MSP430超低功耗單片機(jī)的便攜式智能燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院 周立杰 井新宇

本文設(shè)計(jì)完成了一款基于MSP430系列單片機(jī)的低功耗便攜式智能節(jié)能燈光控制器。手動(dòng)和自動(dòng)調(diào)光兩種模式一鍵切換（LED指示當(dāng)前模式），直接采用USB供電，設(shè)計(jì)中利用OPT3001光數(shù)字傳感器實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)感應(yīng)，利用人體紅外線接近感應(yīng)器SR-602判斷人體活動(dòng)信息，將光強(qiáng)信息與人體位置信息發(fā)送至單片機(jī)綜合處理分析，控制多個(gè)燈光檔位調(diào)光，實(shí)現(xiàn)燈光自動(dòng)化智能控制。在照明中，提供律動(dòng)光設(shè)計(jì)，促進(jìn)減少眼疲勞。

1 裝置設(shè)計(jì)要求及其指標(biāo)

1.1 設(shè)計(jì)要求

（1）產(chǎn)品有自動(dòng)、手動(dòng)兩種模式，由觸摸按鍵進(jìn)行切換，具有模式指示燈。（2）燈光補(bǔ)償后環(huán)境光照在人眼舒適的照度范圍內(nèi)（300lux～500lux），并在環(huán)境光變化時(shí)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)照明檔位調(diào)節(jié)。（3）檢測(cè)人體離開>=5min啟動(dòng)待機(jī)模式，燈光調(diào)整至最低，直到檢測(cè)到人體接近恢復(fù)原有的照明檔位。（4）在連續(xù)檢測(cè)到使用者工作超過20min以上時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出久坐提示（音樂）。

1.2 性能指標(biāo)

（1）供電電源3.3V～5V。（2）最大功率中心亮度達(dá)到800lux。（3）<=300mm，120°扇形區(qū)域平均照度達(dá)到300lux。（4）人體檢測(cè)最遠(yuǎn)可達(dá)2m，最適范圍為0～40cm。

2 系統(tǒng)原理分析

2.1 傳感器檢測(cè)原理分析

2.1.1 光數(shù)字傳感器原理

光電傳感器是通過把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來實(shí)現(xiàn)控制的。光電傳感器在一般情有三部分構(gòu)成：發(fā)送器、接收器和檢測(cè)電路。積分式ADC轉(zhuǎn)換器對(duì)流過光敏二極管的電流進(jìn)行積分，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，轉(zhuǎn)換結(jié)果將存入芯片內(nèi)部結(jié)果寄存器中。

2.1.2 熱釋電紅外人體接近感應(yīng)器原理分析

當(dāng)人體輻射的紅外線通過菲涅爾透鏡被聚焦在熱釋電紅外傳感器的探測(cè)元上時(shí)，電路中的傳感器將輸出電壓信號(hào)。紅外熱釋電紅外傳感器只對(duì)波長(zhǎng)為10um(人體輻射紅外線波長(zhǎng))左右的紅外輻射敏感，所以除人體以外的其他物體不會(huì)引發(fā)探頭動(dòng)作。

2.2 照明調(diào)光原理分析

脈寬控制調(diào)光（簡(jiǎn)稱PWM）可以稱為是數(shù)字調(diào)光，控制方波的占空比，從而達(dá)到控制電流的目的。它可以通過數(shù)字編程方式做成無線網(wǎng)絡(luò)的形式進(jìn)行0-100%的調(diào)光，調(diào)光效果很好，光照穩(wěn)定可靠。

2.3 律動(dòng)光原理分析

在照明過程中，燈光亮度在原有檔位基礎(chǔ)上緩慢向上波動(dòng)5%，頻率為30次/h。在循環(huán)亮度調(diào)節(jié)中，亮度變化的律動(dòng)光，會(huì)減小燈光對(duì)眼睛的傷害，一定程度上減小眼睛疲勞。

3 系統(tǒng)方案

3.1 系統(tǒng)分析

本系統(tǒng)采用USB口直接供電，省略電源開關(guān)，LED燈珠照明補(bǔ)償環(huán)境光。光數(shù)字傳感器OPT3001通過讀取環(huán)境光，經(jīng)過iic接口發(fā)送至單片機(jī)中，經(jīng)過單片機(jī)處理選擇出合適的照明檔位。而紅外人體感應(yīng)裝置則是當(dāng)使用者中途離開，為起到環(huán)保節(jié)能的作用，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入到待機(jī)模式，即照明檔位最低。當(dāng)連續(xù)工作20min時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)發(fā)出提示音樂信號(hào)，開啟使用者久坐提醒模式。

3.2 系統(tǒng)原理圖（圖1）

圖1 系統(tǒng)原理圖

3.3 主控芯片選擇

MSP430系列單片機(jī)，功耗低，3.3V供電，16位，運(yùn)行速度快，片內(nèi)集成資源豐富，有兩組普通IO口具有中斷功能。設(shè)備體積小，外設(shè)資源較豐富的單片機(jī)，故選擇此方案。

4 硬件設(shè)計(jì)

4.1 電源電路

由USB供電到輸入靜電放電保護(hù)芯片TPD2E001，再經(jīng)由LDO電路將5V轉(zhuǎn)至3.3V，LDO芯片選用TLV70233。

TPD2E001是一款基于雙通道瞬態(tài)電壓抑制器的靜電放電（ESD）保護(hù)二極管陣列，提供更高的IEC ESD保護(hù)，更低的鉗位電壓，并消除了輸入電容的要求。

TLV70233DBVR是一款3.3V固定輸出低壓降（LDO）線性穩(wěn)壓器，這是一種低靜態(tài)電流器件，具有出色的線路和負(fù)載瞬態(tài)性能。該設(shè)備專為對(duì)功耗敏感的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。低輸出噪聲，極高的電源抑制比（PSRR）和低壓降（LDO）電壓使該系列設(shè)備非常適合各種電池供電的手持式設(shè)備。工作時(shí)EN使能端應(yīng)處于高電平。如圖2、圖3所示。

圖2 USB供電保護(hù)原理圖

圖3 LDO電路原理圖

4.2 光照度測(cè)量方法的選擇與工作原理分析

光數(shù)字傳感器OPT3001，兼具精密的頻譜響應(yīng)和較強(qiáng)的IR阻隔功能，能夠如人眼般準(zhǔn)確測(cè)量光強(qiáng)且不受光源影響。測(cè)量范圍大，自動(dòng)滿量程測(cè)量，在23位有效動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)進(jìn)行光測(cè)量。且對(duì)人體輻射紅外線有良好的隔離效果。3.3V供電電壓，由iic接口訪問內(nèi)部結(jié)果寄存器得到光強(qiáng)信息，更配有INT端中斷觸發(fā)。如圖4所示。

圖4 光數(shù)字傳感器原理圖

4.3 熱釋電紅外人體接近感應(yīng)電路

本系統(tǒng)選用SR-602傳感模塊，使用電壓范圍為：3.3V-15V。靈敏度高且可以進(jìn)行多檔位靈敏度調(diào)節(jié)，響應(yīng)快。當(dāng)有人體經(jīng)過被檢測(cè)到，輸出信號(hào)腳singnal out輸出高電平，高電平為+3.3V，可以直接當(dāng)作TTL信號(hào)輸入至MSP430單片機(jī)中。

其中SENSE為靈敏度調(diào)節(jié)引腳，更據(jù)其電平大小確定傳感器靈敏度，本系統(tǒng)設(shè)置0V，默認(rèn)靈敏度最高，可以檢測(cè)更遠(yuǎn)的距離。OEN為使能引腳，該引腳應(yīng)處于0.20VDD～0.4VDD之間。REL為輸出信號(hào)引腳，輸出高電平時(shí)間由ONTME控制。ONTIME引腳為高電平輸出時(shí)間控制引腳，本系統(tǒng)設(shè)置電平為零，輸出高電平時(shí)長(zhǎng)為2.3s。如圖5所示。

圖5 熱釋電傳感器電路原理圖

4.4 電容式觸摸按鍵電路

本系統(tǒng)選用TTP223電容式觸摸按鍵，將銅皮替換傳統(tǒng)按鍵，人手觸碰時(shí)，輸出信號(hào)腳會(huì)輸出低電平。按鍵長(zhǎng)按，觸發(fā)自動(dòng)手動(dòng)模式切換，自動(dòng)模式指示燈亮；在手動(dòng)擋時(shí)，點(diǎn)觸可實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能，手動(dòng)模式指示燈亮。如圖6所示。

圖6 電容式觸摸按鍵原理圖

C5選擇30pF電容，此電容影響傳感器靈敏度，電容選擇應(yīng)在20pF～50pF之間，若直接接地則靈敏度最高，考慮到因靈敏度過高可能觸摸按鍵出現(xiàn)誤判的情況故選擇30pF電容，減小靈敏度以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性能。

其AHLB引腳的作用是選擇直接模式的輸出高低電平有效，TOG引腳選擇輸出模式，Q端為信號(hào)輸出引腳。本系統(tǒng)AHLB引腳為高電平，AHLB引腳為高電平，故Q端功能為觸發(fā)模式，上電狀態(tài)為高電平。

5 軟件設(shè)計(jì)

5.1 軟件設(shè)計(jì)流程圖（圖7）

圖7 智能燈軟件設(shè)計(jì)主流程圖

5.2 程序分析

因光數(shù)字傳感器OPT3001光數(shù)字轉(zhuǎn)換前需要初始化配置，故首先進(jìn)行iic通信初始化及傳感器相關(guān)寄存器配置，并開始自動(dòng)調(diào)光，在系統(tǒng)初始化過程中給予使用者舒適的光照。隨后進(jìn)入循環(huán)階段，首選判斷模式是自動(dòng)或手動(dòng)。本系統(tǒng)初始化模式為自動(dòng)，接著在檢測(cè)人體信息，讀取OPT3001結(jié)果寄存器并處理，得到此時(shí)的照度，自動(dòng)進(jìn)行照明檔位的選擇，補(bǔ)償環(huán)境光使之處于300lux～500lux之間。若檢測(cè)到使用者離開，則進(jìn)入計(jì)時(shí)階段，在5min之后依然處于無人狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)階段，并在檢測(cè)到人體時(shí)自動(dòng)恢復(fù)原來的照明檔位。當(dāng)觸摸按鍵長(zhǎng)時(shí)間按下，模式切換到手動(dòng)，輕觸按鍵實(shí)現(xiàn)亮度10%～100%的循環(huán)調(diào)光。

此外，當(dāng)使用者開機(jī)后，工作時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，當(dāng)持續(xù)工作到達(dá)20min后啟動(dòng)久坐提醒（播放音樂），直到人體離開，結(jié)束此模式，工作時(shí)間定時(shí)器自動(dòng)清零；也可以自主手動(dòng)觸摸按鍵進(jìn)行定時(shí)器清零，繼續(xù)工作，給使用者提供良好的主觀意見。

6 測(cè)試結(jié)果

如表1所示，經(jīng)過對(duì)0～300lux的不同照度環(huán)境光測(cè)試，在使用本產(chǎn)品后環(huán)境照度基本在較適合人眼的范圍內(nèi)。

表1 不同環(huán)境光照測(cè)試結(jié)果表

在人體距離感應(yīng)測(cè)試中，0～40cm為最佳感應(yīng)位置，2m以內(nèi)為最大有效距離。在人體離開相應(yīng)事件后，本系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)整亮度，有效的起到節(jié)能的效果。

本系統(tǒng)通過選用人眼效應(yīng)較好的光數(shù)字傳感器OPT3001，以及處理能力快、片內(nèi)資源豐富的MSP430系列單片機(jī)，能夠達(dá)到很好的照明補(bǔ)償；熱釋電紅外人體接近感應(yīng)器SR-501靈敏度符合本系統(tǒng)使用環(huán)境，有效檢測(cè)使用者工作情況，待機(jī)模式以及自動(dòng)調(diào)光模式具有良好的節(jié)能效益，可以提供使用者較好的光照環(huán)境。