基于多普勒效應(yīng)LED燈光控制系統(tǒng)

梁佩瑩，梁澤匯，范財(cái)武，魏壯勇，蔡靜（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院光信息工程系，廣東佛山528000）

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基于多普勒效應(yīng)LED燈光控制系統(tǒng)

梁佩瑩，梁澤匯，范財(cái)武，魏壯勇，蔡靜
（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院光信息工程系，廣東佛山528000）

摘要：介紹了一種基于多普勒效應(yīng)的新型智能LED燈光控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。根據(jù)多普勒效應(yīng)原理，通過(guò)微波移動(dòng)傳感器HB100，探測(cè)有無(wú)物體通過(guò)，并產(chǎn)生多普勒信號(hào)，對(duì)輸出的信號(hào)進(jìn)行放大及濾波處理，利用匯編語(yǔ)言對(duì)單片機(jī)STC89C52進(jìn)行編程，使系統(tǒng)在探測(cè)到有物體通過(guò)時(shí)點(diǎn)亮LED燈。系統(tǒng)測(cè)試采用兩排LED燈模擬路燈并根據(jù)預(yù)測(cè)物體的移動(dòng)速度，預(yù)判物體的位置，并點(diǎn)亮相應(yīng)位置的LED燈，延時(shí)自動(dòng)熄滅，達(dá)到節(jié)能照明的效果。設(shè)計(jì)的LED燈光控制器可以改變延時(shí)程序，從而改變亮燈的時(shí)間間隔，利于實(shí)際生活的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：多普勒效應(yīng)；單片機(jī)STC89C52；LED照明

隨著城市的發(fā)展，道路交通系統(tǒng)變得四通八達(dá)，道路照明也相應(yīng)發(fā)展，但是路燈的使用卻依然存在著不少問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)路燈存在兩方面的問(wèn)題［1］：1）在繁華的大中型城市中，即使路上沒(méi)有車(chē)輛或者行人時(shí)，路燈仍然開(kāi)著，浪費(fèi)了大量的能源，且由于路燈的長(zhǎng)時(shí)間工作，也大大減小了其使用壽命。2）在人煙較為稀少的城市中，深夜都會(huì)關(guān)閉路燈，雖然減小能耗，但給此時(shí)出行的人帶來(lái)極大的不便。隨著科技的不斷發(fā)展，LED以其功耗低、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，逐漸取代傳統(tǒng)照明方式［2-3］，LED路燈作為新型的照明光源應(yīng)用于道路路燈上，一定程度上解決了能耗、壽命等問(wèn)題。但是要從根本上解決國(guó)內(nèi)路燈照明的以上問(wèn)題，不僅需要一種新型的照明光源，而且要求有一種新型的控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于LED路燈照明的智能控制，達(dá)到真正環(huán)保節(jié)能的作用。本文對(duì)此進(jìn)行研究。

1　燈光控制器的總體設(shè)計(jì)

基于多普勒效應(yīng)的微波移動(dòng)探測(cè)和單片機(jī)控制的智能LED燈光控制器，可以準(zhǔn)確地探測(cè)出移動(dòng)的物體，從而實(shí)現(xiàn)沒(méi)有行人車(chē)輛通過(guò)的時(shí)候，或者行人車(chē)輛處于靜止的時(shí)候，LED燈處于熄滅狀態(tài)；有行人或車(chē)輛通過(guò)時(shí)，根據(jù)車(chē)輛通過(guò)的速度以及道路情況，智能地點(diǎn)亮此刻經(jīng)過(guò)的LED燈以及前方一定數(shù)量的LED燈，并能智能的控制點(diǎn)亮?xí)r間。該控制器在提高LED燈利用率和節(jié)約能源的同時(shí)，又滿(mǎn)足了夜間行人及車(chē)輛在任何時(shí)間任何地點(diǎn)出行時(shí)都有燈光照明。

本控制器采用單片機(jī)STC89C52、微波移動(dòng)傳感器HB100及后續(xù)放大濾波電路作為本設(shè)計(jì)的3個(gè)核心模塊。通過(guò)傳感器HB100檢測(cè)行人以及車(chē)輛通過(guò)的速度，并將速度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)STC89C52，單片機(jī)處理這一信號(hào)，若滿(mǎn)要求足則點(diǎn)亮LED燈。

智能系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩個(gè)部分組成。硬件由傳感器及其后續(xù)處理電路、LED燈、電源及復(fù)位電路和單片機(jī)等組成。系統(tǒng)的軟件采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想，整個(gè)軟件系統(tǒng)由主程序、初始化子程序、外部中斷0子程序、計(jì)算子程序、亮燈程序、延時(shí)子程序等組成。系統(tǒng)原理流程如圖1所示,整個(gè)系統(tǒng)的供電電壓為5 V穩(wěn)壓電源，LED燈直接連接單片機(jī)的I/O口。

系統(tǒng)的工作原理為：工作的HB100不斷發(fā)射微波，當(dāng)有物體經(jīng)過(guò)時(shí)，傳感器接收反射回來(lái)的微波，將其頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，在沒(méi)障礙物時(shí)持續(xù)為高電平，檢測(cè)到物體經(jīng)過(guò)時(shí)為低電平。速度達(dá)到1 m/s時(shí)信號(hào)特征是在10 ms內(nèi)產(chǎn)生3個(gè)低脈沖，此時(shí)認(rèn)為有行人或者車(chē)輛經(jīng)過(guò)。這一信號(hào)線(xiàn)連接到單片機(jī)的外部中斷0上，通過(guò)軟件編程來(lái)判斷是否有物體，從而確定是否點(diǎn)亮LED燈。

圖1　系統(tǒng)原理流程

2　硬件電路設(shè)計(jì)

2.1控制模塊

路燈智能控制器的控制模塊使用STC89C52單片機(jī)。中斷過(guò)程是在硬件基礎(chǔ)上再配以相應(yīng)的軟件而實(shí)現(xiàn)的，不同的計(jì)算機(jī)其硬件結(jié)構(gòu)和軟件指令、中斷系統(tǒng)不同。與中斷有關(guān)的寄存器有4個(gè)，分別為中斷源寄存器TCON和SCON、中斷允許控制寄存器IE和中斷優(yōu)先級(jí)控制寄存器IP。有中斷源5個(gè)，其排列順序由中斷優(yōu)先級(jí)控制寄存器IP和順序查詢(xún)邏輯電路共同決定，分別對(duì)應(yīng)5個(gè)固定的中斷入口地址。

2.2探測(cè)模塊

控制器的探測(cè)模塊主要是利用微波傳感器，應(yīng)用多普勒效應(yīng)實(shí)現(xiàn)。多普勒效應(yīng)是指當(dāng)發(fā)射源和接收者之間有相對(duì)徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收到的信號(hào)頻率將發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象可以運(yùn)用到電磁波范圍［4］。其多普勒頻率fd為

式中，fd為多普勒頻率［5］，Vr為相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度，λ為工作波長(zhǎng)，φ為初相。

當(dāng)目標(biāo)面向傳感器運(yùn)動(dòng)時(shí)，多普勒頻率為正值，接收信號(hào)頻率高于傳感器發(fā)射信號(hào)的頻率；而當(dāng)目標(biāo)背離傳感器運(yùn)動(dòng)時(shí)，多普勒頻率為負(fù)值，接收信號(hào)頻率低于傳感器發(fā)射信號(hào)頻率［6］。

多普勒微波傳感器HBl00工作頻率為10.525 GHz，應(yīng)用多普勒原理，微波傳感器傳送低功率微波信號(hào)，并接收物體反射回來(lái)的信號(hào)。當(dāng)微波傳感器檢測(cè)到物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)，其反射的微波頻率將產(chǎn)生偏移，這種偏移的微波與發(fā)射的微波相混合，從而在輸出端產(chǎn)生低頻電壓。這種傳感器模塊適用于探測(cè)物體無(wú)接觸運(yùn)動(dòng)，如自動(dòng)門(mén)激活、汽車(chē)警報(bào)器、自動(dòng)點(diǎn)火控制以及交通道路監(jiān)控。

2.3信號(hào)處理

從HB100的IF端口輸出的信號(hào)只有微伏級(jí)別，極不穩(wěn)定，不利于實(shí)現(xiàn)信號(hào)的探測(cè)，所以必須經(jīng)過(guò)濾波放大，此處使用四運(yùn)算放大器LM224，采用如圖2所示電路，由兩個(gè)運(yùn)放構(gòu)成二級(jí)放大電路，以及兩個(gè)一階低頻濾波器。

圖2　多普勒信號(hào)濾波放大電路原理

2.4控制器的硬件接口設(shè)計(jì)

把控制器各部分電路接口連接起來(lái)，并且接上模擬路燈的8盞LED燈，接上12 MHz的晶振，則機(jī)器周期為1 μs，電路原理圖如圖3所示，+5 V電源采用實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)壓電源。

圖3　控制器電路原理

3　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)，即單片機(jī)匯編程序的編寫(xiě)，通過(guò)與傳感器檢測(cè)信號(hào)線(xiàn)連接，檢測(cè)在10 ms內(nèi)是否有3個(gè)以上低脈沖出現(xiàn)，以確定是否有車(chē)輛或者行人經(jīng)過(guò)，進(jìn)而控制后邊LED燈的點(diǎn)亮以及其點(diǎn)亮方式。程序包括：主程序、初始化子程序、外部中斷0程序、亮燈程序、計(jì)算子程序和延時(shí)子程序。

3.1主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主程序是對(duì)所需資源的初始化并等待中斷，通過(guò)調(diào)用計(jì)算子程序確定有無(wú)車(chē)輛或者人經(jīng)過(guò)，若有則運(yùn)行亮燈程序點(diǎn)亮LED燈，通過(guò)延時(shí)程序控制LED燈的點(diǎn)亮?xí)r間。其流程如圖4所示。

圖4　主程序流程

3.2亮燈子程序

亮燈程序是外部中斷0子程序的一部分，也是智能控制器的關(guān)鍵。當(dāng)經(jīng)過(guò)計(jì)算子程序后，若滿(mǎn)足10 ms內(nèi)3個(gè)以上低脈沖前提條件的情況下，先點(diǎn)亮前兩盞LED燈，再調(diào)用延時(shí)程序，讓燈持續(xù)點(diǎn)亮一段時(shí)間后，通過(guò)左移一位，并不斷循環(huán)，依次點(diǎn)亮后邊剩下的燈，且控制器點(diǎn)亮LED燈的方式為兩兩分別點(diǎn)亮。此程序可以控制并改變燈的點(diǎn)亮方式，可以根據(jù)實(shí)際需要對(duì)其進(jìn)行修改。其程序流程如圖5所示。

圖5　亮燈子程序流程

3.3計(jì)算子程序

如圖6所示，設(shè)定控制器亮燈的前提條件，即計(jì)算在10 ms內(nèi)是否有3個(gè)以上的低脈沖，倘若有，則返回外部中斷0程序，運(yùn)行亮燈程序，點(diǎn)亮8盞LED燈；倘若沒(méi)有，則返回，重新初始化，對(duì)下一個(gè)10 ms進(jìn)行計(jì)數(shù)。通過(guò)此子程序，可以改變亮燈的前提，即將10 ms改為其他不同的時(shí)間間隔，觀(guān)察控制器的亮燈情況，以此測(cè)試出控制器的靈敏度，并根據(jù)實(shí)際需要智能控制靈敏度。

圖6　計(jì)算子程序流程

3.4延時(shí)子程序

延時(shí)子程序，即在滿(mǎn)足亮燈條件下，控制燈的點(diǎn)亮?xí)r間。此處為了實(shí)驗(yàn)觀(guān)察方便，把每?jī)杀K燈被點(diǎn)亮的時(shí)間都設(shè)定為0.5 s。也可以根據(jù)實(shí)際需要，即道路環(huán)境，行人以及車(chē)輛情況，對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改，以實(shí)現(xiàn)修改延時(shí)時(shí)間［7］，提高燈的利用率，并減小能源損耗，也是此控制器的優(yōu)勢(shì)之處。其程序流程如圖7所示。

圖7　延時(shí)子程序流程

4　系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波放大后，輸入到單片機(jī)外部中斷端口INT0，無(wú)干擾時(shí)的信號(hào)波形如圖8a所示，有物體經(jīng)過(guò)時(shí)的信號(hào)波形如圖8b所示。此時(shí)可以觀(guān)察到單片機(jī)的8盞燈被依次點(diǎn)亮，如圖9所示。

把微波傳感器的接收面對(duì)著通道，讓人在通道上行走，模擬道路上的行人情況，以測(cè)試控制器的具體使用范圍。經(jīng)過(guò)測(cè)試，當(dāng)LED燈的點(diǎn)亮條件為10 ms、系統(tǒng)輸出電壓為15 V時(shí)，設(shè)計(jì)的LED燈光控制器能實(shí)現(xiàn)半徑為5.60 m，圓心角為900°的扇形范圍內(nèi)的智能控制。

圖8　系統(tǒng)測(cè)試波形

調(diào)節(jié)電阻，改變輸出信號(hào)的峰-峰值，如表1所示，LED燈光控制器有效范圍也會(huì)發(fā)生變化。

通過(guò)亮燈子程序改變LED燈點(diǎn)亮條件，如表2所示，不同的點(diǎn)亮條件對(duì)應(yīng)不同的最大控制距離。實(shí)驗(yàn)表明，控制器的靈敏度隨著LED燈點(diǎn)亮條件的時(shí)間間隔增大而增大，但與此同時(shí)也會(huì)降低其抗干擾能力，使其受到周?chē)h(huán)境影響變大。根據(jù)道路的情況，如行人的多少，道路的長(zhǎng)短等，可以控制延時(shí)子程序，即控制LED燈依次點(diǎn)亮的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)智能節(jié)能的功能。

圖9　LED燈被點(diǎn)亮

表1　有效距離隨輸出電壓變化　

表2　不同的點(diǎn)亮條件對(duì)應(yīng)的最大控制距離

5　小結(jié)

實(shí)驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的基于多普勒效應(yīng)的新型的智能LED燈光控制器可以根據(jù)環(huán)境的情況控制LED燈的通斷，并控制LED燈依次點(diǎn)亮的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)半徑為5.6 m，圓心角為90°的扇形范圍內(nèi)的智能控制。系統(tǒng)適合于道路、樓道、小區(qū)、走廊、家居等場(chǎng)所，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能照明的效果。

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【責(zé)任編輯：任小平renxp90@163.com】

The LED lighting control system based on the doppler effect

LIANGPei- ying，LIANGZe- hui, FANCai- wu, WEI Zhuang- yong，CAI Jin
（Department of Photoelectric Information and Engineering，F(xiàn)oshan University, Foshan 528000, China）

Abstract:The design of an intelligent LED lighting control system is introduced. According to Doppler Effect, by using a microwave based motion sensor HB100, moving targets could be detected and Doppler waves would be generated consequently. After amplifyingand filteringthe output signal of HB100, byusinglogics and algorithms described in this paper, a STC89C52 microcontroller system could control the street lighting system to illuminate the movingtargets accordinglyon time. In the experiment, towrows of LEDlights were used tosimulate the street lighting system and by lighting the LEDs successively according to the moving target’s position which is predicted by the system, energy- saving lighting is achieved. The latency and the interval of the lighting behavior could be adjusted accordingtothe needs fromreal deployments.

Keywords:Doppler effect; STC89C52 MCU; LEDlighting

作者簡(jiǎn)介：梁佩瑩（1975-），女，廣東佛山人，佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院講師。

基金項(xiàng)目：2015年度廣東省大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目；佛山市科技發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（2012AA100361）

收稿日期：2015-10-13

文章編號(hào)：1008- 0171（2016）02- 0049- 05

中圖分類(lèi)號(hào)：TP332.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A