MSP430超低功耗单片机的便携式智能灯控制系统设计

江阴职业技术学院 周立杰 井新宇

本文设计完成了一款基于MSP430系列单片机的低功耗便携式智能节能灯光控制器。手动和自动调光两种模式一键切换（LED指示当前模式），直接采用USB供电，设计中利用OPT3001光数字传感器实现光强感应，利用人体红外线接近感应器SR-602判断人体活动信息，将光强信息与人体位置信息发送至单片机综合处理分析，控制多个灯光档位调光，实现灯光自动化智能控制。在照明中，提供律动光设计，促进减少眼疲劳。

1 装置设计要求及其指标

1.1 设计要求

（1）产品有自动、手动两种模式，由触摸按键进行切换，具有模式指示灯。（2）灯光补偿后环境光照在人眼舒适的照度范围内（300lux～500lux），并在环境光变化时自动实现照明档位调节。（3）检测人体离开>=5min启动待机模式，灯光调整至最低，直到检测到人体接近恢复原有的照明档位。（4）在连续检测到使用者工作超过20min以上时，系统发出久坐提示（音乐）。

1.2 性能指标

（1）供电电源3.3V～5V。（2）最大功率中心亮度达到800lux。（3）<=300mm，120°扇形区域平均照度达到300lux。（4）人体检测最远可达2m，最适范围为0～40cm。

2 系统原理分析

2.1 传感器检测原理分析

2.1.1 光数字传感器原理

光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电传感器在一般情有三部分构成：发送器、接收器和检测电路。积分式ADC转换器对流过光敏二极管的电流进行积分，并转换为数字量，转换结果将存入芯片内部结果寄存器中。

2.1.2 热释电红外人体接近感应器原理分析

当人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜被聚焦在热释电红外传感器的探测元上时，电路中的传感器将输出电压信号。红外热释电红外传感器只对波长为10um(人体辐射红外线波长)左右的红外辐射敏感，所以除人体以外的其他物体不会引发探头动作。

2.2 照明调光原理分析

脉宽控制调光（简称PWM）可以称为是数字调光，控制方波的占空比，从而达到控制电流的目的。它可以通过数字编程方式做成无线网络的形式进行0-100%的调光，调光效果很好，光照稳定可靠。

2.3 律动光原理分析

在照明过程中，灯光亮度在原有档位基础上缓慢向上波动5%，频率为30次/h。在循环亮度调节中，亮度变化的律动光，会减小灯光对眼睛的伤害，一定程度上减小眼睛疲劳。

3 系统方案

3.1 系统分析

本系统采用USB口直接供电，省略电源开关，LED灯珠照明补偿环境光。光数字传感器OPT3001通过读取环境光，经过iic接口发送至单片机中，经过单片机处理选择出合适的照明档位。而红外人体感应装置则是当使用者中途离开，为起到环保节能的作用，系统自动进入到待机模式，即照明档位最低。当连续工作20min时，系统应发出提示音乐信号，开启使用者久坐提醒模式。

3.2 系统原理图（图1）

图1 系统原理图

3.3 主控芯片选择

MSP430系列单片机，功耗低，3.3V供电，16位，运行速度快，片内集成资源丰富，有两组普通IO口具有中断功能。设备体积小，外设资源较丰富的单片机，故选择此方案。

4 硬件设计

4.1 电源电路

由USB供电到输入静电放电保护芯片TPD2E001，再经由LDO电路将5V转至3.3V，LDO芯片选用TLV70233。

TPD2E001是一款基于双通道瞬态电压抑制器的静电放电（ESD）保护二极管阵列，提供更高的IEC ESD保护，更低的钳位电压，并消除了输入电容的要求。

TLV70233DBVR是一款3.3V固定输出低压降（LDO）线性稳压器，这是一种低静态电流器件，具有出色的线路和负载瞬态性能。该设备专为对功耗敏感的应用而设计。低输出噪声，极高的电源抑制比（PSRR）和低压降（LDO）电压使该系列设备非常适合各种电池供电的手持式设备。工作时EN使能端应处于高电平。如图2、图3所示。

图2 USB供电保护原理图

图3 LDO电路原理图

4.2 光照度测量方法的选择与工作原理分析

光数字传感器OPT3001，兼具精密的频谱响应和较强的IR阻隔功能，能够如人眼般准确测量光强且不受光源影响。测量范围大，自动满量程测量，在23位有效动态范围内进行光测量。且对人体辐射红外线有良好的隔离效果。3.3V供电电压，由iic接口访问内部结果寄存器得到光强信息，更配有INT端中断触发。如图4所示。

图4 光数字传感器原理图

4.3 热释电红外人体接近感应电路

本系统选用SR-602传感模块，使用电压范围为：3.3V-15V。灵敏度高且可以进行多档位灵敏度调节，响应快。当有人体经过被检测到，输出信号脚singnal out输出高电平，高电平为+3.3V，可以直接当作TTL信号输入至MSP430单片机中。

其中SENSE为灵敏度调节引脚，更据其电平大小确定传感器灵敏度，本系统设置0V，默认灵敏度最高，可以检测更远的距离。OEN为使能引脚，该引脚应处于0.20VDD～0.4VDD之间。REL为输出信号引脚，输出高电平时间由ONTME控制。ONTIME引脚为高电平输出时间控制引脚，本系统设置电平为零，输出高电平时长为2.3s。如图5所示。

图5 热释电传感器电路原理图

4.4 电容式触摸按键电路

本系统选用TTP223电容式触摸按键，将铜皮替换传统按键，人手触碰时，输出信号脚会输出低电平。按键长按，触发自动手动模式切换，自动模式指示灯亮；在手动挡时，点触可实现调光功能，手动模式指示灯亮。如图6所示。

图6 电容式触摸按键原理图

C5选择30pF电容，此电容影响传感器灵敏度，电容选择应在20pF～50pF之间，若直接接地则灵敏度最高，考虑到因灵敏度过高可能触摸按键出现误判的情况故选择30pF电容，减小灵敏度以提高系统稳定性能。

其AHLB引脚的作用是选择直接模式的输出高低电平有效，TOG引脚选择输出模式，Q端为信号输出引脚。本系统AHLB引脚为高电平，AHLB引脚为高电平，故Q端功能为触发模式，上电状态为高电平。

5 软件设计

5.1 软件设计流程图（图7）

图7 智能灯软件设计主流程图

5.2 程序分析

因光数字传感器OPT3001光数字转换前需要初始化配置，故首先进行iic通信初始化及传感器相关寄存器配置，并开始自动调光，在系统初始化过程中给予使用者舒适的光照。随后进入循环阶段，首选判断模式是自动或手动。本系统初始化模式为自动，接着在检测人体信息，读取OPT3001结果寄存器并处理，得到此时的照度，自动进行照明档位的选择，补偿环境光使之处于300lux～500lux之间。若检测到使用者离开，则进入计时阶段，在5min之后依然处于无人状态时系统自动进入待机阶段，并在检测到人体时自动恢复原来的照明档位。当触摸按键长时间按下，模式切换到手动，轻触按键实现亮度10%～100%的循环调光。

此外，当使用者开机后，工作时间进行计时，当持续工作到达20min后启动久坐提醒（播放音乐），直到人体离开，结束此模式，工作时间定时器自动清零；也可以自主手动触摸按键进行定时器清零，继续工作，给使用者提供良好的主观意见。

6 测试结果

如表1所示，经过对0～300lux的不同照度环境光测试，在使用本产品后环境照度基本在较适合人眼的范围内。

表1 不同环境光照测试结果表

在人体距离感应测试中，0～40cm为最佳感应位置，2m以内为最大有效距离。在人体离开相应事件后，本系统能够自动调整亮度，有效的起到节能的效果。

本系统通过选用人眼效应较好的光数字传感器OPT3001，以及处理能力快、片内资源丰富的MSP430系列单片机，能够达到很好的照明补偿；热释电红外人体接近感应器SR-501灵敏度符合本系统使用环境，有效检测使用者工作情况，待机模式以及自动调光模式具有良好的节能效益，可以提供使用者较好的光照环境。