无线智能控制 LED 路灯系统的设计
摘要：随着社会生活和工业生产对环境保护、节约能源等的需求越来越多，LED 路灯得到了越来越广泛的应用。本系统以MSP430F5438A 单片机为调节核心，以LY-BL001 无线蓝牙传输模块作为通信核心，由 Buck 变换器及其驱动电路、电压电流检测和报警等模块组成，建立了无线智能控制 LED 路灯系统。系统实现了光强检测、报警、过欠压闭锁等功能；无线智能控制 LED 路灯系统能够与 Android 手机进行信息交互，实现远程无线操作。
关键词：无线智能控制；光强检测；恒流源
中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1673-1131（2015）10-0051-03.
0 引言
LED 光源以其节能环保一经面世就吸引了各界的关注，使之成为近年国内照明领域的最大热点[1]。我国推出的“十城万盏”计划，使 LED 路灯得到了越来越多的应用。但是，LED路灯在取代传统路灯的道路上还有许多亟待解决的难题，主要包括光学设计、散热以及驱动电源等问题，同时智能控制和 无线通信也成为 LED 路灯的研究重点[2]。
近年来，对 LED 路灯系统的研究重心多是放在设计高效驱动电源或提高功率因数方面，而本文结合当代智能手机对于人类衣食住行等各方面的影响，将LED路灯的驱动电源、智能控制和无线通信三个方面一并讨论，大胆提出一种全新的、更为智能化、便利化和高效化的LED路灯设计方案，使系统的 鲁棒性得到了提高。
1 系统工作原理
无线智能控制 LED 路灯系统总系统框图如图 1 所示，主要由 Android 手机控制端、LED 恒流源驱动模块、光强检测模块等组成，辅以采样电路与单片机构成闭环控制，加强对环内稳定性的控制。
图 1 总系统框图
本系统通过 Android 手机设置开灯时间、关灯时间、亮度等，经无线蓝牙装置传输至单片机处实现远程无线控制。单片机收到指令后，先进行时间校准，同时定时器计时，当计至开灯时间单片机控制开灯，计至关灯时间单片机控制关灯。路灯工作时，光强检测模块实时检测自然光的亮度，经采样模块处理后送入单片机，实现对路灯亮度的控制。若路灯电压高于 36V 或低于 30V 时，单片机立即控制熄灯且于路灯处和Android 手机处同时报警。
2 系统硬件电路设计
本无线智能控制 LED 路灯系统由 LED 恒流驱动电源模块、光强检测模块、报警模块等组成。
2.1 LED 恒流驱动电源模块
主电路图如图 2 所示。为降低成本，在 LED 恒流驱动集成芯片和 BUCK 降压电路两个方案里，选择了后者。原理为当 MOS 管 Q1 的 UGS≥UGS(th)时开关管导通，电源向电感 L1 充电，当 Q1 的 UGS≤UGS(th)时开关管关断，电感 L1 与续流二极管D1 构成回路放电，所以输出电压大小与Q1 栅极输入的PWM波的占空比 和输入电压 Ui 的关系为 。
图 2 LED 恒流驱动电源模块
由于工作在 CCM 模式对器件的应力比工作在 DCM 模式对器件的应力低，损耗比 DCM 模式小，所以电流连续时电感量临界值如式（1）所示：
（1）
其中，MOS 管开关频率 f 为 200KHz，即 T=0.000005s，遂取电感值为 L=220uH。
电容的作用为储能和稳压，取值与输出纹波电压、纹波电流、耐压等因素有关，所以电感纹波电流为：
（2）
电容承受的电压峰峰脉动值为 以上计算数据结合实验实际测量，取 C=68uF。
为实现恒流，还需配合采样电路。当输入电压在一定范围内变化时，根据采样反馈值，配合 PID 算法，调节 MOS 管的占空比，实现输出电压与电阻比值恒定。
2.2 光强检测模块
采用以光敏电阻为核心的电路。光敏电阻对光的亮暗变化反应灵敏，优点是外围电路简单和性价比高，缺点是受温度影响较大，响应速度不够快。根据实际测量，采用的光敏电阻在入射光亮度最强时阻值为 3k ，无光时可达 1M ，将其随光的亮度而变化的阻值转变成电压值送入单片机，经单片机控制恒流源，实现自动开关 LED 和调光的功能。
2.3 报警模块
当路灯电压低于 30V 或高于 36V 时，通过采样电路送入单片机，经单片机判断是欠压故障还是过压故障，并立即作熄灯和声光报警处理。故障信息经无线蓝牙装置传回安装相应APP 的 Android 手机上，于手机屏上显示为何灯何故障，实现报修提示功能。
3 系统软件设计分析
无线智能控制 LED 路灯系统软件设计框图如图 3（a）所示。本系统的创新点是采用手机Android系统和MSP430F5438A单片机实现对系统的控制。上位机通过设置定时、调光等参数实现对下位机的控制。下位机接收上位机传递的数据，通过定时器计数输出 PWM 波驱动 LED 路灯，同时下位机通过AD 采样实时监控路灯系统的运行状况。上、下位机间通过蓝牙模块实现信息的交互。整个系统还具备过欠压闭锁和报警的功能。当路灯电压低于 30V 或高于 36V 时系统自动关闭路灯，声光报警并在手机界面上提示故障。
正常运行时，用户需输入密码进行身份验证后方可控制系统。系统默认开灯时间为 18：00：00，默认关灯时间为 06：
00：00，可根据自然光亮度自动调节路灯亮度。用户可在手机界面上修改路灯的开关时间，选择光亮调节方式及其亮度。按下运行按钮系统开始工作，按下停止按钮则停止工作，同时界面显示系统正在运行（停止运行）。若系统故障，上位机接收下位机警告信息并在手机屏幕上显示，按下退出按钮退出警告界面，回到手机主屏幕。当故障解除时按下恢复按钮则回到初始控制界面。
(a) (b) (c) (d)
图 3 软件设计及其流程图
(a) 系统软件设计框图 (b)下位机主程序流程图(c)蓝牙模块流程图 (d）AD 采样模块流程图 下位机主程序流程图如图 3（b）所示，涉及的主要模块有蓝牙模块（图 3（c））和 AD 采样模块（图 3（d））。下位机MSP4305438A 接收上位机传送的数据后，首先通过检测电源电压值判断系统是否发生故障。若发生故障则将故障信息通过LY-BL001 无线蓝牙传输模块发送至上位机，若系统正常则处理上位机传输的数据，设置当前时间、开灯时间、关灯时间、控制方式和亮度，设置完毕后开始计时，系统正常工作。当计时至开灯时间时，单片机端口输出一定占空比的PWM波驱动恒流源，路灯开启。系统实时采集恒流源输出的电压、电流实际值，与预设值进行比较，若实际值与预设值有误差，则运用PID算法调整PWM波占空比，从而使恒流源的输出趋于恒定。
4 数据处理与误差分析
4.1 调试仪器及环境
仿真时使用软件为Multisim12.0，单片机编程和调试软件是 CCS6.0，Android 手机 APP 的编程开发工具为 Eclipse，使用 Java 语言，使用的测量仪器如表 1 所示：
表 1 调试仪器表
4.2 数据测量
实验中所使用 LED 是 10 个 1W 灯珠的串联。系统调试过程中记录的实验数据和理论值数据以及计算所得误差率如表 2 所示：
表 2 数据记录表
如表 2 所示，开灯时间和关灯时间为 24 小时制。测量过程中保持光源光亮稳定，先接通驱动电路和单片机的电源，后接通主电路的电源，将 PWM 波占空比逐渐调大，恒流源输出电压从 0V 变为 32V，实时测量负载电流，其趋势应为逐渐增大。再将给定值减小到 0V，测出的负载电流值趋势应为逐渐减小至 0A。
4.3 误差分析
由表 2 可知，输出电流满足要求，同时电流值较小时，输出电流更接近给定电流。电流值较大时，由于系统散热性能不够好导致恒流源电源性能下降，致使误差增大。误差存在的原因主要是电路参数取值不准确、采样电阻取值较大导致功耗增加，且系统工作时采样电阻与 LED 灯发热也有一定影响。但总的看来，该电流源精度较好。
4.4 调试中出现问题及解决
前提：调试阶段初期用的是稳压源。 问题 1：电路上电以后，稳压源自动保护。
解决方案：稳压源自动保护是因为电源和地短路。原因是 MOS 管 Q1 在 BUCK 电路中没有一端是直接接地的，所以需单片机输出 PWM 波经光耦隔离、整形后，通过驱动芯片将浮地的 PWM 波送入 Q1 的栅极作为控制信号。若给它输入的是对地信号，那么 S 级相当于直接接地，上电之后会直接短路电源。
问题 2：输出电流不够。
解决方案：初试加了扩流电路，调试时发现扩流电路确实有用，但调节不慎会烧毁 MOS 管。查阅资料后发现输出电流不够是因为电感值取得过大。电感值取的过大，会引起输出电流小，进而使电路带不动负载。电感值取的过小，又会使电路无法工作在 CCM 状态，进而增大损耗。综上所述，应适当减小电感。
问题 3：负载调整率较大。
解决方案：一开始认为是所用器件参数不够精确，于是将原先误差为 5%的电阻换用误差为 1%的精密电阻，将独石电容换为钽电容，效果甚微。在查阅 MOS 管的 PDF 文件后发现，由于 MOS 管的开关频率为 200kHz，所以在布线和焊接工艺上有较高要求，按 PDF 文件上的官方推荐布线重新焊接之后，效果较好。
5 结语
无线智能控制 LED 路灯系统包括硬件部分和软件部分，采用以单片机 MSP430F5438A 为主调节器，以无线控制装置LY-BL001 为主通信工具和以硬件电路为主控制器的思路完成了全部设计。
硬件电路包括了制作 LED 的驱动恒流源、光电传感器检测装置以及报警装置，软件部分包括了中断、AD采样、定时和显示等功能。
调试过程中出现手机屏显示数字是带有小数点后两位的，与实际实用显示误差较大、手机上出现乱码、加入 AD 转换程序后发现 AD 转换并不起作用以及总体结构的架设和搭建等问题。经过后期的耐心调试，以上问题均已解决。
本设计的不足之处在于：一是因为需要电源支持，所以测量过程的全过程都是在实验室进行，并没有在户外的真实情境中做实验；二是虽然本设计拥有报警功能，但是仍旧无法查出问题发生原因。以上问题会在未来的研究和探讨中加以完善。
参考文献：
[1] 窦林平.国内 LED 照明应用探讨[J].照明工程学报, 2011(6):51-58
[2] 曹永,邓华秋.一种高性能可智能控制型 LED 路灯驱动电源的设计[J].电子产品世界,2015(z1)
[3] 李惠,丁革建.智能手机操作系统概述[J].电脑与电信,2009(3):67-68．
[4] 张京玲,王天雷,吕秋霞.具有最大功率跟踪控制的太阳能LED 路灯智能控制系统[J].光电子技术,2014,34(1)
[5] 郭继强,徐凯,陈雄,孔庆生.一种新型 LED 路灯电源驱动电路[A].2010 全国虚拟仪器大会暨MCMI2010 会议论文集[C].2010
作者简介：叶昱媛（1994-），女，湖北武汉人，主要研究方向为电气工程及其自动化；曹水晶（1994-），女，江苏南通人，主要研究方向为电气工程及其自动化；陈余寿（1962-），男，江苏泰兴人，主要研究方向为电子技术应用。
