基于無線模塊NRF905的節能路燈控制系統設計

張江偉，尹 慧

（徐州工業職業技術學院 江蘇 徐州 221140）

道路照明，各類廠區及高端住宅和商業亮化工程越來越多，也越來越重要，路燈作為這種工程不可缺少的重要組成部個小時（從晚上7點到第二天早上7點），那么一盞路燈就要消耗200×12/1 000＝2.4度電能。假設路燈之間的間距是20米，一條長2公里的街道就有2×2000/20＝200盞路燈（道路兩邊各有一盞路燈，所以要乘2），那么這條街道一晚上消耗的電能就有200×2.4＝480度[1]，1年消耗的電能是480×365分，對節能減排有著重要的影響。為了達到節能的目的，可設計這樣一種路燈控制器系統，使它具有以下功能：1）路燈支路控制系統有時鐘功能，能設定、顯示開關燈時間，并控制整條支路按時開燈和關燈。2）路燈支路控制系統應能根據環境明暗變化，自動開燈和關燈。3）路燈支路控制系統應能根據交通情況自動調節亮燈狀態：當有人或車經過當前路燈的監控區域時，路燈打開，離開時路燈關閉。4）當路燈出現故障時（燈不亮），支路控制器應發出聲光報警信號，并顯示有故障路燈的地址編號。還可以人為的設定一段時間讓路燈的亮度自動的降低或增加，這些功能可以很大的節約電能，達到節能的目的同時也達到了智能的要求。

1 系統總體設計及電路工作原理

系統設計方案總體描述：本系統設計是以單片機作為為控制系統核心，以NRF905作為單片機與控制模塊之間的數據采集通道。通過支路單片機輸出控制指令給無線發射模塊NRF905，經NRF905無線發送給單元電路。無線接收模塊NRF905實現對單元電路的路燈進行定時開、關太故障報警等自動控制，該控制系統既智能又節能。

圖1 系統設計框圖Fig.1 Structure diagram of the overall system

2 系統主要模塊方案的選擇

2.1 控制器模塊

本系統對單片機的要求不是太高，AT89S51單片機足以滿足系統的各項要求，各引腳也可以充分的被利用，同時AT89S51單片機價格低廉，其功能和指令對于大家也是比較熟悉的，編寫程序也相對簡單。因此綜合考慮后，選擇了AT89S51單片機作系統設計的控制芯片。

2.2 無線收發模塊

對于數據的無線傳送模塊，系統采用了NRF905無線收發的集成模塊。NRF905單片無線收發器工作在433/868/915 MHz的ISM頻段。由一個完成集成的頻率調制器，一個帶解調器的接收器，一個功率放大器，一個晶體震蕩器和一個調節器組成。電流消耗很少，在發射功率為-10 dBm時，發射電流為11 mA，接收電流為125 mA。進入POWERDOWN模式可以很容易實現節電[2]。此外NRF905模塊性價比高，使用方便，通信距離遠，編程方法簡單，購買也比較方便也是本系統采用其作為數據采集模塊的重要依據。

2.3 顯示模塊

顯示模塊選用74hc595移位寄存器構成的靜態顯示。經過分析考慮選擇的是LED數碼管顯示。LED數碼管顯示主要用來顯示數據，價格低廉，減少了對I/O口的浪費，而且能夠同時驅動多個數碼管。其驅動程序容易編寫和理解。

2.4 電源模塊

電源模塊可采用開關電源或12 V蓄電池供電。開關電源好處雖然多，但價格昂貴。采用12 V蓄電池供電。電源較容易攜帶，具有較強的電流驅動能力以及穩定的電壓輸出性能，且所輸出的電源電壓比較穩定，能適用不同場合的供電要求。

LED恒流源驅動模塊選用LM358運放為驅動芯片，用它構成射極跟隨器控制LED燈光的亮與滅及功率的降低。

3 主要硬件電路的設計

3.1 單片機的最小系統、鍵盤與顯示與電路

單片機的最小系統、鍵盤與顯示電路[3]如圖2所示。本系統所采用的單片機型號為AT89C51。輸入鍵盤采用了4×4的鍵盤作為控制，一共用了16個按鈕開關。采用串行的74HC595構成八位靜態顯示，只用了單片機3個端口，不用進行外圍端口的擴展，大大節約了資源，提高了單片機的工作效率。C語言編程可以實現對鍵盤和顯示器的自動掃描、識別閉合鍵的鍵號、完成顯示器的靜態顯示。

圖2 單片機的最小系統、鍵盤與顯示電路Fig.2 MCU minimum system，keyboard and display circuit

16個按鈕的作用如表1所示。

表1 按鈕的作用Tab.1 Role of the button

3.2 無線發射與接收電路

無線裝置的功能[4]是用來對單片機的指令進行發送與接收，它是由無線收發器NRF905來構成。NRF905單片無線收發器工作在433/868/915MHZ的ISM頻段。它是由一個完全集成的頻率調制器，一個帶解調器的接收器，一個功率放大器、一個晶體振蕩器和一個調制器組成。該電路天線部分使用的是50 Ω單端天線。在NRF905的電路板設計中，也可以使用環形天線，把天線布在PCB板上，這可減小系統的體積。無線發射與接收電路圖如圖3所示。

3.3 LED的驅動電路

LED的驅動電路[5]由D/A轉換器TLC5615、集成運放LM358高功三極管8050構成，如圖4所示。數控恒流源，通過改變恒流源的外圍電壓，利用電壓的大小來控制輸出電流的大小。驅動電路采用單片機控制的方式，利用單片機輸出數字量，經過D/A轉換轉變成模擬信號，再送到運算放大器和大功率三極管進行放大輸出電流。該設計通過軟件方法實現輸出電流穩定，易于功能的實現，便于操作。

圖3 無線發送與接收電路Fig.3 Wireless transmitter and receiver circuit

圖4 LED驅動電路Fig.4 LED driver circuit

3.4 聲光報警電路

系統要求在LED燈損壞時具有報警功能，聲光報警電路圖如圖5所示。利用LM358可以作為電壓比較，開關的敏感元件采用光敏電阻RD。提供給LM358的3端為一個固定的電壓值，作為一個比較電壓值U3。當無光線照射到光敏電阻上時，RD呈高阻值，所以U2>U3，1端給單片機一個高電平，使單片機發送聲光報警指令。當有光線照射到光敏電阻上時，RD呈低阻值，因此U2

4 主要電路軟件的設計

4.1 4×4鍵盤子程序

所謂“4×4”是指4行與4列所構成的按鍵數組，相當于16個按鈕，此鍵盤可以節省很多的單片機I/O資源，它與單片機只有8個I/O的連接，為了說明方便起見，由上而下各列編制為 Y0、Y1、Y2、Y3，由左到右各行編制為 X0、X1、X2、X3，而每個按鍵按照順序編制為1―16。其鍵盤連接方式如圖6所示。

圖5 聲光報警電路Fig.5 Sound and light alarm circuit

圖6 4×4鍵盤接線原理Fig.6 4×4 keypad wiring principle

根據鍵盤掃描原理可得到16個鍵的特征編碼。將16個鍵的特征編碼按順序排成一張表（前述表1），然后用當前讀得的特征編碼來查表，當表中有該特征編碼時，它的位置就是對應的順序編碼。鍵盤掃描程序流程圖如圖7所示。

圖7 4×4鍵盤程序流程圖Fig.7 The program flow chart of 4×4 keyboard

4.2 4×4鍵盤與顯示部分的編程

鍵盤功能[6]如前述表1所示，其中：0-9按鍵為數字輸入鍵；10按鍵為校時確定鍵，用來校準和設定系統時間；11、12按鍵為左右移鍵，主要用來選取需要設定的顯示位；13、14按鍵為加減鍵，用來對數進行加減操作；15按鍵為功能鍵，主要用來設定系統各個功能的模式，如校時模式、定時開關機模式、自動降低功率模式等。這樣根據鍵盤設定表，可得到鍵盤與顯示部分的流程圖如圖8所示。

圖8 鍵盤與顯示程序流程圖Fig.8 Flow chart of keyboard and display program

4.3 物體位移感應（光電開關）的編程

本系統要求支路控制器應能根據交通情況自動調節亮燈狀態：當可移動物體M（在物體前端標出定位點，由定位點確定物體位置）由左至右到達S點時（見圖2），燈1亮；當物體M到達B點時，燈1滅，燈2亮；若物體M由右至左移動時，則亮燈次序與上相反。根據此要求設計出流程圖如圖9所示。

圖9 光電開關流程圖Fig.9 Flow chart of photoelectric switch

4.4 無線發送模塊NRF905

發送模式編程要點[7]：1）當微控制器（單片機）有數據要發送時，通過SPI口按時序把接收機的地址和要發送的數據傳給NRF905。2）微控制器置高 TRX_CE和 TX_CE觸發NRF905的ShockBurst TX發送模式并發送數據。3）如果AUTO_RETRAN被置高，NRF905將不斷重發，直到TRX_CE被置低，否則只發送一次。4）當TRX_CE被置低，NRF905發送過程完成，自動進入空閑模式。據此得到發送模式程序流程圖如圖10所示。

4.5 無線接收模塊NRF905

接收模式編程要點[7]：1）當 TRX_CE為高、TX_EN為低時，NRF905進入ShockBurst RX接收模式 650 μs后，NRF905不斷監測，等待接收數據。2）當一個正確的數據包接收完畢，NRF905自動移去字頭、地址和CRC校驗位，然后把數據準備引腳DR置高，TRX_CE置低，NRF905進入空閑模式。3）微控制器通過SPI口以一定的速率把數據移到微控制器內。4）當所有的數據接收完畢，NRF905把數據準備引腳DR和地址匹配引腳AM置低。此時，NRF905可以進入ShockBurst RX接收模式，ShockBurst TX發送模式或關機模式。NRF905接收模式程序流程圖如圖11所示。

圖10 NRF905發送數據流程圖Fig.10 Flow chart of NRF905 send data

圖11 NRF905接收模式流程Fig.11 Mode process of NRF905 receive

4.6 支路控制總設計

根據以上各個模塊程序的編寫，最終設計出支路控制總流程圖12與單元電路控制總流程圖13，分別如下所示。

5 結 論

本系統設計通過無線裝置NRF905來實現設計要求，如果應用在實際路燈中，設備維護方便，成本較低，并且容易控制，不易受到干擾，信號穩定。所以使用無線模塊的電路設計簡單，應該是將來路燈控制發展的方向。無線控制模塊的應用在實際路燈的控制中已經成為一種主流，并且也是將來發展的趨勢，值得進一步研究。

圖12 單元電路流程圖Fig.12 Flow chart of cell circuit

圖13 支路電路流程圖Fig.13 Flow chart of slip circuit flow

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