中心議題：

• 探討LED路燈智能控製係統設計方案

解決方案：

• 采用熱釋電紅外傳感器檢測人體及車輛發出的紅外信號
• 運用光敏電阻檢測背景光的強度
• 通過恒定電流源來控製LED燈光的強度

 引 言

近(jin)年(nian)來(lai)
，隨(sui)著(zhe)經(jing)濟(ji)的(de)高(gao)速(su)發(fa)展(zhan)和(he)汽(qi)車(che)的(de)逐(zhu)漸(jian)普(pu)及(ji)，城(cheng)市(shi)的(de)交(jiao)通(tong)問(wen)題(ti)已(yi)經(jing)引(yin)起(qi)人(ren)們(men)越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)的(de)關(guan)注(zhu)
，城(cheng)市(shi)道(dao)路(lu)照(zhao)明(ming)的(de)重(zhong)要(yao)性(xing)也(ye)日(ri)益(yi)增(zeng)大(da)。目(mu)前(qian)，我(wo)國(guo)大(da)部(bu)分(fen)城(cheng)市(shi)的(de)路(lu)燈(deng)照(zhao)明(ming)都(dou)采(cai)用(yong)"全夜燈恒照度"的de方fang式shi
，控kong製zhi方fang式shi仍reng然ran是shi簡jian單dan的de光guang控kong和he時shi控kong等deng傳chuan統tong方fang式shi

，這zhe大da大da增zeng加jia了le城cheng市shi的de用yong電dian量liang，為wei此ci
，政zheng府fu承cheng擔dan著zhe巨ju額e的de財cai政zheng支zhi出chu，而er路lu燈deng照zhao明ming設she備bei的de使shi用yong壽shou命ming也ye大da大da降jiang低di。因yin此ci，引yin入ru智zhi能neng交jiao通tong係xi統tong（ITS）成為提高城市交通管理水平的一個重要途徑。

本設計以低功耗單片機MSP430為主控部件，采用熱釋電紅外傳感器檢測人體及車輛發出的紅外信號

，運用光敏電阻檢測背景光的強度
，通過恒定電流源來控製LEDdengguangdeqiangdu。genjugegejijietianheideshijianbutongshezhigezideludengkaiqiheguanbishijian，zaiguidingshijianduiyidongwutijinxingjiance
，shixianduiludengdezhinenghuakongzhi，tigaoleludengzhaomingdeyouxiaoxing，bimianledianliziyuandelangfei。

1 熱釋電紅外傳感器與菲涅耳透鏡

利li用yong紅hong外wai線xian傳chuan感gan器qi可ke以yi檢jian測ce到dao物wu體ti發fa射she出chu的de紅hong外wai線xian，從cong而er可ke以yi檢jian測ce到dao不bu同tong物wu體ti的de存cun在zai。製zhi造zao熱re釋shi電dian紅hong外wai傳chuan感gan器qi的de材cai料liao
，以yi陶tao瓷ci氧yang化hua物wu及ji壓ya電dian晶jing體ti用yong得de最zui多duo，這zhe類lei材cai料liao具ju有you強qiang烈lie的de自zi發fa極ji化hua性xing能neng，當dang受shou到dao熱re輻fu射she而er產chan生sheng溫wen度du變bian化hua時shi介jie質zhi的de極ji化hua狀zhuang態tai隨sui之zhi發fa生sheng變bian化hua。由you於yu內nei部bu電dian荷he的de速su度du遠yuan遠yuan高gao於yu表biao麵mian電dian荷he的de變bian化hua速su度du，晶jing體ti兩liang端duan會hui產chan生sheng數shu量liang相xiang等deng而er極ji性xing相xiang反fan的de獨du立li電dian荷he，這zhe就jiu是shi電dian介jie質zhi的de熱re釋shi電dian效xiao應ying。熱re釋shi電dian紅hong外wai傳chuan感gan器qi就jiu是shi利li用yong被bei測ce物wu體ti熱re輻fu射she引yin起qi敏min感gan元yuan件jian溫wen度du的de變bian化hua進jin行xing探tan測ce的de。熱re釋shi電dian紅hong外wai傳chuan感gan器qi被bei廣guang泛fan應ying用yong到dao安an防fang監jian控kong
、電子防盜
、自動控製照明和工業自動控製等領域。

物(wu)體(ti)釋(shi)放(fang)的(de)紅(hong)外(wai)線(xian)能(neng)量(liang)十(shi)分(fen)微(wei)弱(ruo)，當(dang)直(zhi)接(jie)用(yong)熱(re)釋(shi)電(dian)紅(hong)外(wai)傳(chuan)感(gan)器(qi)接(jie)收(shou)紅(hong)外(wai)線(xian)時(shi)，靈(ling)敏(min)度(du)相(xiang)對(dui)較(jiao)低(di)，一(yi)般(ban)情(qing)況(kuang)下(xia)很(hen)難(nan)滿(man)足(zu)係(xi)統(tong)需(xu)求(qiu)。為(wei)了(le)提(ti)高(gao)熱(re)釋(shi)電(dian)紅(hong)外(wai)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)接(jie)收(shou)靈(ling)敏(min)度(du)，在(zai)其(qi)表(biao)麵(mian)罩(zhao)上(shang)一(yi)片(pian)菲(fei)涅(nie)耳(er)透(tou)鏡(jing)
，其(qi)探(tan)測(ce)距(ju)離(li)可(ke)以(yi)增(zeng)加(jia)到(dao)原(yuan)來(lai)的(de)5~7倍。菲涅耳透鏡[1]是一種由聚乙烯材料根據菲涅耳原理製成的塑料薄紋透鏡

，對紅外線的透射率大於65%.根據菲涅耳透鏡的工作原理可知
，當有移動物體發射的紅外線進入透鏡的探測範圍，菲涅耳透鏡會產生一個交替的"盲區"和"高靈敏區",reshidianhongwaichuanganqidelianggefanxiangchuanliandeminganyuanjianlunliujianceyundongwuti，xingchengyixilieguangmaichonghou

，jinruchuanganqi。suoyi
，reshidianhongwaichuanganqiwufajiancedaojingzhidewuti。feinieertoujingzaianzhuangshiyureshidianhongwaichuanganqizhijiandejuliyingmanzuyufeinieertoujingdejiaojuxiangdeng。

2 控製係統硬件設計

控製係統硬件組成以MSP430為核心控製器，輔以外圍電路如AD/DA 數據采集處理係統模塊
、熱釋電紅外傳感器模塊、背景光檢測模塊和LED驅動模塊等。其係統硬件框圖如圖1所示。

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2.1 數據采集模塊

2.1.1 物體定位檢測

信號探測采用被動式雙元熱釋電紅外傳感器P2288,bingzaiqibiaomianzhaoshangyigefeinieertoujingyonglaitigaoqitancelingmindu。tayifeijiechuxingshijiancechurentijicheliangfangshechudeweiruohongwaixiannengliangbingzhuanhuachengdianxinhaoshuchu，wutidingweijiancedianlurutu2所示。當P2288探測到有人或者車輛進入到探測區域
，P2288產生一個交變紅外輻射信號，並輸出一個微弱的電壓信號（TTL電平）。

信號經過二級運放後輸入到雙限比較器當中，其中RW3用來調節二級運放的放大倍數
，RW4用來設定兩個門限電平Uref1（U7處）和Uref2（U8處）
，當探測電壓大於Uref1時
，U7輸出高電平
，U8輸出低電平，則D2導通而D3截止，熱釋電OUT 為高電平
；當探測電壓低於Uref2時U7輸出低電平，U8輸出高電平，則D2截止而D3導通，熱釋電OUT為高電平；當探測電壓介於Uref1和Uref2之間時D2和D3都截止，熱釋電OUT為低電平。經過放大和整形的信號輸入到單片機當中。

2.1.2 背景光檢測

guangmindianzushiliyongbandaotideguangdianxiaoyingzhichengdeyizhongdianzuzhisuirusheguangdeqiangdubianhuaergaibiandedianzuqi，rusheguangqiangshidianzuzhijianxiao。beijingguangjiancedianlurutu3（左）所示，三極管的集電極輸出電壓輸入到A/D轉換器當中。由於單片機當中已經集成了高精度的12位A/D 數模轉換器，故選用其內部A/D轉換器
，其模擬量輸入控製範圍在0~5V,由單片機的存儲及其控製寄存器Sref位確定。

當背景光強度強時光敏電阻阻值減小，三極管處在非工作狀態，三極管的集電極輸出低電平；當(dang)背(bei)景(jing)光(guang)強(qiang)度(du)較(jiao)弱(ruo)的(de)時(shi)候(hou)光(guang)敏(min)電(dian)阻(zu)阻(zu)值(zhi)增(zeng)大(da)
，三(san)極(ji)管(guan)處(chu)在(zai)工(gong)作(zuo)狀(zhuang)態(tai)，三(san)極(ji)管(guan)的(de)集(ji)電(dian)極(ji)輸(shu)出(chu)高(gao)電(dian)平(ping)。當(dang)輸(shu)出(chu)高(gao)於(yu)設(she)定(ding)值(zhi)時(shi)
，物(wu)體(ti)定(ding)位(wei)檢(jian)測(ce)子(zi)係(xi)統(tong)開(kai)啟(qi)。

同時為避免由於其他原因（如雷電、光源等）造成的影響，設置路燈開啟判斷時間為30s,30s後單片機檢測到三極管的集電極輸出確實高於預設值時，單片機發出物體定位檢測開啟信號。

2.2 LED恒流源驅動模塊及PWM 驅動方式

LED由於壽命長
、節能、環保和光電效率高等眾多優點，成為了照明領域關注的焦點。根據LED的伏安特性曲線可知
，LED正向伏安特性非常陡
，微小的驅動電壓的波動就會導致LED驅動電流的急劇變化，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驅動電路也麵臨更大的挑戰
，LED驅動電路關係到整個LED照明係統性能的可靠性。因此為防止LED的損壞
，要求所設計驅動能夠精準控製LEDdequdongdianliu。benxitongshejidehengliuyuanshizaihengyayuanmoshikongzhishangzengjialeyigedianliuchuanlianfufankui，hengliuyuandeshuchuzhiyefanyingledianyayuanshuchudedaxiao
，danqikeyijingquekongzhiLED的驅動電流，從而穩定控製LED的亮度。恒流源驅動電路如圖3（右）所示。電流串聯負反饋由U4和Q3組成。

係統采用PWM 對LED光亮度進行調節。用PWM 對LED進行調光實際上是某一固定直流電壓經過以一定頻率打開與閉合的開關，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,開關頻率為f 且閉合周期為t,則有通過LED的平均電流I為：

因此隻要改變閉合周期t就可以改變通過LED的平均電流，進而改變LED的亮度。假設係統輸出的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LED的電流值為：

式中
，t0=Tτ，i為電流的瞬時值，UPWM為PWM的de輸shu出chu電dian壓ya。在zai獲huo得de同tong樣yang的de發fa光guang亮liang度du時shi脈mai衝chong電dian流liu驅qu動dong方fang式shi比bi直zhi流liu電dian流liu驅qu動dong方fang式shi所suo需xu要yao的de電dian流liu值zhi更geng小xiao
，所suo以yi脈mai衝chong電dian流liu驅qu動dong可ke以yi給gei係xi統tong帶dai來lai高gao效xiao性xing。

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3 係統軟件設計

根(gen)據(ju)硬(ying)件(jian)設(she)計(ji)時(shi)各(ge)個(ge)模(mo)塊(kuai)的(de)功(gong)能(neng)和(he)要(yao)求(qiu)
，係(xi)統(tong)軟(ruan)件(jian)的(de)設(she)計(ji)主(zhu)要(yao)是(shi)和(he)硬(ying)件(jian)電(dian)路(lu)相(xiang)結(jie)合(he)。本(ben)次(ci)設(she)計(ji)將(jiang)係(xi)統(tong)功(gong)能(neng)分(fen)為(wei)具(ju)有(you)獨(du)立(li)子(zi)功(gong)能(neng)的(de)控(kong)製(zhi)模(mo)塊(kuai)。

設計采用模塊化的方式更易於閱讀和理解，軟件結構更加清晰，而且利於軟件調試。係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協議等[6]構成。電路上電啟動後
，單片機進行初始化操作
，電路控製係統進入工作狀態
，該係統的工作流程圖如圖4所示。

zaiguidingliangdengshijiannei，ruguobeijingguangqiangdujiaoruo
，shangweijixiangxiaweijifasongkaishigongzuominglinghexinxi
，fouzexiaweijidengdaixiangyingshangweijifasongmingling。xiaweijixiangyinghou，dangyourenhuozhecheliangjinruhongwaitancequyudanpianjigenjubeijingguangdeqiangdu
，shuchumaikuantiaozhixinhaoPWM,驅動控製器點亮LED,保證LED光強度足以滿足路麵的可見度。如果下位機沒有探測到紅外信號，路燈LED熄滅。

圖4 係統流程圖

4 實驗結果及分析

由於到達現場進行實驗有一定的難度，所以實驗仿真隻對人體紅外信號進行了檢測。設置係統規定亮燈時間段為PM 6:00~7:00,jiangreshidianhongwaichuanganqigudingzaishiyanshitaishang，chuanganqideshuchuduanjiezaishiboqidetantoushang

，renzouxiangchuanganqitancequyu，guanchashiboqishangyouwuboxingshuchu。ceshijieguorubiao1所示
，A表示傳感器沒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

，係統可以精確控製智能路燈的開啟時間；菲涅耳透鏡可以顯著提高傳感器的探測靈敏度。

測試恒流源驅動電路的時候選用1 W 的大功率LED燈珠
，通過調節PWM 的占空比來檢測通過LED的電流值。如果LED亮暗的頻率超過100Hz,人眼看到的就是平均亮度，而不是LED的閃爍。實驗仿真設定PWM 輸出信號的頻率為1kHz,實驗仿真結果如表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係。恒流源驅動電路雖然簡單
，但其性能非常優秀。

5 結 語

研究設計智能化、運行可靠和高效節能的路燈控製係統，是智能交通係統的必然需求。係統以低功耗單片機為係統控製核心，使用RS-485通信協議完成上位機對下位機的控製，通過熱釋電傳感器探測人與車輛發出的紅外信號，利用MSP430的內部資源PWM 實現了路燈的智能調光控製。係統設計完全從節能和性價比的角度出發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
，該係統有著十分廣闊的社會和商業前景。


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