基于MSP430的LED路燈節能控制器設計

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

隨著社會發展，生活水平的提高，我國城市路燈照明系統逐漸完善，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智能控制代替傳統的定時控制對促進國民經濟發展發揮著至關重要的作用。本設計采用MSP430芯片為核心，利用內置定時器、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節，從而實現人性化無人操作，且更加節約資源。

1 系統整體方案設計

該路燈節能控制器設計采用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到主控芯片中，并在LCD12864液晶顯示器上顯示當前光強。當光強小于規定值時，聲音傳感器和對射式紅外傳感器開始工作，實時監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據進行分析、對比，然后控制LED驅動電路對LED燈進行調節控制;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測與控制。

圖1 系統結構圖Fig.1 System structure

2 硬件部分設計

2.1 電源模塊

該系統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，如圖2所示。其原理是：由市電220 V交流電壓經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，其模塊內置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的數字信號[3，4]，并避免使用專用的AD轉換模塊，降低系統功耗并節省系統空間。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，可進行接收數據和收發數據。數據傳輸開始時，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其內部采用ROHM原裝BH1750FVI芯片[5，6]；光照度范圍為0～65 535 lx；數據線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，它直接輸出數字信號，省略復雜的計算，省略校準，不區分環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將數據發送到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，其可以根據震動原理檢測周圍環境的聲音強度，可直接輸出高低電平來模擬環境中的是否有人車通過。當模塊未達到環境聲音設定值時(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無線收發模塊

本設計中信息傳輸模塊采用NRF24L01無線收發芯片,如圖4中的無線傳輸模塊。NRF24L01芯片是一款真正的GFSC單方收發芯器片，工作在2.4～2.5 GHz之間,并且擁有一套自己的協議，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。配置為傳輸發送模式后，待發送的數據由單片機寫入，并自動發送出去；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據，IRQ為低電平，表示已收到數據，微控制器可以通過SPI口檢索接收到的數據。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。無線傳輸速率在1～2 Mbps，SPI接口速率在0～8 Mbps之間。在整個系統中，它的作用是將單片機信息傳輸到另一個NRF24L01模塊，然后通過串口轉換發送到電腦中去。

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，傳輸到整流橋里，整流后，連接到P521光耦中產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，可用于電路板調壓，電路板調溫，電路板調速和電路板調光等的系統中，本次設計將其用于調光。MOC3023是一款光電耦合器，采用摩托羅拉芯片，其主要作用是實現光電隔離式的開關控制，利用過零電路產生的脈沖信號，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指示燈發光，MOC3023內部發光二極管接通，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，就只是亮度發生了變化,從而實現亮度調節的目的。

2.5 按鍵報警顯示電路

為了豐富路燈節能的智能控制，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調節的模式切換，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，人工手動調節模式的節能控制功能。報警電路：當驅動電路發生故障時，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為發射極，3為集電極，4.7 kΩ的限流電阻R11串聯在三極管基極與單片機接口之間，確保三極管和電路的穩定運行。顯示電路：系統采用并行數據接口連接LCD12864顯示器,RS是指令數據選擇端，與單片機P5.4相連；D0～D7是數據口，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，數據被讀到D0～D7，當RW置0時，數據從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，通過調節可調電阻POT3的阻值來調節VLCD上的電壓，阻值調節到適當的區域以內后，液晶屏就會有合適的對比度。

3 系統軟件部分設計

主程序是路燈節能控制系統的重要組成部分，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光敏電阻阻值變化引起的電流變化采集光強數據，然后將其傳遞到模塊內置AD轉換器里，將轉換后的數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，進行調節占空比，來控制LED驅動電路，從而智能調節路燈亮度；同時將采集到的相關信息進行LCD12864實時顯示。考慮到突發情況，本設計增設人為手動按鍵無線控制方式調節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，采用一定的數字濾波算法，減少外界干擾及系統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，避免光強數據波動速度太快造成的誤判斷。整個系統采用間歇工作模式，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的整體功耗；并運用微控制器內部定時器的比較模式解決系統時鐘問題，避免使用專用時鐘芯片，可進一步降低系統功耗。

圖5 系統總流程圖Fig.5 System main program flow chart

4 系統測試

圖6 硬件實物圖Fig.6 Hardware testing system

通過系統的硬件和軟件設計，搭建硬件測試系統，如圖6所示。系統利用光敏電阻模塊、紅外傳感器和聲音傳感器對光強、人流量等信息進行采集，傳輸到主控芯片里，然后經過對比分析對輸出占空比進行適當的調節，能夠起到智能控制路燈的作用，并且通過無線收發模塊，將現場檢測信息傳輸到上位機中，可實時監測路燈使用情況，如遇到特殊情況，可遠程發送指令，遠程手動控制路燈，實現人性化的智能節能控制。通過對整機進行測試，通過不同情況，進行自動調節及其控制狀態如表1所示。硬件測試表明，該設計可實現預設功能，且反應靈敏，調節迅速。

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路燈節能設計，該控制器具有夜間自動調光的功能，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。