智能型节能自控路灯
2017-04-22姜俊鹏丁辉胡春华
姜俊鹏 丁辉 胡春华
摘 要：为了使夜间城市路灯能够更加环保和智能化，在普通的城市路灯中引入红外模块、光敏模块、声控模块等，设计了基于Msp 430单片机的智能路灯控制系统方案，此系统设计各个模块之间相互协作，通过对周围环境的测量来控制路灯的照明，其工作稳定、可靠、智能、实用性强。
关键词：太阳能 智能控制系统 发明创新
中图分类号：TU113.6 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）11（c）-0003-02
1 引言
1.1 研究背景及意义
根据相关调查，我国小城市在十点以后，大中城市在一点以后，道路上几乎空无一人，而国内路灯照明系统大多采用“常亮”或者“间隔亮灯”的工作模式，电能浪费严重，而且会造成光污染。但如果城市缺少照明又会影响交通安全并且使犯罪率上升。為了更好地达到节能目的，有些国家和地区开始采用太阳能供能光控方式来控制路灯，但市场上大多数的路灯节能控制产品，在功能和效果上还不尽人意。鉴于上述分析，国内的智能路灯在智能控制方面还有很大的提升空间，为此设计一种基于msp430单片机的智能型节能路灯，在实现节能的同时也包含了智能控制的理念。
1.2 研究现状分析
（1）电源的稳定性和供电的及时性：太阳能供电收受外界环境影响较大，供电能力稳定性。
（2）追光系统的准确性和及时性：保证电池能最大程度接收太阳能。
（3）单片机控制的速度和稳定性：能够在多变的环境中始终保持稳定的工作状态，并及时对当前工作环境做出正确反映。
（4）传感器的抗干扰能力和灵敏度。
结合智能控制系统以及各类模块，设计了基于低功耗msp430单片机的智能节能自控路灯。
2 系统简介
2.1 系统总体框架
该智能路灯由msp430单片机控制模块、光敏传感器模块、声控开关模块、人体红外传感器模块、电机驱动模块、电源模块等部分组成。
2.2 功能简介
该智能路灯配有光敏模块，能够判断当前环境是否需要照明；单片机控制模块能够对各传感器传回的数据进行有效处理，判断当前的环境，然后发出控制信号，通过电机驱动模块和LED灯驱动电路调整路灯的亮度。
2.3 实现原理
2.3.1 传感器模块
由人体红外感应模块、声控开关和光敏传感器组成。光敏传感器感应白天、黑夜及太阳的方位；人体红外感应模块和声控开关感应是否有人通过路灯。
光敏传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，其敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。光敏传感器的种类繁多，常见类型如下：光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管等。该系统采用的是光敏电阻，其具有较高的精度、稳定可靠的工作能力和较长的使用寿命。该系统共有4个光敏传感器，相互配合，形成“追光”能力，获得最佳的照射角度。同时能够根据光强判断当前的工作环境是否需要照明，进而节省电能。
人体红外感应模块和声控开关感应是否有人经过路灯。人体红外具有两种触发方式：不可重复和可重复。不可重复触发方式：感应输出高电平后，延时时间一结束，输出将自动从高电平变为低电平；可重复触发方式：感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围内活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平（感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点）。考虑实际情况，在有人期间LED灯保持较高亮度，故选择重复触发方式。为确保系统工作的可靠性，在使用人体红外感应模块的基础上，增加声控开关模块。两者均可在黑暗的环境中控制灯的工作。其触发方式与人体红外感应模块基本一致，此处不再赘述。
2.3.2 msp430单片机控制模块
msp430单片机是整个系统的核心模块，主要分为两个主要部分：接收传感器的返回信号并进行处理；发出控制信号，控制系统的正常运作。
人体红外感应模块和声控开关模块的输出形式均为数字开关量输出（高低电平），可定义msp430的I/O端口来接收信号。而光敏传感器则是模拟量输出形式，需要进行AD转换才可以使用。msp430单片机内部集成有12位高精度AD转换模块，能够满足系统的精度要求。通过对人体红外和声控模块的高低电平检测，能够判断是否有人经过路灯。而通过AD转换，可以精确地了解光强的情况，判断所处环境。
获取各传感器的数据后，对其进行滤波，综合分析，输出PWM信号高低电平，通过电机驱动模块和LED灯驱动电路控制系统的运行状态。
2.3.3 驱动模块
该系统的驱动模块分为两部分：电机驱动模块和LED灯驱动模块。考虑到电机的转速极低，直接使用高低电平控制继电器的开关，进而控制电机的正反转。而LED的亮度要求连续可调，选用了MOS驱动电路模块，该电路的电流承受能力和耐受电压能力均较强，输入电压的范围较宽，工作稳定可靠，完全能够满足该系统的要求。
2.4 软件设计
PWM初始化程序代码：
#include "MSP430F5529.h"
void Timer_A0_1_init（）
//TA0.1输出PWM 由P1.2 P1.6输出
{
TA0CTL |= TASSEL_1+MC_1；
//ACLK，增计数
TA0CCTL1 = OUTMOD_7；
//输出模式7
TA0CCR0=655；
//时钟频率为32768HZ，100HZ
TA0CCR1=49；
//占空比CCR1/CCR0=1/3
}
void Timer_A1_1_init（）
//TA1.1输出PWM 由P2.1 P2.2输出
{
TA1CTL |= TASSEL_1+MC_1；
//ACLK，增计数
TA1CCTL1 = OUTMOD_7；
//输出模式7
TA1CCR0164；
//時钟频率为32768HZ，波形199HZ
TA1CCR1=123； //占空比3/4
}
void Timer_A1_2_init（）
//TA1.2输出PWM 由P2.4 P2.5输出
{
TA1CCTL2=OUTMOD_7；
TA1CCR2=41； //占空比1/4
}
void IO_init（）
{
P1SEL|=BIT2+BIT6；
P1DIR|=BIT2+BIT6；
//P1.2 P1.6输出 TA0.1 OUT1
P2SEL|=BIT4+BIT5；
P2DIR|=BIT4+BIT5；
//P2.4 P2.5输出 TA1.2 OUT2
P2SEL|=BIT1+BIT2；
P2DIR|=BIT1+BIT2；
//P2.1 P2.2输出 TA1.1 OUT1
}
void main（void）
{
WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD；
IO_init（）；
Timer_A0_1_init（）；
Timer_A1_2_init（）；
Timer_A1_1_init（）；
while（1）；
_BIS_SR（CPUOFF）；
// Enter LPM0 进入低功耗模式0 }
3 特色说明
（1）利用太阳能：太阳能是一种新兴的可再生能源，其使用没有地域的限制，绿色环保。
（2）采用LED照明：节能效果好，具有单向辐射特性，能量转化效率非常高，理论上与白炽灯比较能达到90%的节能，寿命超长，性能稳定。
（3）采用MSP430超低功耗单片机：白天单片机进入储电状态，夜间进入智能照明工作状态。工作稳定，节能环保。
（4）智能追光系统：控制太阳能电池板的角度，使其一直正对太阳，能最大程度地接收太阳能。
（5）智能控制系统：人体红外传感器，声控开关和光敏传感器联合作用，工作稳定，可靠，智能。
4 结语
针对智能型节能路灯，利用太阳能电池板提供电力，并有效结合传感器技术和单片机控制技术，能够对光照、行人进行检测，各个模块相互协作，以实现对路灯的自动控制。硬件设计过程中采用模块化设计思想，提高了系统的可靠性。该系统所用器件的选择均以性能稳定、安全可靠为原则，工作可靠，价格低廉。
参考文献
[1] （苏联）格林什捷因.工业自动装置中的光敏电阻[M].上海科学技术出版社，1965.
