基于MSP430单片机的节能型路灯

2万 · 2012-9-8 09:10

本系统通过太阳能电池板配合升压稳压模块将太阳能转换为电能储存在电池中；光敏模块判断白天黑夜；热释电模块判断是否有人经过路灯；驱动模块驱动大功率LED；MSP430单片机通过控制输出PWM的占空比来控制大功率LED的亮度。整个系统可以实现利用太阳能来进行低功耗照明。
With the boost regulator module of the system by the solar panels to convert solar energy into electrical energy stored in batteries; photosensitive module judgment day and night; pyroelectric module can determine if someone passing by the street lamps; driver modules drive high-power LED; MSP430 MCU controls the brightness of high power LED by controlling output PWM duty cycle. The entire system can be achieved using solar energy to low power lighting.
1. 引言背景：目前校园的白炽路灯系统大多都是整夜打开并且亮度固定不可调，这样没有人经过的时候便会白白浪费很多电能。而点亮多盏白炽灯必定会消耗很多电能，电能利用率低。产业界电能应用发展的趋势必然是低功耗节能，并且使用无污染的新能源。而太阳能便能符合无污染、取之不尽用之不竭等特点。LED具有1）节能效果好；2）发光效率高；3）寿命超长，性能稳定等特点。
目的、所要解决的问题：基于此，我们想到了将TI的MSP430单片机的超低功耗、太阳能的无污染免费使用以及LED的节能相联系组成一个完善的照明系统，以此来实现低功耗、高效利用电能、绿色、环保。
2. 系统方案本项目的主要功能：当是白天时（光线较强时），不需要开灯，系统进入节能的超低功耗休眠模式，此时太阳能向电池充电；当傍晚来临时，系统发出微弱的光线以达到一定照明的目的（此时没人通过该路灯）；当有人通过该路灯时，系统发出较强的光线；当人走远后，系统自动转到“微弱的光线”模式以等待人的通过。
本项目主要分为电源模块、传感器模块、单片机控制模块、LED路灯模块。
1）电源模块：由光电板、升压稳压电路、电池、降压稳压电路组成。光电板将白天的太阳能转换为电能，并经过升压稳压电路为电池充电（使用升压电路是因为成都大多是阴天，晴天比较少见，光电板输出的电压不够为电池充电）。电池作为整个系统的供电源，为单片机等模块供电。电池与各个模块之间有一个降压稳压电路，该降压稳压电路将电池的12V电压降压到所需的9V、5V、3.3V。
2）传感器模块：由热释电电路和光敏电路组成。光敏电路将感应白天和黑夜；热释电电路感应是否有人通过路灯；
3）LED路灯模块：由大功率LED驱动电路、大功率LED组成。驱动电路采用CAT4201芯片，组成降压变换驱动电路。该芯片驱动LED电流可达350mA，能量利用率高达94%。路灯为1W暖色大功率LED，寿命为50,000小时，输出光通亮为70-80LM（流明）。
4）单片机模块：该模块负责对系统进行控制。白天时，光敏电路发给单片机一个高电平，单片机进入低功耗模式（此时热释电电路不工作）；晚上时，光敏电路发给单片机一个低电平，单片机退出低功耗模式,进入待机模式，没人经过路灯的时候，热释电电路发给单片机一个低电平，此时单片机输出一个较低占空比的PWM波给LED驱动电路，LED发出相对微弱的光（由于PWM占空比可通过程序改变，所以微弱光的强度也可调）；当有人经过路灯时，热释电电路发给单片机一个高电平，此时单片机输出一个较高占空比的PWM给LED驱动电路，LED发出较强的光（光强也可通过程序调动）；当人通过路灯慢慢走远时，热释电电路将发给单片机一个低电平，LED发出较微弱的光。
3. 系统硬件设计1）电源模块由光电板、升压稳压电路、电池组成。光电板与电池不用过多介绍，升压稳压电路我们采用MC34063芯片,该芯片的输入电压范围为2.5—40V，输出电压可调范围为1.25—40V，输出电流可达1.5A，工作频率最高可达180KHZ，MC34063还具有输出低静态电流、短路电流限制等特点。由于性价比高，所以我们选择了这款芯片。模块框图如下

降压稳压电路我们采用LM1117-3.3V、LM1117-5V以及LM317。
LM1117是一个低压差电压调节器。其压差在1.2V输出，负载电流为800mA时为1.2V，提供1.8V、2.5V、2.85V、3.3V、5V稳压，并且还提供电流限制和热保护。使用极其方便，且价格低。LM317是可调节3端正电压稳压器，在输出电压范围1.2V—37V时能提供超过1.5A的电流，使用方便，价格便宜！其方框图如下图所示：

2）传感器模块由热释电电路和光敏电路组成。热释电技术比较成熟，其框图如下图所示

光敏电路由光敏电阻、比较器以及继电器等元器件组成，通过光强变化引起电阻变化来分压，再经过比较器比较输出。输出高电平表示白天，低电平表示黑夜。继电器接收单片机的指令进行开关LED驱动的电源。
3） LED路灯模块由LED驱动以及大功率LED组成。驱动芯片采用CAT4201，该芯片具有的特点如下：LED驱动电流可达350mA；6-28V宽电压工作范围；最多可驱动1W*6颗LED；BOOST工作方式，高效率；电流设定恒流精度高；封装小，空间利用率高；可并联使用，驱动功率可倍增。其典型应用图如下：

LED为1W大功率暖白LED，正向电流可达350mA，输出光通量为70-80LM（流明），正向电压3.3-3.6V，反向电压5V，功耗1W，寿命50,000小时，发光角度100-110度
4. 系统软件设计

5. 系统创新该系统的创新之处主要体现在以下几点：
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，可直接开发和利用，且无需开采和运输；开发太阳能不会造成环境污染，它是最清洁能源之一；其能量总量大，取之不尽用之不竭。
2）采用LED照明。LED的节能效果好，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，相比荧光灯也可以达到50%的节能效果。LED的发光效率高，理论上其效率可达到300lm/W以上，其发光效率为荧光灯的约1.7倍，白炽灯的11.5倍。除此之外，LED的寿命超长，性能稳定。
3）采用MSP430超低功耗单片机。白天单片机进入低功耗模式，系统进入等待状态，等待黑夜唤醒(当初决定白天不用0占空比的PWM控制LED的关闭主要是考虑到输出PWM时,不能进入低功耗模式,不能发挥430单片机低功耗的特点，所以我们使用了继电器来控制LED驱动是否工作)。从而充分的节能。
4）系统中突出使用了低功耗模式,除了处理中断时候,在其他时间,单片机都处于低功耗模式.
5）使用的TI的芯片：LM1117-3.3 LM1117-5.0 LM317 MSP430F149
6. 评测与结论光照照射光敏电阻，以此来模拟白天，单片机休眠；阻止光照射光敏电阻，以此来模拟黑夜，此时单片机退出低功耗模式，进行工作，LED能够发出相对微弱的光（无人通过时）；当有人通过路灯的时候，热释电模块能够识别到，并且发送信号给单片机，单片机对LED的亮度能够进行控制；当人离开路灯之后，热释电能够发送信号给单片机，单片机再对LED的亮度进行控制。太阳能充电模块也能给电池充电。
该系统易于实现，应用广泛且扩展性强。这里只演示一盏灯，假设有多盏灯时，人从街道口走到街道尽头便可实现类似于“流水等”的效果。光的亮度可调节，可以改变成现在流行的“呼吸灯”，即灯的亮度逐渐变亮和变暗。
该系统也可应用于舞台，试想明星在灯光的衬托下登场亮相，是多么的炫啊！（这里是全自动控制的）除此之外，该系统还可应用于家里的照明灯，也使得居家生活更加智能化，这也是未来电子产业的发展方向！
总体来说，该系统能实现预期的指标，并且能具有低功耗、高效利用电能、拓展性强、绿色、环保等特点。