0 引 言
近年來，隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展和汽車的逐漸普及，城市的交通問題已經(jīng)引起人們越來越多的關注，城市道路照明的重要性也日益增大。目前，我國大部分城市的路燈照明都采用"全夜燈恒照度"的方式，控制方式仍然是簡單的光控和時控等傳統(tǒng)方式，這大大增加了城市的用電量，為此，政府承擔著巨額的財政支出，而路燈照明設備的使用壽命也大大降低。因此，引入智能交通系統(tǒng)（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(fā)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制LED燈光的強度。根據(jù)各個季節(jié)天黑的時間不同設置各自的路燈開啟和關閉時間，在規(guī)定時間對移動物體進行檢測，實現(xiàn)對路燈的智能化控制，提高了路燈照明的有效性，避免了電力資源的浪費。
1 熱釋電紅外傳感器與菲涅耳透鏡
利用紅外線傳感器可以檢測到物體發(fā)射出的紅外線，從而可以檢測到不同物體的存在。制造熱釋電紅外傳感器的材料，以陶瓷氧化物及壓電晶體用得最多，這類材料具有強烈的自發(fā)極化性能，當受到熱輻射而產(chǎn)生溫度變化時介質(zhì)的極化狀態(tài)隨之發(fā)生變化。由于內(nèi)部電荷的速度遠遠高于表面電荷的變化速度，晶體兩端會產(chǎn)生數(shù)量相等而極性相反的獨立電荷，這就是電介質(zhì)的熱釋電效應。熱釋電紅外傳感器就是利用被測物體熱輻射引起敏感元件溫度的變化進行探測的。熱釋電紅外傳感器被廣泛應用到安防監(jiān)控、電子防盜、自動控制照明和工業(yè)自動控制等領域。
物體釋放的紅外線能量十分微弱，當直接用熱釋電紅外傳感器接收紅外線時，靈敏度相對較低，一般情況下很難滿足系統(tǒng)需求。為了提高熱釋電紅外傳感器的接收靈敏度，在其表面罩上一片菲涅耳透鏡，其探測距離可以增加到原來的5~7倍。菲涅耳透鏡[1]是一種由聚乙烯材料根據(jù)菲涅耳原理制成的塑料薄紋透鏡，對紅外線的透射率大于65%.根據(jù)菲涅耳透鏡的工作原理可知，當有移動物體發(fā)射的紅外線進入透鏡的探測范圍，菲涅耳透鏡會產(chǎn)生一個交替的"盲區(qū)"和"高靈敏區(qū)",熱釋電紅外傳感器的兩個反向串聯(lián)的敏感元件輪流檢測運動物體，形成一系列光脈沖后，進入傳感器。所以，熱釋電紅外傳感器無法檢測到靜止的物體。菲涅耳透鏡在安裝時與熱釋電紅外傳感器之間的距離應滿足與菲涅耳透鏡的焦距相等。
2 控制系統(tǒng)硬件設計
控制系統(tǒng)硬件組成以MSP430為核心控制器，輔以外圍電路如AD/DA 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)模塊、熱釋電紅外傳感器模塊、背景光檢測模塊和LED驅(qū)動模塊等。其系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。
2.1 數(shù)據(jù)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,并在其表面罩上一個菲涅耳透鏡用來提高其探測靈敏度。它以非接觸形式檢測出人體及車輛放射出的微弱紅外線能量并轉(zhuǎn)化成電信號輸出，物體定位檢測電路如圖2所示。當P2288探測到有人或者車輛進入到探測區(qū)域，P2288產(chǎn)生一個交變紅外輻射信號，并輸出一個微弱的電壓信號（TTL電平）。
信號經(jīng)過二級運放后輸入到雙限比較器當中，其中RW3用來調(diào)節(jié)二級運放的放大倍數(shù)，RW4用來設定兩個門限電平Uref1（U7處）和Uref2（U8處），當探測電壓大于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；當探測電壓低于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；當探測電壓介于Uref1和Uref2之間時D2和D3都截止，熱釋電OUT為低電平。經(jīng)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
光敏電阻是利用半導體的光電效應制成的一種電阻值隨入射光的強度變化而改變的電阻器，入射光強時電阻值減小。背景光檢測電路如圖3（左）所示，三極管的集電極輸出電壓輸入到A/D轉(zhuǎn)換器當中。由于單片機當中已經(jīng)集成了高精度的12位A/D 數(shù)模轉(zhuǎn)換器，故選用其內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器，其模擬量輸入控制范圍在0~5V,由單片機的存儲及其控制寄存器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(tài)，三極管的集電極輸出低電平；當背景光強度較弱的時候光敏電阻阻值增大，三極管處在工作狀態(tài)，三極管的集電極輸出高電平。當輸出高于設定值時，物體定位檢測子系統(tǒng)開啟。
同時為避免由于其他原因（如雷電、光源等）造成的影響，設置路燈開啟判斷時間為30s,30s后單片機檢測到三極管的集電極輸出確實高于預設值時，單片機發(fā)出物體定位檢測開啟信號。
2.2 LED恒流源驅(qū)動模塊及PWM 驅(qū)動方式
LED由于壽命長、節(jié)能、環(huán)保和光電效率高等眾多優(yōu)點，成為了照明領域關注的焦點。根據(jù)LED的伏安特性曲線可知，LED正向伏安特性非常陡，微小的驅(qū)動電壓的波動就會導致LED驅(qū)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(qū)動電路也面臨更大的挑戰(zhàn)，LED驅(qū)動電路關系到整個LED照明系統(tǒng)性能的可靠性。因此為防止LED的損壞，要求所設計驅(qū)動能夠精準控制LED的驅(qū)動電流。本系統(tǒng)設計的恒流源是在恒壓源模式控制上增加了一個電流串聯(lián)負反饋，恒流源的輸出值也反映了電壓源輸出的大小，但其可以精確控制LED的驅(qū)動電流，從而穩(wěn)定控制LED的亮度。恒流源驅(qū)動電路如圖3（右）所示。電流串聯(lián)負反饋由U4和Q3組成。
系統(tǒng)采用PWM 對LED光亮度進行調(diào)節(jié)。用PWM 對LED進行調(diào)光實際上是某一固定直流電壓經(jīng)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：
