【導(dǎo)讀】隨著太陽能照明技術(shù)的發(fā)展，近幾年太陽能路燈行業(yè)發(fā)展迅速，規(guī)模不斷擴(kuò)大，本文介紹了脈沖寬度調(diào)制技術(shù)PWM控制LED暗亮的原理，設(shè)計(jì)了一種。基于MSP430F149單片機(jī)的太陽能LED路燈照明節(jié)能控制系統(tǒng)的控制器。器包括硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件電路的設(shè)計(jì)，硬件部分給出了控制器硬件電路原理圖，設(shè)計(jì)了LED恒流驅(qū)動(dòng)電路、單片機(jī)控制電路、傳感檢測電路和鍵盤顯示電路。LED的可控性，實(shí)現(xiàn)最佳照度控制，達(dá)到節(jié)能目的。關(guān)鍵詞：LED恒流驅(qū)動(dòng)；MSP430單片機(jī)；LED照明；PWM控制；亮度自適應(yīng)節(jié)能控制。

　　

【正文】 4 μA 普通環(huán)氧樹脂封裝樣品光電流 Ev=5Lux 58 Ev=10Lux 113 Ev=100Lux 758 Ev=200Lux 1318 Ev=500Lux 2620 Ev=1000Lux 4060 納米環(huán)氧樹脂封裝樣品光電流 Ev=5Lux 36 μA Ev=10Lux 69 Ev=100Lux 394 Ev=200Lux 643 23 Ev=500Lux 1192 Ev=1000Lux 1905 響應(yīng)時(shí)間 Tr 2 μS Tf 2 μS 光電傳感電路 Po188 光電集成傳感器 在 可見光范圍內(nèi)高度敏感 ， 輸出電流隨照度呈線性變化 ，輸出電流范圍為 0～ 4mA，通過 750Ω的電阻接地，輸出電壓范圍為 0～ 3V，電壓輸入給 MSP430F149 單片機(jī)，單片機(jī)通過輸入信號(hào)控制 LED 燈的亮度。光電傳感電路如圖 310 所示。 Po188750R3+5GND 圖 310 光電傳感電路 實(shí)時(shí) 時(shí)鐘電路 DS1302 是美國 Dallas 公司推出的一款高性能、低功耗、帶 RAM 的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片。 DS1302 時(shí)鐘芯片引腳簡 介 Vcc21X12X23GND4CE5I/O6SCLK7Vcc18DS1302 圖 311 DS1302 芯片引腳圖 由上圖可以看出，該芯片只有 8 個(gè)管腳，這樣使用起來很簡單，只需要簡單的外 24 圍電路。下面對具體管腳進(jìn)行介紹。 表 5 實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片 DS1302 引腳功能表 芯片功能介紹 ◆ 時(shí)鐘計(jì)數(shù)功能，可以對秒、分鐘 、小時(shí)、月、星期、年的計(jì)數(shù)。年計(jì)數(shù)可達(dá)到2100 年，閏年可自行調(diào)整，可選擇 12 小時(shí)制和 24 小時(shí)制，通過設(shè)置 AM/PM 來實(shí)現(xiàn) ； ◆ 有 31 個(gè)字節(jié) RAM 可以存放數(shù)據(jù)； ◆ 最少 I/O 引腳傳輸，通過三引腳控制； ◆ 管腳電壓： ～ ； ◆ 工作電壓： 2～ ； ◆ 低功耗，在 2V 電壓工作時(shí)，電流小于 320nA； ◆ 讀寫時(shí)鐘寄存器或內(nèi)部 RAM 可以采用單字節(jié)模式和突發(fā)模式； ◆ 8pin DIP 封裝或 8pin SOIC 封裝； ◆ 兼容 TTL（ 5V）； ◆ 可選的工業(yè)級(jí)別，工作 溫度 40～ 85 攝氏度。 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路 本設(shè)計(jì)選用 DS1302 時(shí)鐘芯片，有圖可知，該時(shí)鐘電路非常簡單，在 X1 和 X2引腳跨接 的石英振蕩器和 6pF 的微調(diào)電容，構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器。 Vcc1管腳為備用電源輸入，可以不使用，如果需要使用時(shí)，可以外接電池或者充電電容。DS1302 在工作的時(shí)候，在 Vcc2 和 Vcc1 兩個(gè)管腳中，選擇電壓高的那個(gè)管腳的電源作為工作電源。 DS1302 的 CE、 I/O 和 SCLK 管腳主要與單片機(jī)的一般 I/O 口進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，從而使單片機(jī)能夠?qū)?DS1302 進(jìn)行讀寫操作 。為了減小干擾，芯片的電源輸入端加上相應(yīng)的電容進(jìn)行濾波處理。具體實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路如圖 312 所示： 引腳號(hào) 符號(hào) 引腳功能 1 Vcc2 電源管腳，主電源 2 X1 外接 晶振的管腳 3 X2 4 GND 接地管腳 5 CE 片選管腳 6 I/O 數(shù)據(jù)輸入 /輸出管腳 7 SCLK 串行時(shí)鐘輸入管腳 8 Vcc1 電源管腳，備用電源 25 Vcc21X12X23GND4CE5I/O6SCLK7Vcc18DS13026pFC176pFC1812Y3GNDGND+5Vcc1uFC16C15GNDBT1GND 圖 312 實(shí)時(shí) 時(shí)鐘電路 鍵盤 及顯示 電路設(shè)計(jì) 顯示電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用顯示模塊 LCD1602 字符液晶顯示， 1602 液晶顯示模塊管腳及功能介紹如表 6。 表 6 LCD1602 引 腳功能 表 液晶八位數(shù)據(jù)線分別由總線由高位到低位對應(yīng)連接到單片機(jī)的 P2 口，寄存器選擇腳 RS、讀 /寫操作 R/W 選擇、使能端 E 分別對應(yīng)連接單片機(jī)的 、 、 ，引腳號(hào) 符號(hào) 引腳功能 1 VSS 電源地 2 VCC +5V邏輯電源 3 VL 液晶驅(qū)動(dòng)電源 4 RS 寄存器選擇 5 讀 /寫操作選擇 6 E 使能 714 D0～ D7 數(shù)據(jù)總線與單片機(jī)的數(shù)據(jù)線相連，三態(tài) 15 BLA 背光電源 16 BLK 背光電源地 26 VL 接滑動(dòng)變阻器的中性端，用以調(diào)節(jié)背光亮度， BLA 經(jīng) 1K 電阻接電源， BLK 接地，具體 LCD 液晶顯示電路如圖 313 所示。 GNDGND10KR14+51KR15+5GNDVSS1VDD2VL3RS4R/W5E6D07D18D29D310D411D512D613D714BLA15BLK161602LCD 313 LCD 液晶顯示電 路 鍵盤電路設(shè)計(jì) 獨(dú)立式鍵盤的各個(gè)按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵獨(dú)立地與一根數(shù)據(jù)輸入線（單片機(jī)并行接口或其他芯片的并行接 口）連接。獨(dú)立式鍵盤配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單，但每個(gè)按鍵必須占用一根接口線，在按鍵數(shù)量多時(shí)，接口線占用多。所以，獨(dú)立式按鍵常用于按鍵數(shù)量不多的場合。 鍵盤電路如圖 314 所示。 1234567816151413121110910KR6S3S2S1S4GND S5 27 圖 314 鍵盤電路 由于本設(shè)計(jì)中鍵盤按鍵數(shù)目較少，因此選用獨(dú)立式鍵盤。獨(dú)立式鍵盤采用一鍵一線，各鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵各接一條 I/O 口線，通過檢測 I/O 輸入線的電平狀態(tài)，可以很容易地判斷哪個(gè)按鍵被按下。上拉電阻保證按鍵釋放時(shí)，輸入檢測線上有穩(wěn)定的高電平。 電源電路 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的供電質(zhì)量是整個(gè) 太陽能路燈控制器 穩(wěn)定可靠工作的 保證，這就要求能夠提供穩(wěn)定的電源模塊 。在該系統(tǒng)中，總電源是 12V 的太陽能蓄電池，由于白光 LED 驅(qū)動(dòng)芯片 HV9910 的 Vin 管腳的最小電壓為 8V，本系統(tǒng)中對該管腳的供電為 12V，另外， MSP430 系列單片機(jī)的工作電壓一般是 ～ ,本設(shè)計(jì)中取 電壓給單片機(jī)供電，其他芯片器件工作電壓為 +5V，所以本系統(tǒng)的電源電路必須提供12V、 5V 和 的電壓。 12V 轉(zhuǎn) 5V 電路 12V 轉(zhuǎn) 5V 電路采用 美國 TI 公司生產(chǎn)的 1A 集成穩(wěn)壓電 源芯片 LM2575， 它內(nèi)部集成了一個(gè)固定的振蕩器，只須極少外圍器件便可構(gòu) 成一種高效的穩(wěn)壓電路，可大大減小散熱片的體積，而在大多數(shù)情況下不需散熱片；內(nèi)部有完善的保護(hù)電路，包括電流限制及熱關(guān)斷電路等；芯片可提供外部控制引腳。是傳統(tǒng)三端式穩(wěn)壓集成電路的理想替代產(chǎn)品。 圖 315 所示為具體的 12V 轉(zhuǎn) 5V 電源電路圖。 100uF/35VC25220uF/10VC264IN5817330uHL3+12GND GND+5VIN1OUT2GND3FB4ON/OFF52LM2575 圖 315 12V 轉(zhuǎn) 5V 電源電路 由上圖可以看出，該電源電路非常簡單，只需要簡單的外圍器件。 將穩(wěn)壓輸出的電壓接到反饋輸入端 FB 的目的是同內(nèi)部電壓基準(zhǔn)比較，若電壓偏低，則用放大器來控制內(nèi)部振蕩器以提高輸出占空比，從而提高輸出電壓。 5V 轉(zhuǎn) 電路 5V 轉(zhuǎn) 電路 采用 TI 公司的 TPS76033 作為電源芯片，該電源芯片輸出電壓為 28 ，電流為 50mA，完全能滿足大多數(shù)低功耗應(yīng)用場合的要求，也能滿足本系統(tǒng)的功耗要求。圖 316 所示為具體的電路圖。 IN1GND2EN3NC4OUT5 3( )TPS706633C23(C?)C24(C?)+5GND GND GNDC21(C?)GND 圖 316 5V 轉(zhuǎn) 電源電路 由上圖可以看出，該電源電路非常簡單，只需要簡單的外圍器件。此外，為了減少干擾，芯片的輸入端和輸出端都加上相應(yīng)的電容進(jìn)行濾波處理。 系統(tǒng)整體原理圖 [15] 見附錄 29 4 軟件電路設(shè)計(jì) IAR Embedded Workbench 開發(fā)環(huán)境 [9] 本設(shè)計(jì)選用了超低功耗單片 機(jī) MSP430F149，該單片機(jī)的編程調(diào)試需要在 IAR Embedded Workbench 開發(fā)環(huán)境下完成。 IAR Embedded Workbench 是一套高度精密且使用方便的嵌入式應(yīng)用編程開發(fā)工具。該集成開發(fā)環(huán)境包含了 IAR 的 C/C++編譯器，匯編工，鏈接器，文件管理器，文本編輯器，工程管理器和 CSPY 調(diào)試器。通過其內(nèi)置的針對不同芯片的代碼優(yōu)化器， IAR Embedded Workbench 可以 為 ARM 芯片生成 非常高效和 可靠的FLASH/PROMable 代碼。不僅有這些可靠的技術(shù)， IAR Systems 還為我們提供專業(yè)的全球技術(shù)支持。 嵌入式 IAR Embedded Workbench 開發(fā)環(huán)境 支持絕大多數(shù) 8 位、 16 位以及 32 位的微處理器和微控制器，使用戶在開發(fā)新的項(xiàng)目時(shí)也能在所熟悉 的 開發(fā)環(huán)境 中 進(jìn)行。它為用戶提供一個(gè)易學(xué)和具有最大量代碼繼承能力的開發(fā)環(huán)境，以及對大多數(shù)和特殊目標(biāo)的支持。嵌入式 IAR Embedded Workbench 開發(fā)環(huán)境可以有效提高用戶的工作效率 ，通過 IAR 工具，我們可以大大節(jié)省工作時(shí)間。 軟件總體設(shè)計(jì) [16] 由控制器系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)功能，系統(tǒng)軟件做了如下思路設(shè)計(jì)：由系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片判斷此時(shí)的季節(jié)并裝載相關(guān)的季節(jié)參數(shù)，并對時(shí)間進(jìn)行判定，按時(shí)間來裝載相應(yīng)的時(shí)間參數(shù)。接著，進(jìn)行蓄電池電壓檢測和判斷時(shí)間，進(jìn)入放電控制子程序，控制蓄電池對負(fù)載的放電強(qiáng)度。因日照時(shí)間長短和季節(jié)的變化息息相關(guān)，系統(tǒng)會(huì)對時(shí)間進(jìn)行初期判斷，設(shè)定負(fù)載的相應(yīng)工作模式。 LED 亮度控制 LED 自適應(yīng)調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計(jì) :LED 的亮度與正向流過它的電流成正比 ,可以調(diào)節(jié)正向電流大 小來調(diào)節(jié) LED 的亮度?，F(xiàn)在一般采用調(diào)節(jié)工作電流方式或者脈寬調(diào)制方式（ PWM 法） 調(diào)節(jié) LED 的亮度。前者調(diào)節(jié)的范圍大、線性度好 ,但是功耗大 ， 所以很少采用。脈寬調(diào)制方式是用較高的頻率開關(guān) LED,開關(guān)頻率超出人們能夠察覺的范圍 ,使人感覺不到頻閃的存在， 實(shí)現(xiàn) LED 自適應(yīng)調(diào)光。 采用 PWM 法進(jìn)行調(diào)光，即在恒流和恒定頻率的情況下，通過調(diào)節(jié) MOS 開關(guān)管 30 的導(dǎo)通時(shí)間來調(diào)節(jié)平均亮度。這種方法不但可以使通過 LED 的 電流恒定，保證了 LED色彩的一致性，而且還有 助于 LED 的散熱。給 HV9910 的 PWMD 端提供數(shù)百赫茲到1k Hz 的 PWM 信號(hào)，可以通過占空比改變 LED 的導(dǎo)通時(shí)間，獲得從 0％～ 100％ 的PWM 調(diào)光。通過設(shè)定 MSP430 單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器 A 或 B 工作在比較模式可提供多路 PWM 控制信號(hào)，僅需改變相關(guān)寄存器的設(shè)定值即可。路燈亮度由 PWM 調(diào)光控制，每盞燈都配備行人車輛檢測裝置，用于在后半夜人員活動(dòng)情況檢測，有人車行走時(shí)全亮度照明，無人車行走時(shí)半功率照明，行人車輛檢測采用熱釋電紅外人體探測傳感器。 亮度自適應(yīng)節(jié)能控制算法 [17] 本設(shè)計(jì)從合理利用能源的角度出發(fā)，分析了 LED 路燈在一天內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)，其工作過程可分為五個(gè)階段 ： 1） t1 時(shí)刻到 t2 時(shí)刻，即由白天過渡到黑夜的時(shí)段，此階段是全天開始進(jìn)入黑暗的時(shí)段，路面光線逐漸變暗，太陽能路燈開始投人運(yùn)行，此時(shí)路燈的亮度不必達(dá)到最大，可根據(jù)亮度傳感器檢測的亮度等級(jí)進(jìn)行自適應(yīng)控制， LED 的亮度由小逐漸變大。 2） t2 時(shí)刻到 t3 時(shí)刻，即前半夜，零點(diǎn)以前，此時(shí)段路面光線最暗，人員活動(dòng)頻繁，路燈亮度應(yīng)調(diào)為最大， LED 全功率照明。 3） t3 時(shí)刻到 t4 時(shí)刻，即后半夜，零點(diǎn)以后，此時(shí)段人員活動(dòng)稀少，路燈亮度可稍 稍降低， LED 半功率照明，同時(shí)起動(dòng)智能傳感器檢測人員活動(dòng)情況，無人車行走時(shí)亮度 降低為正常的 50％，當(dāng)有人車行走時(shí)則全亮度照明，人車離開后延時(shí) 30s 恢復(fù)節(jié)電方式工作。 4） t4 時(shí)刻到 t5 時(shí)刻，即由黑夜過渡到白天的時(shí)段，此階段是由黑夜過渡到白天的時(shí)刻，路面光線逐漸變亮，可根據(jù)亮度傳感器檢測的亮度等級(jí)進(jìn)行自適應(yīng)控制， LED的亮度由大逐漸變小直至路燈熄滅。 5） t5時(shí)刻到 t1時(shí)刻，即白天，此階段不需要照明， LED 停止工作。 亮度自適應(yīng)節(jié)能控制算法根據(jù)當(dāng)?shù)氐娜粘鋈章鋾r(shí)間分時(shí)段控制，是一種基于時(shí)段、環(huán)境亮度和人員活動(dòng)的節(jié)能控制方法，其流程