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(kāi)>=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(guò)20min以上時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出久坐提示（音樂(lè)）。

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(guò)把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)數(shù)字編程方式做成無(wú)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(guò)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(kāi)關(guān)，LED燈珠照明補(bǔ)償環(huán)境光。光數(shù)字傳感器OPT3001通過(guò)讀取環(huán)境光，經(jīng)過(guò)iic接口發(fā)送至單片機(jī)中，經(jīng)過(guò)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(kāi)，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(lè)信號(hào)，開(kāi)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(wèn)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(guò)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(guò)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(kāi)始自動(dòng)調(diào)光，在系統(tǒng)初始化過(guò)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(kāi)，則進(jìn)入計(jì)時(shí)階段，在5min之后依然處于無(wú)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(lái)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(kāi)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(lè)），直到人體離開(kāi)，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(jiàn)。

6 測(cè)試結(jié)果

如表1所示，經(jīng)過(guò)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(kāi)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(guò)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。