基于MSP430的LED路灯节能控制器设计

张秋艳，张俊霞，李渊博

(榆林学院能源工程学院，陕西 榆林 719000)

引言

随着社会发展，生活水平的提高，我国城市路灯照明系统逐渐完善，但依然存在一定的问题，如整夜亮着的霓虹灯和路灯使得夜晚灯火通明，给漆黑的街道添了一道靓丽的色彩，给走夜路的行人带来了安全。但同时，在这光鲜亮丽的背后是一页页的能源消耗清单，浪费了大量不必要的资源[1，2]。因此采用新的模式对路灯实现智能控制代替传统的定时控制对促进国民经济发展发挥着至关重要的作用。本设计采用MSP430芯片为核心，利用内置定时器、光电传感器、声音传感器等，检测人员和车辆的活动情况，达到在不同情况下进行路灯的亮度调节，从而实现人性化无人操作，且更加节约资源。

1 系统整体方案设计

该路灯节能控制器设计采用MSP430F149主控芯片，电源电路，无线传输模块，光电对射式红外传感器，声音传感器，GY-30光敏电阻传感器， LCD12864液晶显示电路，LED驱动电路等，其系统结构如图1所示。利用GY-30光敏电阻传感器测量外界亮度变化，将检测到的亮度信息传输到主控芯片中，并在LCD12864液晶显示器上显示当前光强。当光强小于规定值时，声音传感器和对射式红外传感器开始工作，实时监测道路车辆人员的流动情况，主控芯片MSP430将各个传感器传过来的数据进行分析、对比，然后控制LED驱动电路对LED灯进行调节控制;同时，将车流量信息通过无线传输技术，传送到PC上位机，便于工作人员实时监测与控制。

图1 系统结构图Fig.1 System structure

2 硬件部分设计

2.1 电源模块

该系统使用具有不同电压值3.3 V～5 V～12 V的电源，本设计采用电源转换电路实现，如图2所示。其原理是：由市电220 V交流电压经过变压器后转化为了两个18 V输出的电压，将其接到了P4电源的接线端子上，然后被流器D1转化成两个18 V的直流输出电压。LED1和LED4两个指示灯发光表示电路正常并能正常工作。EI，E2，E3，E4，C1，C4六个电容负责滤波。P4接线端子一端的输出电压通过稳压元件LM317和其匹配电阻R2，通过滑动变阻器POT1将电压转化为5 V的直流电压，而另一端的输出电压则通过稳压元件LM337和其匹配电阻R12，通过滑动变阻器POT2将其转化为-12 V的输出电压，两端电压输出到接线端子P6上，最后由P6端口对单片机和系统中的传感器进行供电。其Proteus仿真如图3所示，由仿真结果可知，该电源电路设计方案是切实可行的，两端的输出电压都达到了预定的值。

2.2 信号采集模块

信号的采集包括光强采集、声音采集以及人流量采集等信号。其中①光强信号的采集由光敏电阻传感器GY-30实现，其模块内置16位AD转换器，可以直接将光强信号转换成可供主控芯片直接传输的数字信号[3，4]，并避免使用专用的AD转换模块，降低系统功耗并节省系统空间。如图4中的光敏电阻传感器模块为光敏电阻传感器接口，其模拟I2C连接，可进行接收数据和收发数据。数据传输开始时，SCL为高电平，SDA为低电平。结束信号传输时，SCL为高电平时，SDA为高电平。传感器的I2C其内部采用ROHM原装BH1750FVI芯片[5，6]；光照度范围为0～65 535 lx；数据线SDA接P1.1口，时钟信号线SCL接在P1.2口，因为程序里ADDRESS地址为地址为0xA6，因此ADDR接口需要接地。当传感器工作时，它直接输出数字信号，省略复杂的计算，省略校准，不区分环境光源而且拥有的分光特性可接近于人类的视觉灵敏度，检测到光强后，传感器通过I2C将数据发送到MSP430单片机里。②人流量采集部分，采用E3F-5DP1/E3F-5L型红外光电开关传感器[7]，它的检测距离比普通传感器更远。当红外发射检测车辆人员等信息时，通过对射开关管的启停，对应输出高低电平，由P1.0口检测高低电平的变化，来检测道路的车人流量信息。③声音采集部分，采用YL-56声音传感器，其可以根据震动原理检测周围环境的声音强度，可直接输出高低电平来模拟环境中的是否有人车通过。当模块未达到环境声音设定值时(由滑动变阻器控制)，输出高电平，当声音强度超过设定值时，输出低电平。输出口接在P2.3，与对射式红外传感器共同检测道路的车人流量信息。

图2 电源转化电路Fig.2 Power conversion circuit

图3 电源转化仿真图Fig.3 Power conversion simulation diagram

2.3 NRF24L01无线收发模块

本设计中信息传输模块采用NRF24L01无线收发芯片,如图4中的无线传输模块。NRF24L01芯片是一款真正的GFSC单方收发芯器片，工作在2.4～2.5 GHz之间,并且拥有一套自己的协议，所以在通信的时候，它也只能和NRF24L01系列的芯片通讯[8]。本设计利用单片机将其配置不同的模式。配置为传输发送模式后，待发送的数据由单片机写入，并自动发送出去；配置成接收模式以后，单片机通过观察它的IRQ引脚，就可以知道是否接收到了数据，IRQ为低电平，表示已收到数据，微控制器可以通过SPI口检索接收到的数据。整个模块使用3.3 V输入，并具有增强型 ShockBurst TM 功能，用于自动应答和自动重发。无线传输速率在1～2 Mbps，SPI接口速率在0～8 Mbps之间。在整个系统中，它的作用是将单片机信息传输到另一个NRF24L01模块，然后通过串口转换发送到电脑中去。

图4 主要硬件电路图Fig.4 Main hardware circuit

2.4 LED驱动电路

考虑到强电与弱电之间的干扰问题，本设计引入光电耦合隔离电路，并通过零点检测电路进行智能控制LED的光亮程度。如图4中过零检测电路，电压通过两个限流电阻R4、R9，传输到整流桥里，整流后，连接到P521光耦中产生脉冲并进入微控制器的P20端口，由MSP430F149的中断脚P1.6和P1.7实现过零控制。

LED驱动电路，本次设计采用晶闸管驱动电路，另外加有电源提示功能，其电路如图4的LED驱动电路。其中，BT136-600D是一种三端双向可控硅元器件，特点是击穿电压高，电流大，可用于电路板调压，电路板调温，电路板调速和电路板调光等的系统中，本次设计将其用于调光。MOC3023是一款光电耦合器，采用摩托罗拉芯片，其主要作用是实现光电隔离式的开关控制，利用过零电路产生的脉冲信号，通过单片机的中断脚P1.6和P1.7进行通断控制，当P1.6和P1.7输出低电平时，LED2和LED3指示灯发光，MOC3023内部发光二极管接通，双向可控硅开启。反之则关闭，进而对火线进行接通关闭操作。晶闸管T1极接AC电源火线，G极接三端双向可控硅开关，T2极连接到输出。LED具有余晖效应，当开关通断时间小于特定值时，就只是亮度发生了变化,从而实现亮度调节的目的。

2.5 按键报警显示电路

为了丰富路灯节能的智能控制，本设计增加了按键电路、报警电路及液晶显示电路。按键电路：采用上拉电阻型的按键模块，其中，S1负责PWM调节的模式切换，接在P6.3端口；S2负责在模式二的时候对PWM输出占空比进行增加操作，接在P6.4端口；而S3负责进行减小操作，接在P6.5端口，从而实现，人工手动调节模式的节能控制功能。报警电路：当驱动电路发生故障时，在模式二的情况下PWM 输出占空比为0和100%时蜂鸣器发出响声提示。该电路接在微控制器的P2.1端口，由三极管NPN8050驱动报警功能， 该三极管的2为基极，1为发射极，3为集电极，4.7 kΩ的限流电阻R11串联在三极管基极与单片机接口之间，确保三极管和电路的稳定运行。显示电路：系统采用并行数据接口连接LCD12864显示器,RS是指令数据选择端，与单片机P5.4相连；D0～D7是数据口，与MSP430单片机的P4.0～P4.7引脚相连；E是使能信号端，RST是复位模块，分别与P5.7和P5.1相连；引脚RW是读写选择端，当RW置1时，数据被读到D0～D7，当RW置0时，数据从D0～D7写出。POT3则是一个可变电阻，一端接上+3.3V的VCC电源，一端接地，当LCD12864与单片机接线以及电源供电完成后，通过调节可调电阻POT3的阻值来调节VLCD上的电压，阻值调节到适当的区域以内后，液晶屏就会有合适的对比度。

3 系统软件部分设计

主程序是路灯节能控制系统的重要组成部分，其主流程如图5所示，当接通电源后，整个程序首先初始化、清零。光敏电阻传感器根据光敏电阻阻值变化引起的电流变化采集光强数据，然后将其传递到模块内置AD转换器里，将转换后的数字信号传送到单片机里；当外界光强大于限值时，进一步采集声音传感器和红外传感器信息，从而获得当前人流量信息，通过当前人流量信息，进行调节占空比，来控制LED驱动电路，从而智能调节路灯亮度；同时将采集到的相关信息进行LCD12864实时显示。考虑到突发情况，本设计增设人为手动按键无线控制方式调节占空比来控制路灯明暗程度的功能，使得设计更加人性化。此外，在软件设计中，采用一定的数字滤波算法，减少外界干扰及系统中强电与弱电引入的噪声干扰等因素，降低测量误差，如对光强检测信息每3 s检测一次，避免光强数据波动速度太快造成的误判断。整个系统采用间歇工作模式，合理利用MSP430F149控制器多种低功耗模式，这从一定程度降低了系统的整体功耗；并运用微控制器内部定时器的比较模式解决系统时钟问题，避免使用专用时钟芯片，可进一步降低系统功耗。

图5 系统总流程图Fig.5 System main program flow chart

4 系统测试

图6 硬件实物图Fig.6 Hardware testing system

通过系统的硬件和软件设计，搭建硬件测试系统，如图6所示。系统利用光敏电阻模块、红外传感器和声音传感器对光强、人流量等信息进行采集，传输到主控芯片里，然后经过对比分析对输出占空比进行适当的调节，能够起到智能控制路灯的作用，并且通过无线收发模块，将现场检测信息传输到上位机中，可实时监测路灯使用情况，如遇到特殊情况，可远程发送指令，远程手动控制路灯，实现人性化的智能节能控制。通过对整机进行测试，通过不同情况，进行自动调节及其控制状态如表1所示。硬件测试表明，该设计可实现预设功能，且反应灵敏，调节迅速。

表1 路灯工作模拟情况

5 结束语

本设计是基于MSP430F149单片机的LED路灯节能设计，该控制器具有夜间自动调光的功能，能够收集路上的人流量等信息，可进行无线远程电脑控制。该设计具有低功耗、体积小、操作简单等特点，远程控制也使其应用更加便捷。