張秋艷，張俊霞，李淵博

(榆林學院能源工程學院，陜西 榆林 719000)

引言

隨著社會發(fā)展，生活水平的提高，我國城市路燈照明系統(tǒng)逐漸完善，但依然存在一定的問題，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了安全。但同時，在這光鮮亮麗的背后是一頁頁的能源消耗清單，浪費了大量不必要的資源[1，2]。因此采用新的模式對路燈實現(xiàn)智能控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)的定時控制對促進國民經(jīng)濟發(fā)展發(fā)揮著至關重要的作用。本設計采用MSP430芯片為核心，利用內(nèi)置定時器、光電傳感器、聲音傳感器等，檢測人員和車輛的活動情況，達到在不同情況下進行路燈的亮度調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)人性化無人操作，且更加節(jié)約資源。

1 系統(tǒng)整體方案設計

該路燈節(jié)能控制器設計采用MSP430F149主控芯片，電源電路，無線傳輸模塊，光電對射式紅外傳感器，聲音傳感器，GY-30光敏電阻傳感器， LCD12864液晶顯示電路，LED驅動電路等，其系統(tǒng)結構如圖1所示。利用GY-30光敏電阻傳感器測量外界亮度變化，將檢測到的亮度信息傳輸?shù)街骺匦酒?，并在LCD12864液晶顯示器上顯示當前光強。當光強小于規(guī)定值時，聲音傳感器和對射式紅外傳感器開始工作，實時監(jiān)測道路車輛人員的流動情況，主控芯片MSP430將各個傳感器傳過來的數(shù)據(jù)進行分析、對比，然后控制LED驅動電路對LED燈進行調(diào)節(jié)控制;同時，將車流量信息通過無線傳輸技術，傳送到PC上位機，便于工作人員實時監(jiān)測與控制。

圖1 系統(tǒng)結構圖Fig.1 System structure

2 硬件部分設計

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，本設計采用電源轉換電路實現(xiàn)，如圖2所示。其原理是：由市電220 V交流電壓經(jīng)過變壓器后轉化為了兩個18 V輸出的電壓，將其接到了P4電源的接線端子上，然后被流器D1轉化成兩個18 V的直流輸出電壓。LED1和LED4兩個指示燈發(fā)光表示電路正常并能正常工作。EI，E2，E3，E4，C1，C4六個電容負責濾波。P4接線端子一端的輸出電壓通過穩(wěn)壓元件LM317和其匹配電阻R2，通過滑動變阻器POT1將電壓轉化為5 V的直流電壓，而另一端的輸出電壓則通過穩(wěn)壓元件LM337和其匹配電阻R12，通過滑動變阻器POT2將其轉化為-12 V的輸出電壓，兩端電壓輸出到接線端子P6上，最后由P6端口對單片機和系統(tǒng)中的傳感器進行供電。其Proteus仿真如圖3所示，由仿真結果可知，該電源電路設計方案是切實可行的，兩端的輸出電壓都達到了預定的值。

2.2 信號采集模塊

信號的采集包括光強采集、聲音采集以及人流量采集等信號。其中①光強信號的采集由光敏電阻傳感器GY-30實現(xiàn)，其模塊內(nèi)置16位AD轉換器，可以直接將光強信號轉換成可供主控芯片直接傳輸?shù)臄?shù)字信號[3，4]，并避免使用專用的AD轉換模塊，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，可進行接收數(shù)據(jù)和收發(fā)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸開始時，SCL為高電平，SDA為低電平。結束信號傳輸時，SCL為高電平時，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SDA接P1.1口，時鐘信號線SCL接在P1.2口，因為程序里ADDRESS地址為地址為0xA6，因此ADDR接口需要接地。當傳感器工作時，它直接輸出數(shù)字信號，省略復雜的計算，省略校準，不區(qū)分環(huán)境光源而且擁有的分光特性可接近于人類的視覺靈敏度，檢測到光強后，傳感器通過I2C將數(shù)據(jù)發(fā)送到MSP430單片機里。②人流量采集部分，采用E3F-5DP1/E3F-5L型紅外光電開關傳感器[7]，它的檢測距離比普通傳感器更遠。當紅外發(fā)射檢測車輛人員等信息時，通過對射開關管的啟停，對應輸出高低電平，由P1.0口檢測高低電平的變化，來檢測道路的車人流量信息。③聲音采集部分，采用YL-56聲音傳感器，其可以根據(jù)震動原理檢測周圍環(huán)境的聲音強度，可直接輸出高低電平來模擬環(huán)境中的是否有人車通過。當模塊未達到環(huán)境聲音設定值時(由滑動變阻器控制)，輸出高電平，當聲音強度超過設定值時，輸出低電平。輸出口接在P2.3，與對射式紅外傳感器共同檢測道路的車人流量信息。

圖2 電源轉化電路Fig.2 Power conversion circuit

圖3 電源轉化仿真圖Fig.3 Power conversion simulation diagram

2.3 NRF24L01無線收發(fā)模塊

本設計中信息傳輸模塊采用NRF24L01無線收發(fā)芯片,如圖4中的無線傳輸模塊。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，所以在通信的時候，它也只能和NRF24L01系列的芯片通訊[8]。本設計利用單片機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)由單片機寫入，并自動發(fā)送出去；配置成接收模式以后，單片機通過觀察它的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SPI口檢索接收到的數(shù)據(jù)。整個模塊使用3.3 V輸入，并具有增強型 ShockBurst TM 功能，用于自動應答和自動重發(fā)。無線傳輸速率在1～2 Mbps，SPI接口速率在0～8 Mbps之間。在整個系統(tǒng)中，它的作用是將單片機信息傳輸?shù)搅硪粋€NRF24L01模塊，然后通過串口轉換發(fā)送到電腦中去。

圖4 主要硬件電路圖Fig.4 Main hardware circuit

2.4 LED驅動電路

考慮到強電與弱電之間的干擾問題，本設計引入光電耦合隔離電路，并通過零點檢測電路進行智能控制LED的光亮程度。如圖4中過零檢測電路，電壓通過兩個限流電阻R4、R9，傳輸?shù)秸鳂蚶?，整流后，連接到P521光耦中產(chǎn)生脈沖并進入微控制器的P20端口，由MSP430F149的中斷腳P1.6和P1.7實現(xiàn)過零控制。

LED驅動電路，本次設計采用晶閘管驅動電路，另外加有電源提示功能，其電路如圖4的LED驅動電路。其中，BT136-600D是一種三端雙向可控硅元器件，特點是擊穿電壓高，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，本次設計將其用于調(diào)光。MOC3023是一款光電耦合器，采用摩托羅拉芯片，其主要作用是實現(xiàn)光電隔離式的開關控制，利用過零電路產(chǎn)生的脈沖信號，通過單片機的中斷腳P1.6和P1.7進行通斷控制，當P1.6和P1.7輸出低電平時，LED2和LED3指示燈發(fā)光，MOC3023內(nèi)部發(fā)光二極管接通，雙向可控硅開啟。反之則關閉，進而對火線進行接通關閉操作。晶閘管T1極接AC電源火線，G極接三端雙向可控硅開關，T2極連接到輸出。LED具有余暉效應，當開關通斷時間小于特定值時，就只是亮度發(fā)生了變化,從而實現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)的目的。

2.5 按鍵報警顯示電路

為了豐富路燈節(jié)能的智能控制，本設計增加了按鍵電路、報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負責PWM調(diào)節(jié)的模式切換，接在P6.3端口；S2負責在模式二的時候對PWM輸出占空比進行增加操作，接在P6.4端口；而S3負責進行減小操作，接在P6.5端口，從而實現(xiàn)，人工手動調(diào)節(jié)模式的節(jié)能控制功能。報警電路：當驅動電路發(fā)生故障時，在模式二的情況下PWM 輸出占空比為0和100%時蜂鳴器發(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驅動報警功能， 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接口之間，確保三極管和電路的穩(wěn)定運行。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P5.4相連；D0～D7是數(shù)據(jù)口，與MSP430單片機的P4.0～P4.7引腳相連；E是使能信號端，RST是復位模塊，分別與P5.7和P5.1相連；引腳RW是讀寫選擇端，當RW置1時，數(shù)據(jù)被讀到D0～D7，當RW置0時，數(shù)據(jù)從D0～D7寫出。POT3則是一個可變電阻，一端接上+3.3V的VCC電源，一端接地，當LCD12864與單片機接線以及電源供電完成后，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻POT3的阻值來調(diào)節(jié)VLCD上的電壓，阻值調(diào)節(jié)到適當?shù)膮^(qū)域以內(nèi)后，液晶屏就會有合適的對比度。

3 系統(tǒng)軟件部分設計

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，當接通電源后，整個程序首先初始化、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數(shù)據(jù)，然后將其傳遞到模塊內(nèi)置AD轉換器里，將轉換后的數(shù)字信號傳送到單片機里；當外界光強大于限值時，進一步采集聲音傳感器和紅外傳感器信息，從而獲得當前人流量信息，通過當前人流量信息，進行調(diào)節(jié)占空比，來控制LED驅動電路，從而智能調(diào)節(jié)路燈亮度；同時將采集到的相關信息進行LCD12864實時顯示?？紤]到突發(fā)情況，本設計增設人為手動按鍵無線控制方式調(diào)節(jié)占空比來控制路燈明暗程度的功能，使得設計更加人性化。此外，在軟件設計中，采用一定的數(shù)字濾波算法，減少外界干擾及系統(tǒng)中強電與弱電引入的噪聲干擾等因素，降低測量誤差，如對光強檢測信息每3 s檢測一次，避免光強數(shù)據(jù)波動速度太快造成的誤判斷。整個系統(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；并運用微控制器內(nèi)部定時器的比較模式解決系統(tǒng)時鐘問題，避免使用專用時鐘芯片，可進一步降低系統(tǒng)功耗。

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

4 系統(tǒng)測試

圖6 硬件實物圖Fig.6 Hardware testing system

通過系統(tǒng)的硬件和軟件設計，搭建硬件測試系統(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光強、人流量等信息進行采集，傳輸?shù)街骺匦酒?，然后?jīng)過對比分析對輸出占空比進行適當?shù)恼{(diào)節(jié)，能夠起到智能控制路燈的作用，并且通過無線收發(fā)模塊，將現(xiàn)場檢測信息傳輸?shù)缴衔粰C中，可實時監(jiān)測路燈使用情況，如遇到特殊情況，可遠程發(fā)送指令，遠程手動控制路燈，實現(xiàn)人性化的智能節(jié)能控制。通過對整機進行測試，通過不同情況，進行自動調(diào)節(jié)及其控制狀態(tài)如表1所示。硬件測試表明，該設計可實現(xiàn)預設功能，且反應靈敏，調(diào)節(jié)迅速。

表1 路燈工作模擬情況

5 結束語

本設計是基于MSP430F149單片機的LED路燈節(jié)能設計，該控制器具有夜間自動調(diào)光的功能，能夠收集路上的人流量等信息，可進行無線遠程電腦控制。該設計具有低功耗、體積小、操作簡單等特點，遠程控制也使其應用更加便捷。