)到節(jié)能減排的目的。目前的市場上的定時器方案良莠不齊，大部分隨著使用時間的增長，同步性變差。而好的經(jīng)緯度定時器則價格昂貴，不太適合在路燈上大規(guī)模使用。

本文設(shè)計了一款基于DS1302和Attiny13的LED定時器來改進(jìn)這些問題。本文主要介紹了定時器的軟硬件設(shè)計以及和上位機(jī)通訊的時間燒寫模塊的軟硬件設(shè)計。

2 整體系統(tǒng)組成

整個定時器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括上位機(jī) (PC)，與PC通過串口連接的實時時鐘燒寫模塊，與燒寫模塊通過SPI口連接的定時器以及帶PWM調(diào)光驅(qū)動的LED路燈。

圖1 LED路燈定時控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 LED streetlight timer control system structure

用戶通過操作PC界面上的程序?qū)r間寫入時間燒寫模塊，保存好。然后用戶操作時間燒寫模塊通過SPI接口將時間寫入定時器中DS1302，這樣就完成定時器的設(shè)置。定時器中Attiny13不斷讀取DS1302的時間，定時動作，發(fā)出PWM信號控制LED驅(qū)動，實現(xiàn)定時控制。

本設(shè)計主要關(guān)注定時器和時間燒寫模塊的軟硬件設(shè)計。

3 定時器軟硬件設(shè)計

3.1 定時器硬件設(shè)計

定時器主要由實時時鐘部分和MCU電路組成。實時時鐘部分采用的芯片是DS1302。DS1302是美國DALLAS公司推出的一款高性能、低功耗、帶RAM的低功耗實時時鐘芯片，它可以對年、月、日、周、時、分和秒進(jìn)行計時，并能夠?qū)γ吭碌奶鞌?shù)和閏年的天數(shù)進(jìn)行自動調(diào)整［2］。時鐘既可以采用24小時制，也可以采用12時制。DS1302功耗很低，保持?jǐn)?shù)據(jù)和時鐘信息時功率小于1mW，在沒有主電源的情況下，采用副電源3V鋰電池供電可以工作長達(dá)10年。

MCU采用的是AVR系列8位單片機(jī)Attiny13。Attiny13是一款高性能、低功耗的8位AVR微處理器，其結(jié)構(gòu)簡單，引腳少，價格便宜，適合在路燈控制系統(tǒng)中大批量使用，以節(jié)約成本。

如圖2所示，整個定時模塊采用外部和LED驅(qū)動一樣的48V DC供電，利用齊納二極管和電容組成的穩(wěn)壓電路將電壓穩(wěn)定在4.7V，作為DS1302的主電源和Attiny13的電源，DS1302備份電源由3V的鋰紐扣電池供電。

實時時鐘芯片DS1302靠32.768kHz的晶振提供計時脈沖，實現(xiàn)時分秒的計時。通過SPI三線接口與MCU進(jìn)行同步通信，分別為CE引腳、SCLK串行時鐘引腳、I O串行數(shù)據(jù)引腳3線。

圖2 定時器電路原理圖Fig.2 Timer electrical principle

Attiny13以其功能簡單，低價等優(yōu)勢成為定時器的MCU，利用3個IO口讀取DS1302的時間。內(nèi)部T C0是通用8位定時器 計數(shù)器模塊，有兩個獨(dú)立的輸出比較單元，且支持PWM功能。它提供精確的執(zhí)行時序與波形產(chǎn)生，在PB0上產(chǎn)生PWM信號實現(xiàn)調(diào)光［3］。

3.2 定時器軟件設(shè)計

在軟件上的設(shè)計主要是Attiny13單片機(jī)上的程序編寫，在AVR Studio 4環(huán)境下編寫調(diào)試。流程圖如圖3所示，程序工作流程如下:

1)宏定義，如自定義定時調(diào)光時間和調(diào)光占空比;

2)端口初始化，包括IO口的輸入輸出配置，看門狗配置和定時器Timer0配置為快速PWM模式;

3)針對DS1302初始化函數(shù)，定義1個字節(jié)讀寫函數(shù)和時分秒讀寫函數(shù);

4)主函數(shù)，循環(huán)調(diào)用DS1302時間讀取函數(shù)獲取DS1302上的實時時間，判斷是否開關(guān)燈，調(diào)節(jié)調(diào)光占空比，實現(xiàn)定時控制。

圖3 定時器程序流程圖Fig.3 Timer process graph

在程序中用戶可根據(jù)實際情況對程序進(jìn)行改造，添加不同占空比和不同的調(diào)光時間節(jié)點，自主地實現(xiàn)靈活的定時控制。

4 時間燒寫模塊軟硬件設(shè)計

考慮到實際使用中，在LED路燈系統(tǒng)里定時器是批量使用，為了保證調(diào)光的同步性一致，因此實際生產(chǎn)過程中每個定時器各自的初始時間必須各不相同，但和實時時間必須保持一致。

整個模塊實現(xiàn)的功能是將PC的當(dāng)前時間保存到燒寫模塊中并可實現(xiàn)走時，顯示到LCD屏幕上，按下按鈕，可將當(dāng)前動態(tài)時間發(fā)送給定時器，并反饋到LCD屏幕上。

4.1 時間燒寫模塊硬件設(shè)計

時間燒寫模塊的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 時間燒寫模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Timer module structure

其中核心MCU為8位AVR單片機(jī)Atmega16，Atmega16通過串口和PC通訊，和DS1302通過3線SPI連接。用戶通過操作PC上的界面，將PC當(dāng)前的時間通過Atmega16賦予內(nèi)部DS1302并保存于其中，用戶可以通過LCD屏幕看到內(nèi)部DS1302的時間正常。至此時間燒寫模塊已將實時時間保存至其中。

接下來用戶只需操作時間燒寫模塊即可實現(xiàn)功能。通過按鍵，用戶可將當(dāng)前時間發(fā)送給定時器，同時將定時器時間顯示在LCD上。這樣保證每個定時器之間時間的同步性，均與PC的系統(tǒng)時間保持一致。

4.2 時間燒寫模塊軟件設(shè)計

在軟件上的設(shè)計主要是Atmega16單片機(jī)上的程序編寫，在ICCAVR環(huán)境下編寫調(diào)試。整個程序完成的工作是流程圖如圖5所示。

程序工作流程如下:

1)整個程序采用模塊化編程思路，編寫4個頭文件:延時函數(shù)，LCD12864操作函數(shù)，DS1302讀寫函數(shù)，UART串口讀寫函數(shù);

2)主程序，Atmega13端口配置函數(shù)，串行接收中斷服務(wù)函數(shù)，外部中斷服務(wù)函數(shù);

3)功能1:實現(xiàn)通過串口將時間數(shù)據(jù)寫入內(nèi)部DS1302，顯示在LCD上;

4)功能2:通過按鍵將內(nèi)部DS1302時間數(shù)據(jù)發(fā)送給外部定時器中的DS1302，顯示在LCD上。

圖5 時間燒寫模塊程序流程圖Fig.5 Timer module process

4.3 時間燒寫模塊人機(jī)界面設(shè)計

如圖6所示，是使用VB編寫的PC端系統(tǒng)人機(jī)界面程序。

圖6 時間燒寫模塊人機(jī)界面圖Fig.6 Timer module interface diagram

1)采用Timer控件讀取系統(tǒng)時間，將時分秒數(shù)據(jù)取出顯示在對應(yīng)的Hour，Minute，Second框內(nèi);

2)采用MSComm控件實現(xiàn)串口通訊，設(shè)置端口、波特率等項目，以十六進(jìn)制形式發(fā)送時分秒數(shù)據(jù)，并將返回值顯示在Returned Time框內(nèi)。

用戶可在上面看到PC系統(tǒng)時鐘，選擇合適的串口參數(shù)，點擊“Open Port”，顯示“OK”說明成功打開串口。點擊“Send Time”發(fā)送，這樣就將PC的當(dāng)前時間成功寫入時間燒寫模塊。

5 實地調(diào)試

實驗室中按照圖1連接，實物圖如圖7所示。

圖7 實驗室測試實物圖Fig.7 Testing object in the experiment

設(shè)計一個調(diào)光方案進(jìn)行實地調(diào)試。在定時器軟件設(shè)計中，在程序的宏定義中定制3個時間點為18∶00、0∶00 和 6∶00，調(diào)光占空比為 50%。在主函數(shù)的if語句中僅僅對小時位進(jìn)行判斷并動作。對應(yīng)的調(diào)光時間段:6∶00～18∶00 關(guān)燈，18∶00 ～0∶00 開燈 (100%)，0∶00～6∶00開燈 (50%)。

先將編寫好的程序?qū)懭攵〞r器中，再將計算機(jī)的系統(tǒng)時間寫入時間燒寫模塊并能實現(xiàn)自主走時，最后通過時間燒寫模塊將實時時間寫入定時器。

經(jīng)過1個月的觀察，LED燈每天傍晚18∶00開燈，到午夜0∶00PWM調(diào)光50%占空比，凌晨6∶00關(guān)燈，能夠完全實現(xiàn)該功能，時間誤差在1s以內(nèi)。

目前已將定時器集成進(jìn)LED驅(qū)動電源中，在路燈上進(jìn)行實地使用中，觀測下來目前效果良好。

6 總結(jié)

整套定時器系統(tǒng)通過將PC的當(dāng)前時間賦給DS1302，解決了批量生產(chǎn)定時器過程中對其初始時間的賦值誤差問題，并能夠在以后的使用中修正時間，使得傳統(tǒng)定時器使用過程中引起的不同步問題得到解決，使LED路燈定時控制保持同步。另外其較低的成本也在路燈大批量使用中具有一定的優(yōu)勢。

對于LED而言，由于其極易調(diào)光的特性，使得我們可以對LED路燈進(jìn)行靈活的調(diào)光。例如在每天固定時間開關(guān)路燈，在車流量大的時段提高光輸出，深夜車流量小的時段可以降低光輸出。這樣既節(jié)省了人力資源的浪費(fèi)，又達(dá)到節(jié)約能源的目的在實際使用中，用戶可根據(jù)不同的情況，對定時器的內(nèi)部程序進(jìn)行靈活自由的修改，如添加不同的調(diào)光時間節(jié)點和PWM調(diào)光不同的占空比，甚至可以加入光敏元件檢測外界光照度實現(xiàn)實時自動調(diào)光等等，均具有較高的實用價值。

［1］李旭亮，鄧國強(qiáng).基于Zigbee+GPRS智能控制的LED路燈綠色照明低碳經(jīng)濟(jì)新技術(shù) ［J］.照明工程學(xué)報，2010，21(z1):78～81.

［2］金春林，邱慧芳，張皆喜.AVR系列單片機(jī)C語言編程與應(yīng)用實例［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2003:277～283.

［3］丁化成，耿德根，李君凱.AVR單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2002:131～132.