LED路燈智能控制系統設計方案

2.1.2 背景光檢測

光敏電阻是利用半導體的光電效應制成的一種電阻值隨入射光的強度變化而改變的電阻器，入射光強時(shí)電阻值減小。背景光檢測電路如圖3（左）所示，三極管的集電極輸出電壓輸入到A/D轉換器當中。由于單片機當中已經(jīng)集成了高精度的12位A/D 數模轉換器，故選用其內部A/D轉換器，其模擬量輸入控制范圍在0~5V,由單片機的存儲及其控制寄存器Sref位確定。

當背景光強度強時(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；當背景光強度較弱的時(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。當輸出高于設定值時(shí)，物體定位檢測子系統開(kāi)啟。

同時(shí)為避免由于其他原因（如雷電、光源等）造成的影響，設置路燈開(kāi)啟判斷時(shí)間為30s,30s后單片機檢測到三極管的集電極輸出確實(shí)高于預設值時(shí)，單片機發(fā)出物體定位檢測開(kāi)啟信號。

2.2 LED恒流源驅動(dòng)模塊及PWM 驅動(dòng)方式

LED由于壽命長(cháng)、節能、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LED的伏安特性曲線(xiàn)可知，LED正向伏安特性非常陡，微小的驅動(dòng)電壓的波動(dòng)就會(huì )導致LED驅動(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 獨特的電氣特性使得LED驅動(dòng)電路也面臨更大的挑戰，LED驅動(dòng)電路關(guān)系到整個(gè)LED照明系統性能的可靠性。因此為防止LED的損壞，要求所設計驅動(dòng)能夠精準控制LED的驅動(dòng)電流。本系統設計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的驅動(dòng)電流，從而穩定控制LED的亮度。恒流源驅動(dòng)電路如圖3（右）所示。電流串聯(lián)負反饋由U4和Q3組成。

系統采用PWM 對LED光亮度進(jìn)行調節。用PWM 對LED進(jìn)行調光實(shí)際上是某一固定直流電壓經(jīng)過(guò)以一定頻率打開(kāi)與閉合的開(kāi)關(guān)，從而改變LED上的電壓。假設某一固定直流電壓能夠提供的最大電流為Imax,開(kāi)關(guān)頻率為f 且閉合周期為t,則有通過(guò)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(guò)LED的平均電流，進(jìn)而改變LED的亮度。假設系統輸出的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(guò)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)脈沖電流驅動(dòng)方式比直流電流驅動(dòng)方式所需要的電流值更小，所以脈沖電流驅動(dòng)可以給系統帶來(lái)高效性。

3 系統軟件設計

根據硬件設計時(shí)各個(gè)模塊的功能和要求，系統軟件的設計主要是和硬件電路相結合。本次設計將系統功能分為具有獨立子功能的控制模塊。

設計采用模塊化的方式更易于閱讀和理解，軟件結構更加清晰，而且利于軟件調試。系統軟件方案主要由初始化程序、背景光檢測程序、人體紅外信號檢測程序和RS-485協(xié)議等[6]構成。電路上電啟動(dòng)后，單片機進(jìn)行初始化操作，電路控制系統進(jìn)入工作狀態(tài)，該系統的工作流程圖如圖4所示。

在規定亮燈時(shí)間內，如果背景光強度較弱，上位機向下位機發(fā)送開(kāi)始工作命令和信息，否則下位機等待響應上位機發(fā)送命令。下位機響應后，當有人或者車(chē)輛進(jìn)入紅外探測區域單片機根據背景光的強度，輸出脈寬調制信號PWM,驅動(dòng)控制器點(diǎn)亮LED,保證LED光強度足以滿(mǎn)足路面的可見(jiàn)度。如果下位機沒(méi)有探測到紅外信號，路燈LED熄滅。

圖4 系統流程圖

4 實(shí)驗結果及分析

由于到達現場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗有一定的難度，所以實(shí)驗仿真只對人體紅外信號進(jìn)行了檢測。設置系統規定亮燈時(shí)間段為PM 6:00~7:00,將熱釋電紅外傳感器固定在實(shí)驗室臺上，傳感器的輸出端接在示波器的探頭上，人走向傳感器探測區域，觀(guān)察示波器上有無(wú)波形輸出。測試結果如表1所示，A表示傳感器沒(méi)有罩上菲涅耳透鏡的輸出結果；B表示傳感器罩上菲涅耳透鏡的輸出結果。結果表明，系統可以精確控制智能路燈的開(kāi)啟時(shí)間；菲涅耳透鏡可以顯著(zhù)提高傳感器的探測靈敏度。

表1 傳感器檢測輸出結果

測試恒流源驅動(dòng)電路的時(shí)候選用1 W 的大功率LED燈珠，通過(guò)調節PWM 的占空比來(lái)檢測通過(guò)LED的電流值。如果LED亮暗的頻率超過(guò)100Hz,人眼看到的就是平均亮度，而不是LED的閃爍。實(shí)驗仿真設定PWM 輸出信號的頻率為1kHz,實(shí)驗仿真結果如表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 輸出信號的占空比成正比關(guān)系。恒流源驅動(dòng)電路雖然簡(jiǎn)單，但其性能非常優(yōu)秀。

表2 LED路燈工作電流測試

5 結 語(yǔ)

研究設計智能化、運行可靠和高效節能的路燈控制系統，是智能交通系統的必然需求。系統以低功耗單片機為系統控制核心，使用RS-485通信協(xié)議完成上位機對下位機的控制，通過(guò)熱釋電傳感器探測人與車(chē)輛發(fā)出的紅外信號，利用MSP430的內部資源PWM 實(shí)現了路燈的智能調光控制。系統設計完全從節能和性?xún)r(jià)比的角度出發(fā)提高了路燈的用電效率和智能化程度，在節約能源、電力資源合理利用的今天，該系統有著(zhù)十分廣闊的社會(huì )和商業(yè)前景。