MSP430超低功耗單片機的便攜式智能燈控制系統設計

江陰職業技術學院 周立杰 井新宇

本文設計完成了一款基于MSP430系列單片機的低功耗便攜式智能節能燈光控制器。手動和自動調光兩種模式一鍵切換（LED指示當前模式），直接采用USB供電，設計中利用OPT3001光數字傳感器實現光強感應，利用人體紅外線接近感應器SR-602判斷人體活動信息，將光強信息與人體位置信息發送至單片機綜合處理分析，控制多個燈光檔位調光，實現燈光自動化智能控制。在照明中，提供律動光設計，促進減少眼疲勞。

1 裝置設計要求及其指標

1.1 設計要求

（1）產品有自動、手動兩種模式，由觸摸按鍵進行切換，具有模式指示燈。（2）燈光補償后環境光照在人眼舒適的照度范圍內（300lux～500lux），并在環境光變化時自動實現照明檔位調節。（3）檢測人體離開>=5min啟動待機模式，燈光調整至最低，直到檢測到人體接近恢復原有的照明檔位。（4）在連續檢測到使用者工作超過20min以上時，系統發出久坐提示（音樂）。

1.2 性能指標

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

2 系統原理分析

2.1 傳感器檢測原理分析

2.1.1 光數字傳感器原理

光電傳感器是通過把光強度的變化轉換成電信號的變化來實現控制的。光電傳感器在一般情有三部分構成：發送器、接收器和檢測電路。積分式ADC轉換器對流過光敏二極管的電流進行積分，并轉換為數字量，轉換結果將存入芯片內部結果寄存器中。

2.1.2 熱釋電紅外人體接近感應器原理分析

當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元上時，電路中的傳感器將輸出電壓信號。紅外熱釋電紅外傳感器只對波長為10um(人體輻射紅外線波長)左右的紅外輻射敏感，所以除人體以外的其他物體不會引發探頭動作。

2.2 照明調光原理分析

脈寬控制調光（簡稱PWM）可以稱為是數字調光，控制方波的占空比，從而達到控制電流的目的。它可以通過數字編程方式做成無線網絡的形式進行0-100%的調光，調光效果很好，光照穩定可靠。

2.3 律動光原理分析

在照明過程中，燈光亮度在原有檔位基礎上緩慢向上波動5%，頻率為30次/h。在循環亮度調節中，亮度變化的律動光，會減小燈光對眼睛的傷害，一定程度上減小眼睛疲勞。

3 系統方案

3.1 系統分析

本系統采用USB口直接供電，省略電源開關，LED燈珠照明補償環境光。光數字傳感器OPT3001通過讀取環境光，經過iic接口發送至單片機中，經過單片機處理選擇出合適的照明檔位。而紅外人體感應裝置則是當使用者中途離開，為起到環保節能的作用，系統自動進入到待機模式，即照明檔位最低。當連續工作20min時，系統應發出提示音樂信號，開啟使用者久坐提醒模式。

3.2 系統原理圖（圖1）

圖1 系統原理圖

3.3 主控芯片選擇

MSP430系列單片機，功耗低，3.3V供電，16位，運行速度快，片內集成資源豐富，有兩組普通IO口具有中斷功能。設備體積小，外設資源較豐富的單片機，故選擇此方案。

4 硬件設計

4.1 電源電路

由USB供電到輸入靜電放電保護芯片TPD2E001，再經由LDO電路將5V轉至3.3V，LDO芯片選用TLV70233。

TPD2E001是一款基于雙通道瞬態電壓抑制器的靜電放電（ESD）保護二極管陣列，提供更高的IEC ESD保護，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）線性穩壓器，這是一種低靜態電流器件，具有出色的線路和負載瞬態性能。該設備專為對功耗敏感的應用而設計。低輸出噪聲，極高的電源抑制比（PSRR）和低壓降（LDO）電壓使該系列設備非常適合各種電池供電的手持式設備。工作時EN使能端應處于高電平。如圖2、圖3所示。

圖2 USB供電保護原理圖

圖3 LDO電路原理圖

4.2 光照度測量方法的選擇與工作原理分析

光數字傳感器OPT3001，兼具精密的頻譜響應和較強的IR阻隔功能，能夠如人眼般準確測量光強且不受光源影響。測量范圍大，自動滿量程測量，在23位有效動態范圍內進行光測量。且對人體輻射紅外線有良好的隔離效果。3.3V供電電壓，由iic接口訪問內部結果寄存器得到光強信息，更配有INT端中斷觸發。如圖4所示。

圖4 光數字傳感器原理圖

4.3 熱釋電紅外人體接近感應電路

本系統選用SR-602傳感模塊，使用電壓范圍為：3.3V-15V。靈敏度高且可以進行多檔位靈敏度調節，響應快。當有人體經過被檢測到，輸出信號腳singnal out輸出高電平，高電平為+3.3V，可以直接當作TTL信號輸入至MSP430單片機中。

其中SENSE為靈敏度調節引腳，更據其電平大小確定傳感器靈敏度，本系統設置0V，默認靈敏度最高，可以檢測更遠的距離。OEN為使能引腳，該引腳應處于0.20VDD～0.4VDD之間。REL為輸出信號引腳，輸出高電平時間由ONTME控制。ONTIME引腳為高電平輸出時間控制引腳，本系統設置電平為零，輸出高電平時長為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

本系統選用TTP223電容式觸摸按鍵，將銅皮替換傳統按鍵，人手觸碰時，輸出信號腳會輸出低電平。按鍵長按，觸發自動手動模式切換，自動模式指示燈亮；在手動擋時，點觸可實現調光功能，手動模式指示燈亮。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誤判的情況故選擇30pF電容，減小靈敏度以提高系統穩定性能。

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端為信號輸出引腳。本系統AHLB引腳為高電平，AHLB引腳為高電平，故Q端功能為觸發模式，上電狀態為高電平。

5 軟件設計

5.1 軟件設計流程圖（圖7）

圖7 智能燈軟件設計主流程圖

5.2 程序分析

因光數字傳感器OPT3001光數字轉換前需要初始化配置，故首先進行iic通信初始化及傳感器相關寄存器配置，并開始自動調光，在系統初始化過程中給予使用者舒適的光照。隨后進入循環階段，首選判斷模式是自動或手動。本系統初始化模式為自動，接著在檢測人體信息，讀取OPT3001結果寄存器并處理，得到此時的照度，自動進行照明檔位的選擇，補償環境光使之處于300lux～500lux之間。若檢測到使用者離開，則進入計時階段，在5min之后依然處于無人狀態時系統自動進入待機階段，并在檢測到人體時自動恢復原來的照明檔位。當觸摸按鍵長時間按下，模式切換到手動，輕觸按鍵實現亮度10%～100%的循環調光。

此外，當使用者開機后，工作時間進行計時，當持續工作到達20min后啟動久坐提醒（播放音樂），直到人體離開，結束此模式，工作時間定時器自動清零；也可以自主手動觸摸按鍵進行定時器清零，繼續工作，給使用者提供良好的主觀意見。

6 測試結果

如表1所示，經過對0～300lux的不同照度環境光測試，在使用本產品后環境照度基本在較適合人眼的范圍內。

表1 不同環境光照測試結果表

在人體距離感應測試中，0～40cm為最佳感應位置，2m以內為最大有效距離。在人體離開相應事件后，本系統能夠自動調整亮度，有效的起到節能的效果。

本系統通過選用人眼效應較好的光數字傳感器OPT3001，以及處理能力快、片內資源豐富的MSP430系列單片機，能夠達到很好的照明補償；熱釋電紅外人體接近感應器SR-501靈敏度符合本系統使用環境，有效檢測使用者工作情況，待機模式以及自動調光模式具有良好的節能效益，可以提供使用者較好的光照環境。