基于MSP430單片機(jī)的智能LED臺(tái)燈設(shè)計(jì)

劉剛 王立香

【摘 要】本文設(shè)計(jì)了一款基于MSP430F6638為控制核心的多功能能臺(tái)燈，采用LED為光源。臺(tái)燈支持手動(dòng)或自動(dòng)通過PWM方式調(diào)整光源亮度，利用熱釋電紅外探測(cè)器檢測(cè)用戶與桌面的距離，對(duì)坐姿就行糾正，利用語音控制模塊實(shí)現(xiàn)臺(tái)燈的語音控制，同時(shí)，利用單片機(jī)內(nèi)部集成的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，可以實(shí)現(xiàn)臺(tái)燈的定時(shí)開關(guān)功能。

【關(guān)鍵詞】智能LED臺(tái)；語音控制；光強(qiáng)調(diào)節(jié)

中圖分類號(hào)： TU855；TN912.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）21-0012-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.21.005

【Abstract】In this paper，a multi-function desk lamp based on MSP430F6638 is designed，and LED is used as the light source.The table lamp supports manual or automatic adjustment of the luminance of the light source by PWM， and uses the pyroelectric infrared detector to detect the distance between the user and the desktop to correct the sitting posture.The voice control module is used to realize the voice control of the desk lamp，and at the same time，the timing switch function of the desk lamp can be realized by using the real-time clock integrated in the single chip microcomputer.

【Key words】Intelligent LED desk lamp；Voice control；Light intensity adjustment

0 引言

隨著智能控制技術(shù)和LED技術(shù)的發(fā)展，照明技術(shù)進(jìn)入了智能時(shí)代。智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)綠色照明的基礎(chǔ)，也是現(xiàn)代照明的核心技術(shù)之一[1]。傳統(tǒng)的臺(tái)燈光源一般采用熒光燈和白熾燈，白熾燈的照明效率非常低，只有約5%的耗電用來產(chǎn)生照明，而普通熒光燈的亮度由于驅(qū)動(dòng)方式的原因不可調(diào)節(jié)，容易造成電能的浪費(fèi)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，照明已經(jīng)占我國(guó)發(fā)電總量的12%[2] ， 因此，非常有必要對(duì)節(jié)約照明用電進(jìn)行研究。此外，傳統(tǒng)的臺(tái)燈由于頻閃、光源色度和光學(xué)特性的原因，容易造成眼睛疲勞，損害用戶的視力[3]。LED是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為光能的半導(dǎo)體器件，并且能源轉(zhuǎn)換效率高， 是新一代的綠色光源[4]，在照明系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。智能照明的目的在于節(jié)能，其核心是通過智能控制系統(tǒng)，對(duì)照明進(jìn)行有效的控制。因此，設(shè)計(jì)一款能夠智能控制的、亮度方便調(diào)整的、同時(shí)能夠糾正坐姿的護(hù)眼節(jié)能護(hù)眼臺(tái)燈具有很高的應(yīng)用價(jià)值。本文采用LED作為光源，采用MSP430F6638作為控制器，設(shè)計(jì)了一款多功能的智能控制臺(tái)燈，能夠?qū)崿F(xiàn)亮度的自動(dòng)和手動(dòng)調(diào)節(jié)，可以糾正坐姿以及語言控制、定時(shí)等功能的智能臺(tái)燈。

1 硬件設(shè)計(jì)原理

硬件電路主要包括電源電路、亮度調(diào)節(jié)電路、坐姿糾正報(bào)警電路、語音控制電路、LED驅(qū)動(dòng)電路、時(shí)鐘電路等部分。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

系統(tǒng)的控制核心MSP430單片機(jī)采用TI公司的MSP430F6638芯片，該芯片是一塊具有超低功耗的16位、具有精簡(jiǎn)指令集的微處理器。芯片內(nèi)部集成了定時(shí)器、比較器、液晶顯示器接口、通用的串行通信接口（USCI）、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換等模塊，廣泛應(yīng)用于模擬和數(shù)字傳感系統(tǒng)、各種儀器儀表等領(lǐng)域。其中USCI接口可以實(shí)現(xiàn)UART通信、SPI通信、IrDA通信、通信等多種串行通信模式。利用集成的定時(shí)器除了可以完成精確定時(shí)，還可以輸出占空比可調(diào)的PWM等多種不同的信號(hào)，本系統(tǒng)中對(duì)LED的光強(qiáng)調(diào)節(jié)就是采用調(diào)整PWM的占空比完成的。

下文對(duì)系統(tǒng)主要的外圍模塊做簡(jiǎn)單的介紹和說明。

（1）光強(qiáng)傳感模塊

本文設(shè)計(jì)的多功能臺(tái)燈可以對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)整，光強(qiáng)的調(diào)整方式可以通過按鍵選擇自動(dòng)調(diào)整還是手動(dòng)調(diào)整。自動(dòng)調(diào)整是通過檢測(cè)外部自然光的亮度，根據(jù)環(huán)境光照度來自動(dòng)調(diào)整臺(tái)燈的亮度。其中，對(duì)環(huán)境光強(qiáng)的檢測(cè)通過傳感器模塊TSL2560完成。該芯片是TAOS公司的一款高速、低功耗、寬范圍的光強(qiáng)數(shù)字傳感器，該芯片集成了接口，與單片機(jī)的連接非常簡(jiǎn)單。

（2）坐姿糾正模塊

坐姿的糾正可以通過檢測(cè)用戶到桌面的距離來完成[5]，當(dāng)用戶距離桌面過進(jìn)時(shí)，通過安裝在LED底座上的發(fā)光二極管閃爍報(bào)警提示用戶糾正坐姿。距離的檢測(cè)可以通過熱釋電紅外傳感器實(shí)現(xiàn)，熱釋電紅外傳感器采用BISS0001，該芯片是一款高性能的傳感器處理器，用少量的外圍元器件即可構(gòu)成熱釋電紅外開關(guān)[6]。檢測(cè)的距離通可以過軟件進(jìn)行調(diào)節(jié)，方便用戶的使用。

（3）語音識(shí)別控制模塊

語音識(shí)別控制模塊用以通過語音來對(duì)臺(tái)燈進(jìn)行控制，其核心是語音識(shí)別芯片。本文采用語音識(shí)別模塊為WTK6900B-B01，該模塊可以實(shí)現(xiàn)固定詞匯，非特定人的語音識(shí)別，并且支持高達(dá)32種語言，在安靜的環(huán)境下，其識(shí)別距離可達(dá)2-3米，通過串行接口及IO口輸出識(shí)別結(jié)果。為了提高語音識(shí)別的準(zhǔn)確率，應(yīng)避免使用過近的詞條和過于相似的詞條，如“阿拉燈，開燈”的詞條由于長(zhǎng)度適中，相對(duì)于“開燈”或“開”這些過短的詞條，識(shí)別效果要好很多。

（4）LED驅(qū)動(dòng)和亮度調(diào)節(jié)模塊

本文采用24個(gè)LED作為發(fā)光光源，LED用專門的LED恒流驅(qū)動(dòng)芯片BP2808驅(qū)動(dòng)，該芯片具有多重LED保護(hù)功能，包括LED開路、短路、過溫保護(hù)。LED的亮度調(diào)節(jié)有手動(dòng)調(diào)節(jié)和自動(dòng)調(diào)節(jié)兩種方式。通過按鍵選擇亮度調(diào)節(jié)方式，當(dāng)工作在自動(dòng)調(diào)整亮度時(shí)，通過光強(qiáng)傳感器檢測(cè)環(huán)境光的強(qiáng)度，當(dāng)環(huán)境光線較弱時(shí)，自動(dòng)調(diào)整LED的亮度增強(qiáng)；當(dāng)環(huán)境光線較強(qiáng)時(shí)，則自動(dòng)降低LED的亮度。不管是手動(dòng)調(diào)節(jié)還是自動(dòng)調(diào)節(jié)，LED亮度的調(diào)節(jié)方式都是采用通過調(diào)整PWM來進(jìn)行調(diào)光。LED的亮度的手動(dòng)調(diào)節(jié)由單片機(jī)采集可調(diào)電阻兩端的電壓值來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)采集的可調(diào)電阻兩端的電壓值的大小，調(diào)整單片機(jī)PWM輸出引腳上的輸出PWM信號(hào)的占空比；當(dāng)自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度時(shí)，單片機(jī)根據(jù)采集的環(huán)境強(qiáng)度，產(chǎn)生不同占空比的PWM信號(hào)，單片機(jī)的PWM輸出引腳和BP2808的DIM引腳相連，因此，通過控制單片機(jī)PWM輸出信號(hào)的占空比，可以起到控制LED亮度調(diào)節(jié)的作用。

（5）鍵盤和液晶顯示模塊

為了方便和用戶的交互，臺(tái)燈裝配了一個(gè)4*4鍵盤和一片6位筆段式LCD顯示屏，用戶可以通過鍵盤設(shè)置亮度的調(diào)節(jié)方式是手動(dòng)還是自動(dòng)，通過鍵盤和MSP430F6638內(nèi)部集成的實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）模塊，可以設(shè)置臺(tái)燈的定時(shí)開、關(guān)。同時(shí)，顯示屏還可以顯示當(dāng)前時(shí)間，為了當(dāng)不連接電源插座時(shí)，RTC能夠工作，臺(tái)燈裝配有一塊3.7V的鋰離子充電電池，利用美國(guó)TI公司的BQ24156芯片，完成對(duì)電池的芯片，電池僅用于在臺(tái)燈沒有外接電源時(shí)，對(duì)MSP430單片機(jī)供電，以維持單片機(jī)內(nèi)部RTC模塊的正常運(yùn)行。對(duì)MSP430F6638單片機(jī)，內(nèi)部?jī)H有一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊RTC_B，由于該模塊在出廠時(shí)分頻系數(shù)已經(jīng)固定，因此，為了能夠提供給模塊1s的時(shí)長(zhǎng)單元，RTC_B模塊的時(shí)鐘源必須選擇32.768KHz。利用RTC，可以實(shí)現(xiàn)臺(tái)燈的定時(shí)開關(guān)功能，但當(dāng)臺(tái)燈未接外部電源時(shí)，定時(shí)開功能將不能對(duì)臺(tái)燈進(jìn)行點(diǎn)亮。

2 軟件的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件是為硬件服務(wù)的，軟件的主要功能模塊包括光強(qiáng)采集、鍵盤和LCD控制模塊、熱釋電紅外信號(hào)的處理和坐姿報(bào)警、語音識(shí)別模塊的處理、定時(shí)開關(guān)等部分。多功能臺(tái)燈的程序功能框圖如圖2所示。

3 結(jié)束語

隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展，功過能的智能臺(tái)燈必然是未來的主流臺(tái)燈照明工具。本文設(shè)計(jì)的臺(tái)燈可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定時(shí)開關(guān)、光強(qiáng)調(diào)節(jié)方便以及聲音控制等功能，同時(shí)具有坐姿糾正，起到保護(hù)視力的作用，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

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