梁佩瑩，梁澤匯，范財武，魏壯勇，蔡靜（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院光信息工程系，廣東佛山528000）

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基于多普勒效應(yīng)LED燈光控制系統(tǒng)

梁佩瑩，梁澤匯，范財武，魏壯勇，蔡靜
（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院光信息工程系，廣東佛山528000）

摘要：介紹了一種基于多普勒效應(yīng)的新型智能LED燈光控制系統(tǒng)的設(shè)計。根據(jù)多普勒效應(yīng)原理，通過微波移動傳感器HB100，探測有無物體通過，并產(chǎn)生多普勒信號，對輸出的信號進(jìn)行放大及濾波處理，利用匯編語言對單片機STC89C52進(jìn)行編程，使系統(tǒng)在探測到有物體通過時點亮LED燈。系統(tǒng)測試采用兩排LED燈模擬路燈并根據(jù)預(yù)測物體的移動速度，預(yù)判物體的位置，并點亮相應(yīng)位置的LED燈，延時自動熄滅，達(dá)到節(jié)能照明的效果。設(shè)計的LED燈光控制器可以改變延時程序，從而改變亮燈的時間間隔，利于實際生活的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：多普勒效應(yīng)；單片機STC89C52；LED照明

隨著城市的發(fā)展，道路交通系統(tǒng)變得四通八達(dá)，道路照明也相應(yīng)發(fā)展，但是路燈的使用卻依然存在著不少問題。目前，國內(nèi)路燈存在兩方面的問題［1］：1）在繁華的大中型城市中，即使路上沒有車輛或者行人時，路燈仍然開著，浪費了大量的能源，且由于路燈的長時間工作，也大大減小了其使用壽命。2）在人煙較為稀少的城市中，深夜都會關(guān)閉路燈，雖然減小能耗，但給此時出行的人帶來極大的不便。隨著科技的不斷發(fā)展，LED以其功耗低、使用壽命長等優(yōu)點，逐漸取代傳統(tǒng)照明方式［2-3］，LED路燈作為新型的照明光源應(yīng)用于道路路燈上，一定程度上解決了能耗、壽命等問題。但是要從根本上解決國內(nèi)路燈照明的以上問題，不僅需要一種新型的照明光源，而且要求有一種新型的控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對于LED路燈照明的智能控制，達(dá)到真正環(huán)保節(jié)能的作用。本文對此進(jìn)行研究。

1　燈光控制器的總體設(shè)計

基于多普勒效應(yīng)的微波移動探測和單片機控制的智能LED燈光控制器，可以準(zhǔn)確地探測出移動的物體，從而實現(xiàn)沒有行人車輛通過的時候，或者行人車輛處于靜止的時候，LED燈處于熄滅狀態(tài)；有行人或車輛通過時，根據(jù)車輛通過的速度以及道路情況，智能地點亮此刻經(jīng)過的LED燈以及前方一定數(shù)量的LED燈，并能智能的控制點亮?xí)r間。該控制器在提高LED燈利用率和節(jié)約能源的同時，又滿足了夜間行人及車輛在任何時間任何地點出行時都有燈光照明。

本控制器采用單片機STC89C52、微波移動傳感器HB100及后續(xù)放大濾波電路作為本設(shè)計的3個核心模塊。通過傳感器HB100檢測行人以及車輛通過的速度，并將速度信號轉(zhuǎn)換成電信號傳輸?shù)絾纹瑱CSTC89C52，單片機處理這一信號，若滿要求足則點亮LED燈。

智能系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩個部分組成。硬件由傳感器及其后續(xù)處理電路、LED燈、電源及復(fù)位電路和單片機等組成。系統(tǒng)的軟件采用模塊化程序設(shè)計思想，整個軟件系統(tǒng)由主程序、初始化子程序、外部中斷0子程序、計算子程序、亮燈程序、延時子程序等組成。系統(tǒng)原理流程如圖1所示,整個系統(tǒng)的供電電壓為5 V穩(wěn)壓電源，LED燈直接連接單片機的I/O口。

系統(tǒng)的工作原理為：工作的HB100不斷發(fā)射微波，當(dāng)有物體經(jīng)過時，傳感器接收反射回來的微波，將其頻率信號轉(zhuǎn)換成電信號，在沒障礙物時持續(xù)為高電平，檢測到物體經(jīng)過時為低電平。速度達(dá)到1 m/s時信號特征是在10 ms內(nèi)產(chǎn)生3個低脈沖，此時認(rèn)為有行人或者車輛經(jīng)過。這一信號線連接到單片機的外部中斷0上，通過軟件編程來判斷是否有物體，從而確定是否點亮LED燈。

圖1　系統(tǒng)原理流程

2　硬件電路設(shè)計

2.1控制模塊

路燈智能控制器的控制模塊使用STC89C52單片機。中斷過程是在硬件基礎(chǔ)上再配以相應(yīng)的軟件而實現(xiàn)的，不同的計算機其硬件結(jié)構(gòu)和軟件指令、中斷系統(tǒng)不同。與中斷有關(guān)的寄存器有4個，分別為中斷源寄存器TCON和SCON、中斷允許控制寄存器IE和中斷優(yōu)先級控制寄存器IP。有中斷源5個，其排列順序由中斷優(yōu)先級控制寄存器IP和順序查詢邏輯電路共同決定，分別對應(yīng)5個固定的中斷入口地址。

2.2探測模塊

控制器的探測模塊主要是利用微波傳感器，應(yīng)用多普勒效應(yīng)實現(xiàn)。多普勒效應(yīng)是指當(dāng)發(fā)射源和接收者之間有相對徑向運動時，接收到的信號頻率將發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象可以運用到電磁波范圍［4］。其多普勒頻率fd為

式中，fd為多普勒頻率［5］，Vr為相對運動的速度，λ為工作波長，φ為初相。

當(dāng)目標(biāo)面向傳感器運動時，多普勒頻率為正值，接收信號頻率高于傳感器發(fā)射信號的頻率；而當(dāng)目標(biāo)背離傳感器運動時，多普勒頻率為負(fù)值，接收信號頻率低于傳感器發(fā)射信號頻率［6］。

多普勒微波傳感器HBl00工作頻率為10.525 GHz，應(yīng)用多普勒原理，微波傳感器傳送低功率微波信號，并接收物體反射回來的信號。當(dāng)微波傳感器檢測到物體的運動時，其反射的微波頻率將產(chǎn)生偏移，這種偏移的微波與發(fā)射的微波相混合，從而在輸出端產(chǎn)生低頻電壓。這種傳感器模塊適用于探測物體無接觸運動，如自動門激活、汽車警報器、自動點火控制以及交通道路監(jiān)控。

2.3信號處理

從HB100的IF端口輸出的信號只有微伏級別，極不穩(wěn)定，不利于實現(xiàn)信號的探測，所以必須經(jīng)過濾波放大，此處使用四運算放大器LM224，采用如圖2所示電路，由兩個運放構(gòu)成二級放大電路，以及兩個一階低頻濾波器。

圖2　多普勒信號濾波放大電路原理

2.4控制器的硬件接口設(shè)計

把控制器各部分電路接口連接起來，并且接上模擬路燈的8盞LED燈，接上12 MHz的晶振，則機器周期為1 μs，電路原理圖如圖3所示，+5 V電源采用實驗室穩(wěn)壓電源。

圖3　控制器電路原理

3　系統(tǒng)的軟件設(shè)計

軟件設(shè)計，即單片機匯編程序的編寫，通過與傳感器檢測信號線連接，檢測在10 ms內(nèi)是否有3個以上低脈沖出現(xiàn)，以確定是否有車輛或者行人經(jīng)過，進(jìn)而控制后邊LED燈的點亮以及其點亮方式。程序包括：主程序、初始化子程序、外部中斷0程序、亮燈程序、計算子程序和延時子程序。

3.1主程序設(shè)計

系統(tǒng)的主程序是對所需資源的初始化并等待中斷，通過調(diào)用計算子程序確定有無車輛或者人經(jīng)過，若有則運行亮燈程序點亮LED燈，通過延時程序控制LED燈的點亮?xí)r間。其流程如圖4所示。

圖4　主程序流程

3.2亮燈子程序

亮燈程序是外部中斷0子程序的一部分，也是智能控制器的關(guān)鍵。當(dāng)經(jīng)過計算子程序后，若滿足10 ms內(nèi)3個以上低脈沖前提條件的情況下，先點亮前兩盞LED燈，再調(diào)用延時程序，讓燈持續(xù)點亮一段時間后，通過左移一位，并不斷循環(huán)，依次點亮后邊剩下的燈，且控制器點亮LED燈的方式為兩兩分別點亮。此程序可以控制并改變燈的點亮方式，可以根據(jù)實際需要對其進(jìn)行修改。其程序流程如圖5所示。

圖5　亮燈子程序流程

3.3計算子程序

如圖6所示，設(shè)定控制器亮燈的前提條件，即計算在10 ms內(nèi)是否有3個以上的低脈沖，倘若有，則返回外部中斷0程序，運行亮燈程序，點亮8盞LED燈；倘若沒有，則返回，重新初始化，對下一個10 ms進(jìn)行計數(shù)。通過此子程序，可以改變亮燈的前提，即將10 ms改為其他不同的時間間隔，觀察控制器的亮燈情況，以此測試出控制器的靈敏度，并根據(jù)實際需要智能控制靈敏度。

圖6　計算子程序流程

3.4延時子程序

延時子程序，即在滿足亮燈條件下，控制燈的點亮?xí)r間。此處為了實驗觀察方便，把每兩盞燈被點亮的時間都設(shè)定為0.5 s。也可以根據(jù)實際需要，即道路環(huán)境，行人以及車輛情況，對參數(shù)進(jìn)行修改，以實現(xiàn)修改延時時間［7］，提高燈的利用率，并減小能源損耗，也是此控制器的優(yōu)勢之處。其程序流程如圖7所示。

圖7　延時子程序流程

4　系統(tǒng)測試結(jié)果

系統(tǒng)信號經(jīng)過濾波放大后，輸入到單片機外部中斷端口INT0，無干擾時的信號波形如圖8a所示，有物體經(jīng)過時的信號波形如圖8b所示。此時可以觀察到單片機的8盞燈被依次點亮，如圖9所示。

把微波傳感器的接收面對著通道，讓人在通道上行走，模擬道路上的行人情況，以測試控制器的具體使用范圍。經(jīng)過測試，當(dāng)LED燈的點亮條件為10 ms、系統(tǒng)輸出電壓為15 V時，設(shè)計的LED燈光控制器能實現(xiàn)半徑為5.60 m，圓心角為900°的扇形范圍內(nèi)的智能控制。

圖8　系統(tǒng)測試波形

調(diào)節(jié)電阻，改變輸出信號的峰-峰值，如表1所示，LED燈光控制器有效范圍也會發(fā)生變化。

通過亮燈子程序改變LED燈點亮條件，如表2所示，不同的點亮條件對應(yīng)不同的最大控制距離。實驗表明，控制器的靈敏度隨著LED燈點亮條件的時間間隔增大而增大，但與此同時也會降低其抗干擾能力，使其受到周圍環(huán)境影響變大。根據(jù)道路的情況，如行人的多少，道路的長短等，可以控制延時子程序，即控制LED燈依次點亮的時間，實現(xiàn)智能節(jié)能的功能。

圖9　LED燈被點亮

表1　有效距離隨輸出電壓變化　

表2　不同的點亮條件對應(yīng)的最大控制距離

5　小結(jié)

實驗表明，設(shè)計的基于多普勒效應(yīng)的新型的智能LED燈光控制器可以根據(jù)環(huán)境的情況控制LED燈的通斷，并控制LED燈依次點亮的時間，實現(xiàn)半徑為5.6 m，圓心角為90°的扇形范圍內(nèi)的智能控制。系統(tǒng)適合于道路、樓道、小區(qū)、走廊、家居等場所，可實現(xiàn)節(jié)能照明的效果。

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【責(zé)任編輯：任小平renxp90@163.com】

The LED lighting control system based on the doppler effect

LIANGPei- ying，LIANGZe- hui, FANCai- wu, WEI Zhuang- yong，CAI Jin
（Department of Photoelectric Information and Engineering，F(xiàn)oshan University, Foshan 528000, China）

Abstract:The design of an intelligent LED lighting control system is introduced. According to Doppler Effect, by using a microwave based motion sensor HB100, moving targets could be detected and Doppler waves would be generated consequently. After amplifyingand filteringthe output signal of HB100, byusinglogics and algorithms described in this paper, a STC89C52 microcontroller system could control the street lighting system to illuminate the movingtargets accordinglyon time. In the experiment, towrows of LEDlights were used tosimulate the street lighting system and by lighting the LEDs successively according to the moving target’s position which is predicted by the system, energy- saving lighting is achieved. The latency and the interval of the lighting behavior could be adjusted accordingtothe needs fromreal deployments.

Keywords:Doppler effect; STC89C52 MCU; LEDlighting

作者簡介：梁佩瑩（1975-），女，廣東佛山人，佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院講師。

基金項目：2015年度廣東省大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項資金資助項目；佛山市科技發(fā)展專項基金資助項目（2012AA100361）

收稿日期：2015-10-13

文章編號：1008- 0171（2016）02- 0049- 05

中圖分類號：TP332.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A