基于MSP430單片機(jī)的高校教室智能照明系統(tǒng)

王澤，徐瑀聲

（交通大學(xué)，遼寧大連，116000）

0 引言

隨著社會能源的消耗越來越嚴(yán)重，節(jié)能是大家的共同期盼，從事電子設(shè)備設(shè)計(jì)首先要考慮到節(jié)能設(shè)計(jì)。大學(xué)教室空間大，照明設(shè)備功率高，如果能夠做到節(jié)能控制，可以節(jié)約很多的電能消耗。現(xiàn)在國內(nèi)外已經(jīng)開始研究智能化改造傳統(tǒng)照明設(shè)備，運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)，傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。目前大多的設(shè)計(jì)都是手動開關(guān)調(diào)節(jié)燈的亮度，因此有必要設(shè)計(jì)一種新型的智能化照明控制系統(tǒng)。運(yùn)用人體紅外檢測是否有人，然后檢測教室亮度，當(dāng)亮度越低時(shí)，調(diào)高照明燈的發(fā)光功率，從而實(shí)現(xiàn)智能感應(yīng)開關(guān)照明燈和自動調(diào)節(jié)亮度的功能。運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)高校照明設(shè)備的智能化改造變的非常迫切，通過改造后的系統(tǒng)可以給學(xué)校節(jié)約一大筆日常開銷，同時(shí)也節(jié)約了寶貴的能源。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于MSP430單片機(jī)的高校教室智能照明系統(tǒng)包含了單片機(jī)主控電路、人體紅外檢測電路、光照度采集電路、單片機(jī)復(fù)位電路、單片機(jī)下載電路、PT4115恒流源驅(qū)動電路以及3.3V穩(wěn)壓電源電路。它的系統(tǒng)框圖如圖1所示。教室環(huán)境傳感器有紅外熱釋傳感器檢測是否有人，然后通過光敏電阻電路采集光照度，根據(jù)光照度強(qiáng)度去改變PT4115恒流源驅(qū)動電路的輸入電壓，由PWM占空比信號調(diào)節(jié)LED燈的亮度。由電源穩(wěn)壓電路提供穩(wěn)定的3.3V電壓給單片機(jī)系統(tǒng)供電。由單片機(jī)復(fù)位電路輸入復(fù)位信號，重啟單片機(jī)程序。由單片機(jī)下載電路完成SBW方式的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)代碼文件到單片機(jī)芯片的燒錄過程。

圖1 智能照明系統(tǒng)框圖

圖2 MSP430單片機(jī)低功耗模式圖

2 原理與設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)以MSP430低功耗系列單片機(jī)MSP430G2553作為主控制器，通過單片機(jī)連接人體紅外檢測傳感器實(shí)現(xiàn)教室是否有人的感應(yīng)檢測。通過光敏電阻感應(yīng)教室環(huán)境亮度，將亮度轉(zhuǎn)換為光敏電阻的變化，再以電阻分壓的方法將電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，實(shí)現(xiàn)可以輸入到單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換通道的模擬電壓檢測，運(yùn)用系統(tǒng)的工作原理將光照的變化轉(zhuǎn)換為單片機(jī)輸出占空比變化的PWM信號調(diào)節(jié)燈的亮度。采用恒流驅(qū)動芯片PT4115實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動照明燈，通過輸入的PWM信號控制照明燈的功率。

■2.1 MSP430G2553最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2.1.1 MSP430單片機(jī)低功耗介紹

MSP430單片機(jī)是德州儀器半導(dǎo)體公司設(shè)計(jì)的基于RISC指令集的低功耗單片機(jī)。它的最大優(yōu)勢是低功耗，休眠狀態(tài)工作電流可以低到u A級別。剛好滿足本次節(jié)能設(shè)計(jì)的要求。MSP430單片機(jī)低功耗模式有5種，分別是AM活動模式、LPM0低功率模式0、LPM1低功耗模式1、LPM2低功耗模式2、LPM3低功耗模式3、LPM4低功耗模式4。AM模式下CPU正常運(yùn)行，功率最高，LPM4模式下CPU和主時(shí)鐘MCLK和子時(shí)鐘ACLK以及數(shù)字DOC時(shí)鐘全部停止工作，此時(shí)功耗最低，低到0.1μA。

2.1.2 MSP430G2553最小系統(tǒng)電路

MSP430G2553單片機(jī)最小系統(tǒng)電路包含了5V電源輸入座、3.3V穩(wěn)壓電源芯片、SBW下載程序的接口、MSP430G2553單片機(jī)芯片、單片機(jī)復(fù)位電路、單片機(jī)內(nèi)置了DCO數(shù)字振蕩電路。MSP430G2553是MSP430單片機(jī)系列中的一款極簡設(shè)計(jì)的代表型號。該單片機(jī)引腳28腳，分別是P1口8位,P2口八位接口，以及P3口8位，以及電源VCC，和電源GND引腳。還具備SBW下載接口，復(fù)用了RST復(fù)位引腳。MSP430G2553單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路圖如圖3所示，圖3中J1是單片機(jī)最小系統(tǒng)輸入的外部的電源，輸入5V電壓，由USB線提供5V標(biāo)準(zhǔn)電源。C1是濾波電容，濾除輸入端的電源雜波，然后輸入給U1電源穩(wěn)壓芯片。該芯片型號是AMS1117-3.3,提供了3.3V穩(wěn)壓輸出，LDO小體積穩(wěn)壓線性電源芯片，輸入5V，輸出3.3V，它的3腳輸入5V，1腳接GND，2腳輸出3.3V給單片機(jī)芯片提供電源。C2是3.3V電壓輸出濾波電容。J2是單片機(jī)芯片下載接口，外接一根SBW下載線，即可完成對單片機(jī)芯片的代碼文件燒錄。J2共有4個(gè)引腳，分別是1腳接電源VCC3.3,第2腳接電源GND，第3腳接單片機(jī)的SBWTDIO引腳，也是復(fù)位引腳RST，第4腳接接單片機(jī)的25腳，TEST引腳，也叫SBWTCK引腳，屬于SBW下載線的時(shí)鐘引腳。圖中U2是MSP430G2553芯片，第1腳接電源VCC3.3，第28腳接電源DVSS。其他是P1、P2、P3 八位IO口，以及下載接口SBWCLK和SBWDIO等。圖中右邊是單片機(jī)復(fù)位引腳，電阻R1阻值10k，電容C3容值為1n F，電阻和電容組成了上電的復(fù)位電路，提供在電路上電瞬間，復(fù)位單片機(jī)芯片。C3的取值有特殊性，不能取值0.1μF這種常規(guī)的電容，因?yàn)镾BW下載接口復(fù)用了RST復(fù)位引腳，SBW的數(shù)據(jù)傳輸速度很快，如果C3電容過大，將會導(dǎo)致下載傳輸過程出現(xiàn)問題。因此這個(gè)電路參數(shù)是參考了大量的網(wǎng)上資料以及現(xiàn)場調(diào)試得出的結(jié)果。S1是復(fù)位按鍵，單片機(jī)在正常工作時(shí)，需要強(qiáng)行復(fù)位，就按下這個(gè)復(fù)位按鍵，讓單片機(jī)程序重新運(yùn)行。該最小系統(tǒng)板沒有用到外部晶振，是因?yàn)閱纹瑱C(jī)芯片內(nèi)部自帶了數(shù)字時(shí)鐘，可以滿足高頻時(shí)鐘運(yùn)行，無需外部增加時(shí)鐘晶振。

圖3 MSP430G2553單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

■2.2 PT4115恒流LED驅(qū)動電路

2.2.1 PT4115恒流芯片介紹

恒流LED驅(qū)動芯片PT4115是一款降壓型連續(xù)電感導(dǎo)通恒流源芯片。恒流源工作效率高達(dá)97%，具有極低的耗損，可以驅(qū)動單個(gè)或者多個(gè)LED發(fā)光二極管，最大輸出電流可以達(dá)到1.2A,電流可以調(diào)節(jié)，輸出精度高，具有開路自動保護(hù)功能。LED燈關(guān)閉時(shí)，芯片具有極低的電流95μA，處于待機(jī)狀態(tài)。

2.2.2 恒流LED驅(qū)動電路

恒流源驅(qū)動LED電路如圖4所示，圖中U3是PT4115恒流源芯片，C3是輸入電源濾波電容100μF，6腳輸入電壓，4和6腳之間接了0.22R電流采樣電阻，通過檢測電流采樣電阻兩端的電壓可以計(jì)算工作電流，然后PT4115芯片根據(jù)3腳輸入電壓自動調(diào)節(jié)恒流輸出。輸出端3腳接100R電阻和大功率LED，再串接L1電感100μH。1腳接續(xù)流二極管D1 1N5819。當(dāng)VDIM小于2.5V時(shí)，LED燈平均工作電流計(jì)算公式是：

圖4 PT4115恒流LED驅(qū)動電路

Iout是LED工作平均電流；

VDIM是PWM調(diào)節(jié)端的電壓輸入，范圍是0.5V到2.5V；Rs是電流采樣電阻。

當(dāng)VDIM大于2.5V，小于5V時(shí)，LED燈平均工作電流計(jì)算公式是：

D是PWM占空比數(shù)據(jù)，Rs電流是采樣電阻。

■2.3 人體紅外感應(yīng)檢測電路

人體紅外檢測電路采用的技術(shù)是熱釋紅外感應(yīng)技術(shù)。熱釋紅外感應(yīng)傳感器U2型號是RE200,檢測的人體輻射的紅外信號波長為9-10um。它能夠有效抑制燈光，日光等紅外線的輻射干擾，能夠?yàn)V除其他物體的紅外線信號。紅外傳感器將人體輻射的熱量信號轉(zhuǎn)換為電信號，再通過BISS0001信號放大電路將微弱的紅外信號放大后輸出電平變化。BISS0001信號放大芯片內(nèi)部集成了小信號放大電路、電壓比較電路、延時(shí)控制時(shí)間電路、電平保持鎖存電路，它是一款專用于人體紅外信號檢測放大的芯片，電路組成比較簡單，通過外接少量的電阻電容即可實(shí)現(xiàn)紅外信號檢測和輸出。并且支持感應(yīng)范圍調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)R10的電阻，實(shí)現(xiàn)感應(yīng)距離的調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)R8電阻調(diào)節(jié)電平觸發(fā)保持的時(shí)間長度。通過S1開關(guān)選擇連續(xù)觸發(fā)或者單次觸發(fā)模式。

■2.4 光照采集電路

光照度采集電路采用了光敏電阻接收光照，轉(zhuǎn)換為電阻的變化，然后將光敏電阻和100k電阻進(jìn)行分壓，實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，再由單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道讀取模擬電壓，經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換程序?qū)崿F(xiàn)模擬電壓到數(shù)字電壓的轉(zhuǎn)換，最后獲取到光照度的數(shù)據(jù)。電路圖如圖6所示，R2是光敏電阻，R4是100k精密電阻，通過串接接入電源，中間接頭連接單片機(jī)，當(dāng)光線暗的時(shí)候，R2阻值變大，此時(shí)分壓得到的電壓變小，單片機(jī)采集的數(shù)據(jù)也變小。當(dāng)光線亮?xí)r，R2阻值變小，此時(shí)分壓電壓變大，采集的數(shù)字也變大。

圖6 人體紅外感應(yīng)檢測電路

3 軟件設(shè)計(jì)

高校智能照明系統(tǒng)軟件部分包含了初始化部分的程序，大循環(huán)里的程序包含了光照采集程序、人體紅外檢測程序、PWM調(diào)光程序。程序的流程圖如圖7所示。程序的思路是通過單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換程序轉(zhuǎn)換光敏電阻的分壓電壓，然后將整個(gè)數(shù)據(jù)和LED燈的PWM占空比數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的基本方法是光照越低，PWM占空比值越大。將人體紅外傳感器檢測到人輸出的高電平信號，進(jìn)行延時(shí)判斷，當(dāng)10s時(shí)間后沒有檢測到人，則認(rèn)為人已離開。通過判斷是否感應(yīng)到人，來決定是否開啟照明燈。當(dāng)檢測到人時(shí)，再根據(jù)光照度和PWM占空比之間的關(guān)系去調(diào)節(jié)LED燈的亮度，運(yùn)用PT4115的恒流驅(qū)動原理實(shí)現(xiàn)LED燈的穩(wěn)定工作。系統(tǒng)的程序流程圖如圖7所示，它的工作流程是在開始后初始化階段對模數(shù)轉(zhuǎn)換通道進(jìn)行初始化配置，對PWM模式進(jìn)行初始化設(shè)置，對單片機(jī)的IO口設(shè)置為輸入和輸出模式。在while循環(huán)里調(diào)用光照采集的模數(shù)轉(zhuǎn)換程序，調(diào)用人體紅外檢測程序，判斷是否檢測到，然后根據(jù)光照調(diào)節(jié)LED燈的亮度。

圖7 程序流程圖

程序里設(shè)置P1.2為PWM波形輸出接口，配置P1SEL|=BIT2;為定時(shí)器PWM功能。TA0CCTL1|=OUTMOD_7;設(shè)置為PWM置位輸出模式，TA0CTL|=ID_3+MC_1+TACLR; 設(shè)置PWM頻率為1kHz。TA1CCR1=P_Pulse;占空比TA1CCR1取值決定。PWMA0(1000,1000-light);光照度和占空比為Duty=1000-light。

模數(shù)轉(zhuǎn)換程序ADC10AE0=BIT0; 設(shè)置P1.0口為模數(shù)轉(zhuǎn)換通道，ADC10CTL0|=ENC+ADC10SC;啟動ADC采樣功能，ADC10SA=(u16)adc;讀取ADC采集的數(shù)據(jù)。

紅外檢測程序里判斷if(HW==1)，給出HW_f lag=1;的標(biāo)記，延時(shí)n++;if(n>=5000)，再次檢測if(HW==0)時(shí)，此時(shí)清除HW_f lag標(biāo)記。當(dāng)HW_f lag=1，表示檢測到人，為0則沒有檢測到人。

4 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)工具：示波器UTD2112CEX、數(shù)字萬用表UT61A、數(shù)字電源UTP3313TFL-II。

實(shí)驗(yàn)條件：保證輸入電壓固定為5V，改變觸發(fā)條件，比如是否有人，光照度檢測變化等。

實(shí)驗(yàn)方法: 通過改變光敏電阻的受光條件，來改變感應(yīng)到的光照度變化，去控制LED燈的亮度。測量光敏電阻的采集的光照度，萬用表量測光敏電阻電壓，示波器測量PT4115輸入的PWM占空比大小。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：

有人且光敏電阻檢測電壓為3.3V時(shí)，此時(shí)光照比較強(qiáng)，LED燈不亮。示波器檢測到的PWM輸入為低電平。

圖8 PWM占空比0%時(shí)調(diào)試圖

有人且光敏電阻檢測電壓為3.0V時(shí)，此時(shí)光照比較強(qiáng)，LED燈達(dá)到全亮狀態(tài)的亮度9%。示波器檢測到的PWM輸入為脈沖信號，占空比大小9.9%。

圖9 PWM占空比10%時(shí)調(diào)試圖

有人且光敏電阻檢測電壓為2V時(shí)，LED燈達(dá)到全亮狀態(tài)的亮度40%。示波器檢測到的PWM輸入為脈沖信號，占空比大小39.7%。

圖10 PWM占空比40%時(shí)調(diào)試圖

有人且光敏電阻檢測電壓為1V時(shí)，LED燈達(dá)到全亮狀態(tài)的亮度70%。示波器檢測到的PWM輸入為脈沖信號，占空比大小72.2%。

有人且光敏電阻檢測電壓為0V時(shí)，LED燈達(dá)到全亮狀態(tài)的亮度100%。示波器檢測到的PWM輸入為脈沖信號，占空比大小98.0%。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

經(jīng)測試，改變教室光照度，可以明顯改變照明燈的調(diào)光效果，PWM波形占空比輸入也隨著光照變暗成比例線性增大。符合設(shè)計(jì)的預(yù)期效果，具有了智能調(diào)光的功能。

5 結(jié)論

基于MSP430G2553單片機(jī)的高校教室智能照明系統(tǒng)，具有了恒流驅(qū)動調(diào)節(jié)LED燈照明設(shè)備的亮度，自動適應(yīng)教室環(huán)境光照度，實(shí)現(xiàn)自動調(diào)亮或者調(diào)暗照明燈亮度。系統(tǒng)能夠自動檢測人體紅外熱釋信號，自動控制LED燈開啟或者關(guān)閉。單片機(jī)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采集光敏電阻的電壓變化，計(jì)算得到光照度數(shù)據(jù)。在紅外感應(yīng)到人的條件下，由光照度改變單片機(jī)的PWM占空比輸出，調(diào)節(jié)PT4115恒流驅(qū)動芯片調(diào)節(jié)LED燈的亮度。經(jīng)過改造后的高校教室照明燈更加智能，同時(shí)節(jié)約了大量的電能消耗，降低了無用照明時(shí)間，也提高了照明設(shè)備的工作壽命。經(jīng)過測試，智能化控制教室照明系統(tǒng)有效減少20%的電能損耗。