基于msp430单片机的智能台灯设计(C语言)

1、桂林理工大学信息学院实 习 报 告实习名称： 电子系统设计创新与实践 设计题目： 基于单片机的智能台灯设计 专业班级： 姓 名： 学 号： 组 员： 指导老师： 实习时间： 目 录1概述31.1 题目名31.2 功能和技术指标要求31.3 国内外相关情况概述31.4 调光技术的选择42. 技术方案52.1 光照强度检测传感器的基本原理介绍52.2 总体技术方案53 硬件设计63.1 总体电路原理图63.2 各模块分别介绍73.2.1 MSP430G2553单片机模块73.2.2 BISS0001 人体红外感应模块 热释电传感器83.2.3光敏电阻控制模块113.2.4 光敏电阻的应用123.3

2、 灯光控制模块123.4 PWM调光说明133.5 硬件调试133.5.1 调试方法133.5.2 调试步骤144. 软件设计154.1 软件功能说明154.2 软件总流程154.3 软件测试155. 性能测试165.1 测试方法165.2 给出相应记录165.3 对实验数据进行分析以及提出相应的改进办法176.总结17附录（程序清单）：18参考文献：201概述1.1 题目名基于单片机的智能台灯设计1.2 功能和技术指标要求 本项目针对台灯的节电和使用的方便性进行创新设计与研究，以单片机为核心，综合运用热释电红外、光检测等技术，设计制作出智能型多功能LED台灯。该台灯具有自动开、关，自动调光等

3、功能，实现了LED的亮度随周围光照强度的变化而变化。本设计一智能台灯控制器，实现照明控制系统的人性化，即当亮度足够时灯光关闭，在亮度不足时，有人走近自动点亮，并根据周围环境的亮度自动调节灯泡的功率的节能环保的智能型LED台灯的设计理念。1.3 国内外相关情况概述台灯已是千家万户的必需生活电器，经常由于忘记关灯而造成巨大的能源浪费。在我国,照明耗电占年发电总量的12% (超过100亿kWh) , 现在的台灯绝大部分是采用普通的白炽灯、荧光灯、节能灯和螺旋节能灯 ,并且控制方式多采用手动开关,不能连续调节，更不能自动调节。当夜晚来临时，人们又摸黑去开灯，非常不方便，与现在家电的智能化，人性化，低碳

4、设计理念相违背。LED被认为是21世纪的照明光源。LED发光器件是冷光源，光效高，工作电压低，而且能耗低，可控制好、无辐射，同样亮度下，LED能耗为白炽灯的10，荧光灯的50。LED寿命可达10万小时，是荧光灯的10倍，白炽灯的100倍。随着能源紧缺、电价越来越高、环保要求及LED的光效的提高,用LED替代现在台灯普遍使用的白炽灯或荧光灯，环保无污染。另外，LED的光谱几乎全部集中于可见光频段,其发光效率可达8090%，并且传统的台灯中的光源体使用的是交流电，所以每秒钟会产生100120次的频闪。LED灯是把交流电直接转换为直流电，不会产生闪烁现象，保护眼睛，可以获得“柔和”的灯光环境。因此，

5、我们提出智能LED台灯方案。 1.4 调光技术的选择 目前常见的调光技术主要有：1采用直流电源LED 的调光技术。2采用脉宽调制（PWM）来调光。3用可控硅对LED 调光2。按照常规技术的应用有以下三种方案可供选择。方案一：采用直流电源LED 的调光技术如果需要要改变LED 的亮度，实现起来相对来说比较容易。发光二极管具有单向导电性是由电流驱动的器件，因为LED 的亮度是取决于通过它的电流，在一定范围内电流越大其亮度越亮，反之则越小。调节LED 的亮度只需要调节电流大小，而LED工作电流很小通常需要串接限流电阻，所以当我们改变其限流检测电阻就能实现改变其电流大小从而改变LED的亮度。但是通常限

6、流检测电阻阻值非常小，用一个很小阻值的电位器来调节电流，操作起来很难实现电流调节。所以一般不采用调节电阻大小来实现调节电流。因此为了实现电流调节，有些芯片提供一个控制电压接口，通过改变输入的控制电压就可以改变其输出恒流值。这样实现起来就比较容易。然而用调正向电流的方法来调亮度会产生一些问题，那就是在调亮度的同时也会改变它的光谱和色温。调电流会产生使恒流源无法工作的严重问题。长时间工作于低亮度有可能会使降压型恒流源效率降低温升增高而无法工作。调节正向电流无法得到精确调光。方案二：采用脉宽调制（PWM）来调光LED 是一个发光二极管，它可以快速实现开关。这一特点是其他的发光器件所无法比拟的。因此，

7、我们需要把供电源改成脉冲恒流源，改变电源脉冲宽度的方法，就可以改变其亮度。种方法称为脉宽调制（PWM）调光法。假如脉冲的周期为tpwm,脉冲宽度为ton,那么其工作比D（或称为孔度比）就是ton/tpwm.改变恒流源脉冲的工作比就可以改变LED 的亮度。简而言之，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加

8、到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。脉宽调制调光的优点：1、不会产生任何色谱偏移。2、PWM调光具有极高的调光精确度。3、可以和数字控制技术相结合来进行控制。因为任何数字都可以很容易变换成为一个PWM 信号。4、PWM调光能够通过软件的方式比较容易实现，使用范围广阔。方案三：可控硅调光普通的照明灯具通常采用可控硅来调光，例如白炽灯和卤素灯。因为他们基本是一个纯阻器件，以这样纯阻器件为照明工具的灯光系统对输入电压没有要求，输入电压是否是正弦波交流电对其没有任何影响。通过纯阻器件的电流和电压波形是完全一致的，所以不管电压波形如何偏离正弦波

9、，所以改变输入纯阻器件电压的有效值，就可以调光。但是可控硅却不能对以LED为照明器件的照明系统进行调光。因为LED并不是一个纯阻性的器件。综述来说LED调光最好采用的技术是PWM调光。采用PWM 调光时，可以运用微控系统，例如单片机，通过程序可以预先设置好灯光的亮度等级，然后通过调节等级就能实现对灯光的亮度的调节。PWM 调光是可以直接应用于调光型台灯的。因此最终选择PWM调光。2. 技术方案2.1 光照强度检测传感器的基本原理介绍光电传感器是基于光电效应、将光信号转换为电信号的传感器，其敏感元件是光电器件。光照传感器主要由光敏元件组成。目前光敏元件发展迅速、品种繁多、应用广泛。市场出售的有光

10、敏电阻器、光电二极管、光电三极管、光电耦合器和光电池等。2.2 总体技术方案 本项目的设计思想来源于生活，所具有的功能也是为台灯使用的方便性及节能环保而设置。针对目前普通台灯存在的能耗高、操作使用不便及功能单一三个问题进行系统分析与研究，以单片机MSP430G2553为控制核心，用热释电红外传感器BISS0001检测是否人进入使用台灯的范围，用光敏电阻判断有人在使用台灯范围时是否需要开灯。综合运用传感技术、光检测技术，实现台灯根据使用环境中是否有人员和环境补光亮度等来自动控制台灯的开关及照明的亮度。系统机构图3 硬件设计3.1 总体电路原理图 整个系统是以MSP430G2553控制下工作的。其

11、工作过程为：当环境光敏电阻的阻值也随之发生变化，单片机接收到的电压也随之发生变化。热释电红外传感器探测比较远的距离，当人体进入到传感器的控测范围内且光强较弱时，MSP430G2553接收并且处理信号，启动灯光控制电路，使灯慢慢变亮。当人体离开热释电红外传感器的控测范围且在热释电红外传感器的控测范围内时，灯光又慢慢变亮。3.2 各模块分别介绍3.2.1 MSP430G2553单片机模块 MSP430 系列超低功耗微控制器包含多种器件，这些器件特有面向多种应用的不同外设集。为了延长便携式测量应用中所用电池的寿命，对这个含5 种低功率模式的架构进行了优化。该器件具有一个强大的16 位RISC CPU

12、、16 位寄存器和有助于获得最大编码效率的常数发生器。数字控制振荡器(DCO) 可在不到1 µs 的时间里完成从低功耗模式至运行模式的唤醒。 MSP430G2x13 和 MSP430G2x53 系列是超低功耗混合信号微控制器，具有内置的16 位定时器、多达 24 个支持触摸感测的I/O 引脚、一个通用型模拟比较器以及采用通用串行通信接口的内置通信能力。此外，MSP430G2x53 系列成员还具有一个 10 位模数 (A/D) 转换器。MSP430G2553 特性 低电源电压范围：1.8V 至3.6V 超低功耗 运行模式：230 A （在1 MHz 频率下），2.2 V 待机模式：0.

13、5A 关闭模式（RAM 保持）：0.1A 5 种节能模式 可在不到1s 的时间里超快速地从待机模式唤醒 16 位RISC 架构、62.5ns 指令周期时间基本时钟模块配置 高达16 MHz 的内部频率，具有4 种校准频率 内部超低功耗低频(LF) 振荡器 32-kHz 晶体 外部数字时钟信号源 具有3 个捕获/比较寄存器的两个16 位Timer_A 多达24 个支持触摸感测的I/O 引脚通用串行通信接口(USCI) 增强型 UART 可支持自动波特率检测(LIN) IrDA 编码器和解码器 同步SPI I2C3.2.2 BISS0001 人体红外感应模块 热释电传感器是否有人需要使用台灯检测单

14、元主要由D203B热释电红外线传感器和信号处理芯片BISS0001组成。红热释电红外传感器只对波长为10m（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。探头内包含两个互相串联或并联的热释电元，而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，于是输出检测信号。 它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置

15、，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。特 点*CMOS工艺*数模混合*具有独立的高输入阻抗运算放大器*内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰*内设延迟时间定时器和封锁时间定时器*采用16脚DIP封装管脚图 实物图管脚说明引脚名称I/O功能说明1AI可重复触发和不可重复触发选择端。当A为“1”时，允许重复触发；反之，不可重复触发2VOO控制信号输出端。由VS的上跳变沿触发，使Vo输出从低电平跳变到高电平时视为有效触发。在输出延迟时间Tx之外和无VS的上跳变时，Vo保持低电平状态。3RR1-输出延迟时间Tx的调节端4RC1-输出延迟时间Tx的调

16、节端 5RC2-触发封锁时间Ti的调节端6RR2-触发封锁时间Ti的调节端7VSS-工作电源负端8VRFI参考电压及复位输入端。通常接VDD，当接“0”时可使定时器复位9VCI触发禁止端。当Vc<VR时禁止触发；当Vc>VR时允许触发(VR0.2VDD)10IB-运算放大器偏置电流设置端11VDD-工作电源正端122OUTO第二级运算放大器的输出端132IN-I第二级运算放大器的反相输入端141IN+I第一级运算放大器的同相输入端151IN-I第一级运算放大器的反相输入端161OUTO第一级运算放大器的输出端工作原理    BISS0001是

17、由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。BISS0001的热释电红外开关应用电路图    图中，运算放大器OP1将热释电红外传感器的输出信号作第一级放大，然后由C3耦合给运算放大器OP2进行第二级放大，再经由电压比较器COP1和COP2构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号Vs去启动延迟时间定时器，输出信号Vo经晶体管T1放大驱动继电器去接通负载。    上图中，R3为光敏电阻，用来检测环境照度。当作为照明控制时，若环境较明亮，R3的电阻值会降低，使9脚

18、的输入保持为低电平，从而封锁触发信号Vs。SW1是工作方式选择开关，当SW1与1端连通时，芯片处于可重复触发工作方式；当SW1与2端连通时，芯片则处于不可重复触发工作方式。图中R6可以调节放大器增益的大小，原厂图纸选10K，实际使用时可以用3K，可以提高电路增益改善电路性能。输出延迟时间Tx由外部的R9和C7的大小调整，触发封锁时间Ti由外部的R10和C6的大小调整，R9/R10可以用470欧姆，C6/C7可以选0.1U。3.2.3光敏电阻控制模块光敏电阻原理 光敏电阻器由能透光的半导体光电晶体构成，因半导体光电晶体成分不同，又分为可见光光敏电阻（硫化镉晶体）、红外光光敏电阻（砷化镓晶体）、和

19、紫外光光敏电阻（硫化锌晶体）。当敏感波长的光照半导体光电晶体表面，晶体内载流子增加，使其电导率增加（即电阻减小）。光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。3.2.4 光敏电阻的应用 光敏电阻器广泛应用于各种自动控制电路（如自动照明灯控制电路、自动报警电路等）、家用电器（如电视机中的亮度自动调节，照相机中的自动曝光控制等）及各种测量仪器中。 光敏电阻的阻值变化的范围为0-48K，对于R1电阻的选择，因为单片机P1.1口要检测的电压范围为0V-1

20、V、1V-2V、2V-3V，所以分为三个档，则光敏电阻的阻值也应该划分为三个，即0K-16K、16K-32K、32K-48K，因为（3.5-2）*32/2=24，所以电阻R1应选择24K的电阻。光敏电阻控制模块3.3 灯光控制模块 选用NPN三极管8050是利用了三极管的一个放大驱动以及开关特性，因为本身单片机I/O口输出的电压为3.5V，在LED的工作电压范围内，所以选择一个较小的电阻P3作为一个保护电路就可以了，C1电容的选择，主要是利用电容的充放电特性，集电极连通单片机的P2.0和发光LED，发射极接地，基极连接电阻R4作为保护电阻，受单片机的P1.2控制。P1.2根据光照强度的不同输出

21、占空比分别为0%、25%、75%的方波，通过控制三极管导通与否实现LED控制。灯光控制模块 3.4 PWM调光说明 PWM 脉冲调光信号由单片机P1.2 产生，单片机P1.2口的输出的高电平和低电平决定LED 是否通断。将定时器T0溢出中断定为1/2500 秒（即400 S），每10个脉冲信号作为一个周期，即频率为250HZ.这样，在每1/250 秒的周期中，通过改变方波的高低电平的个数，即改变占空比从而实现LED 灯的10级亮度调节，即LED亮度等级是由每个周期内的高电平脉冲的数目所决定的。当高电平脉冲个数为1时，占空比为1/10，亮度最低，当在一个周期中10个脉冲全为高电平时，占空比为1，

22、LED亮度最高。其调光原理如下图所示；3.5 硬件调试 调试是指系统的调整、改进与测试。测试是在电路组装后对电路的参数与工作状态进行测量，调整则是在测试的基础上对电路的某些参数进行修正，使满足设计要求。在进行调试前应拟订出测试项目、测试步骤、调试方法和所用仪器等，做到心中有数，保证调试工作圆满完成。 3.5.1 调试方法 调试方法原则有两种。第一种是边安装边调试的方法。它是把复杂的电路按原理框图上的功能分成单元进行安装和调试，在单元调试的基础上逐步扩大安装和调试的范围，最后完成整机调试。这种方法在新设计的电路中比较常用。第二种方法是在整个电路系统全部焊接完毕后，实行一次性调试。这种方法比较适用

23、于电路相对来说比较简单，系统不复杂的电路调试。3.5.2 调试步骤（1）通电前检查 电路焊接完毕后, 不要急于通电，首先要根据原理电路认真对照检查电路中的接接线是否正确，包括错线（连线一端正确、另一端错误），少线（安装时漏掉的线），多线（连线的两端在电路图上都是不存在的）和短路（特别是间距很小的引脚及焊点间），并且还要检查每个元件引脚的使用端数是否与图纸相符。要尽可能直接测量元器件引脚，这样同时可以发现接触不良的地方。（2）通电观察 在电路安装没有错误的情况下接通电源。但接通电源后不要立即进行电路功能的测试，首先要充观察整个电路有无异常现象，在电路中，我们首先是检查元器件是否有发热烧坏等现象，

24、是否有漏电现象，然后再检查电源是否有短路或者开路的现象等。我们在检查中，并没有发现元器件有发热或者漏电情况，电源也没有短路或者开路，然后继续测量发现单片机的各个引脚电压正常，除了三极管8050的集电极电压出现不稳定外其它元器件的电压也正常，然后我们怀疑是三极管的接头出现了虚焊，然后焊接加固后，问题解决了。（4）整机联调 我们首先进行检查的是单片机是否正常工作，再检查人体红外传感器工作是否正常。 单片机是本设计的核心控制器，只有保证单片机的正常工作才能完成程序的运行才能对显示电路、灯光电路的控制。 在焊接好电路板进行测试的时候。发现灯光一下子亮一下子暗，动一下接头，灯光也会发生变化，于是我们觉得

25、应该是发生了接触不良，于是我们更换了部分接头，闪烁的问题解决了，但是后来又发现在光照强度弱的时候，LED不亮，而在光照强度强的时候，LED反而亮了，于是我们通过测量单片机P1.1口的电压发现，光照强度弱的时候，电压低于1V，而光照强度强的时候，电压高于2V，于是我们将R1和光敏电阻的位置互换，调整了之后，我们又发生了新的问题，就是当输入P1.1口的电压在1-2V时，LED灯的亮度并没有发生变化，用示波器检测P1.2和P2.0输出的波形，发现都没有问题，证明我们的程序是完全没有问题的，后来我们把接有LED灯的一端接到P2.0，三极管B极那一端接到P1.2，利用P1.2的变化实现三极管的开关特性，

26、更换了之后，问题解决，随后我们发现我们本来设置的输出PWM占空比为50%和75%，这2个变化并不是那么明显，于是为了试验更清楚，我们把50%改为25%，改了之后，亮度变化明显了很多，整个硬件电路完全符合要求了。 可以看到在电子电路焊接的过程中，一定要保持谨慎严格的态度，否则会导致整个实验的失败。4. 软件设计4.1 软件功能说明 人体红外传感器的输出口连接在单片机的P1.4口，光敏电阻的电压输入到单片机P1.1口，单片机进行AD转换，将模拟量转换为数字量。当P1.4为高电平时，如果电压范围在0-1V，则P1.2输出PWM占空比为0%的方波；如果电压范围在1-2V，则P1.2输出PWM占空比为2

27、5%的方波；如果电压范围在2-3V，则P1.2输出PWM占空比为75%的方波。4.2 软件总流程4.3 软件测试 编译后发现定时器设置出现了一些错误，原因是有个地方写错了，把P1.2口的设置写成P2.0口。通过修改后发现无误后，用寄存器观察变化，没有发现错误。5. 性能测试5.1 测试方法 把示波器的2个接头分别接在LED灯的两端，在不同的亮度下观察示波器的波形。5.2 给出相应记录 在完全黑暗的条件下，单片机P1.1口电压范围在2V-3V时，示波器检测到的波形约为75%的方波。 在光照强度较弱的条件下，单片机P1.1口电压范围在1V-2V时，示波器检测到的波形约为25%的方波。 在光照强度较

28、强的条件下，单片机P1.1口电压范围在0V-1V时，或人远离人体红外传感器时，示波器检测到的波形为0%的方波。5.3 对实验数据进行分析以及提出相应的改进办法 波形出现一定的干扰，在示波器的2个接头都悬空的情况下，干扰并没有消失，所以我们认为干扰是仪器本身出现的。6.总结 本次实习我主要负责的是查找资料、设计方案、画PCB、编写程序、硬件的焊接与调试。在这个过程当中，也遇上了不少问题，一开始是考虑用51单片机，因为之前做是实习用的都是51单片机，对51单片机编写程序方面比较熟悉，但是后来发现用51单片机太浪费了，首先我们这个智能台灯所需要用到的I/O口比较的少。其次，51单片机内部并没有AD转换，如果用51单片机的话，还需要在硬件上再加多一个模数转换的模块，成本相应的也会增加。最后考虑到MSP430单片机的超低功耗的特性，可以减少能源的浪费，所以我们把之前的方案都作废了，又重新换了个方案。 这次实习，加深了我对MSP430的了解，加强了LED驱动、热式红外传感器、光敏电阻控制等模块的的使用，也知道了在出现问题的时候，应该如何一步步排查并且确定问题的所在。专业知识一定要学好，不然在设计的时候就会出现很多不明确。还有在给电路板打孔的时候一定要有耐心，不能急，否则很容易打偏，到最后把元器件安装上去的时候会比较困难，并且容易造成元器件的损坏，焊接的