摘要：现代社会，能源消耗越来越大，节能控制是目前的主流。本文从大学教室灯光照明控制系统研究节能智能化的控制方式，实现高校教室智能照明系统。本设计通过低功耗系列单片机MSP430实现人体红外检测感应是否开灯，然后通过光照度采集实现教室灯光自动亮度控制。采用PWM输出调节灯光亮度，采用PT4115恒流源LED芯片实现照明灯的驱动控制。运用单片机技术实现人体红外信号检测，然后通过单片机模数转换通道采集光敏电阻的电压变化，实现光照度的采集，运用光照度无极调光方式，改变PWM占空比，从而实现LED灯的亮度调节。最终实现了高校教室智能感应到人，且光线较弱时，开启照明灯，随着光照度变化，改变亮度，最后的功能完成了智能化的控制和调光效果。
关键词：MSP430低功耗;PT4115恒流源驱动;PWM调节;光照采集
0 引言
随着社会能源的消耗越来越严重，节能是大家的共同期盼，从事电子设备设计首先要考虑到节能设计。大学教室空间大，照明设备功率高，如果能够做到节能控制，可以节约很多的电能消耗。现在国内外已经开始研究智能化改造传统照明设备，运用单片机技术，传感器技术实现自动调节。目前大多的设计都是手动开关调节灯的亮度，因此有必要设计一种新型的智能化照明控制系统。运用人体红外检测是否有人，然后检测教室亮度，当亮度越低时，调高照明灯的发光功率，从而实现智能感应开关照明灯和自动调节亮度的功能。运用单片机技术、传感器技术实现高校照明设备的智能化改造变的非常迫切，通过改造后的系统可以给学校节约一大笔日常开销，同时也节约了宝贵的能源。
1 系统设计
基于 MSP430 单片机的高校教室智能照明系统包含了单片机主控电路、人体红外检测电路、光照度采集电路、单片机复位电路、单片机下载电路、PT4115 恒流源驱动电路以及 3.3V 稳压电源电路。它的系统框图如图 1 所示。教室环境传感器有红外热释传感器检测是否有人，然后通过光敏电阻电路采集光照度，根据光照度强度去改变 PT4115 恒流源驱动电路的输入电压，由 PWM 占空比信号调节 LED 灯的亮度。由电源稳压电路提供稳定的 3.3V 电压给单片机系统供电。由单片机复位电路输入复位信号，重启单片机程序。由单片机下载电路完成 SBW 方式的通信协议，实现代码文件到单片机芯片的烧录过程。
2 原理与设计
该设计以 MSP430 低功耗系列单片机 MSP430G2553 作为主控制器，通过单片机连接人体红外检测传感器实现教室是否有人的感应检测。通过光敏电阻感应教室环境亮度，将亮度转换为光敏电阻的变化，再以电阻分压的方法将电阻变化转换为电压变化，实现可以输入到单片机模数转换通道的模拟电压检测，运用系统的工作原理将光照的变化转换为单片机输出占空比变化的 PWM 信号调节灯的亮度。采用恒流驱动芯片 PT4115 实现恒流驱动照明灯，通过输入的 PWM 信号控制照明灯的功率。
■ 2.1 MSP430G2553 最小系统电路设计
2.1.1 MSP430 单片机低功耗介绍
MSP430 单 片 机 是 德 州 仪 器 半 导 体 公 司 设 计 的 基 于 RISC 指令集的低功耗单片机。它的最大优势是低功耗，休眠状态工作电流可以低到 uA 级别。刚好满足本次节能设计的要求。MSP430 单片机低功耗模式有 5 种，分别是 AM 活动模式、LPM0 低功率模式 0、LPM1 低功耗模式 1、LPM2 低功耗模式 2、LPM3 低功耗模式 3、LPM4 低功耗模式 4。 AM 模式下 CPU 正常运行，功率最高，LPM4 模式下 CPU 和主时钟 MCLK 和子时钟 ACLK 以及数字 DOC 时钟全部停止工作，此时功耗最低，低到 0.1μA。
2.1.2 MSP430G2553 最小系统电路
MSP430G2553 单 片 机 最 小 系 统 电 路 包 含 了 5V 电 源输 入 座、3.3V 稳 压 电 源 芯 片、SBW 下 载 程 序 的 接 口、 MSP430G2553 单片机芯片、单片机复位电路、单片机内置了 DCO 数字振荡电路。MSP430G2553 是 MSP430 单片机系列中的一款极简设计的代表型号。该单片机引脚 28 脚，分别是 P1 口 8 位 ,P2 口八位接口，以及 P3 口 8 位，以及电源 VCC，和电源 GND 引脚。还具备 SBW 下载接口，复用了 RST 复位引脚。MSP430G2553 单片机的最小系统电路图如图 3 所示，图 3 中 J1 是单片机最小系统输入的外部的电源，输入 5V 电压，由 USB 线提供 5V 标准电源。C1 是滤波电容，滤除输入端的电源杂波，然后输入给 U1 电源稳压芯片。该芯片型号是 AMS1117-3.3, 提供了 3.3V 稳压输出，LDO 小体积稳压线性电源芯片，输入 5V，输出 3.3V，它的 3 脚输入 5V，1 脚接 GND，2 脚输出 3.3V 给单片机芯片提供电源。C2 是 3.3V 电压输出滤波电容。J2 是单片机芯片下载接口，外接一根 SBW 下载线，即可完成对单片机芯片的代码文件烧录。J2 共有 4 个引脚，分别是 1 脚接电源 VCC3.3, 第 2 脚接电源 GND，第 3 脚接单片机的 SBWTDIO 引脚，也是复位引脚 RST，第 4 脚接接单片机的 25 脚，TEST 引 脚， 也 叫 SBWTCK 引 脚， 属 于 SBW 下载线的时钟引脚。图中 U2 是 MSP430G2553 芯片，第 1 脚接电源 VCC3.3，第 28 脚接电源 DVSS。其他是 P1、P2、 P3 八位 IO 口，以及下载接口 SBWCLK 和 SBWDIO 等。图中右边是单片机复位引脚，电阻 R1 阻值 10k，电容 C3 容值为 1nF，电阻和电容组成了上电的复位电路，提供在电路上电瞬间，复位单片机芯片。C3 的取值有特殊性，不能取值 0.1μF 这种常规的电容，因为 SBW 下载接口复用了 RST 复位引脚，SBW 的数据传输速度很快，如果 C3 电容过大，将会导致下载传输过程出现问题。因此这个电路参数是参考了大量的网上资料以及现场调试得出的结果。S1 是复位按键，单片机在正常工作时，需要强行复位，就按下这个复位按键，让单片机程序重新运行。该最小系统板没有用到外部晶振，是因为单片机芯片内部自带了数字时钟，可以满足高频时钟运行，无需外部增加时钟晶振。
■ 2.2 PT4115 恒流 LED 驱动电路
2.2.1 PT4115 恒流芯片介绍
恒流 LED 驱动芯片 PT4115 是一款降压型连续电感导通恒流源芯片。恒流源工作效率高达 97%，具有极低的耗损，可以驱动单个或者多个 LED 发光二极管，最大输出电流可以达到 1.2A, 电流可以调节，输出精度高，具有开路自动保护功能。LED 灯关闭时，芯片具有极低的电流 95μA，处于待机状态。
2.2.2 恒流 LED 驱动电路
恒流源驱动 LED 电路如图 4 所示，图中 U3 是 PT4115恒流源芯片，C3 是输入电源滤波电容 100μF，6 脚输入电压， 4 和 6 脚之间接了 0.22R 电流采样电阻，通过检测电流采样电阻两端的电压可以计算工作电流，然后 PT4115 芯片根据 3 脚输入电压自动调节恒流输出。输出端 3 脚接 100R 电阻和大功率 LED，再串接 L1 电感 100μH。1 脚接续流二极管 D1 1N5819。
■ 2.3 人体红外感应检测电路
人体红外检测电路采用的技术是热释红外感应技术。热释红外感应传感器 U2 型号是 RE200, 检测的人体辐射的红外信号波长为 9-10um。它能够有效抑制灯光，日光等红外线的辐射干扰，能够滤除其他物体的红外线信号。红外传感器将人体辐射的热量信号转换为电信号，再通过 BISS0001 信号放大电路将微弱的红外信号放大后输出电平变化。 BISS0001 信号放大芯片内部集成了小信号放大电路、电压比较电路、延时控制时间电路、电平保持锁存电路，它是一款专用于人体红外信号检测放大的芯片，电路组成比较简单，通过外接少量的电阻电容即可实现红外信号检测和输出。并且支持感应范围调节，通过调节 R10 的电阻，实现感应距离的调节，通过调节 R8 电阻调节电平触发保持的时间长度。通过 S1 开关选择连续触发或者单次触发模式。
■ 2.4 光照采集电路
光照度采集电路采用了光敏电阻接收光照，转换为电阻的变化，然后将光敏电阻和 100k 电阻进行分压，实现电压转换，再由单片机的模数转换通道读取模拟电压，经过 ADC 转换程序实现模拟电压到数字电压的转换，最后获取到光照度的数据。电路图如图 6 所示，R2 是光敏电阻，R4 是 100k 精密电阻，通过串接接入电源，中间接头连接单片机，当光线暗的时候，R2 阻值变大，此时分压得到的电压变小，单片机采集的数据也变小。当光线亮时，R2 阻值变小，此时分压电压变大，采集的数字也变大。
3 软件设计
高校智能照明系统软件部分包含了初始化部分的程序，大循环里的程序包含了光照采集程序、人体红外检测程序、 PWM 调光程序。程序的流程图如图 7 所示。程序的思路是通过单片机的模数转换程序转换光敏电阻的分压电压，然后将整个数据和 LED 灯的 PWM 占空比数据进行转换，转换的基本方法是光照越低，PWM 占空比值越大。将人体红外传感器检测到人输出的高电平信号，进行延时判断，当 10s 时间后没有检测到人，则认为人已离开。通过判断是否感应到人，来决定是否开启照明灯。当检测到人时，再根据光照度和 PWM 占 空 比 之 间 的 关 系 去 调 节图 5 人体红外感应检测电路 LED 灯 的 亮 度， 运 用 PT4115 的恒流驱动原理实现 LED 灯的稳定工作。系统的程序流程图如图 7 所示，它的工作流程是在开始后初始化阶段对模数转换通道进行初始化配置，对 PWM 模式进行初始化设置，对单片机的 IO 口设置为输入和输出模式。在 while 循环里调用光照采集的模数转换程序，调用人体红外检测程序，判断是否检测到，然后根据光照调节 LED 灯的亮度。
程序里设置 P1.2 为 PWM 波形输出接口，配置 P1SEL|= BIT2; 为 定 时 器 PWM 功 能。TA0CCTL1|=OUTMOD_7; 设 置为 PWM 置位输出模式，TA0CTL|=ID_3+MC_1+TACLR; 设置 PWM 频 率 为 1kHz。TA1CCR1=P_Pulse; 占 空 比 TA1CCR1 取值决定。PWMA0(1000,1000-light); 光照度和占空比为 Duty = 1000-light。
模数转换程序 ADC10AE0 = BIT0; 设置 P1.0 口为模数转换通道，ADC10CTL0|=ENC+ADC10SC; 启动 ADC 采样功能，ADC10SA = (u16)adc; 读取 ADC 采集的数据。
红外检测程序里判断 if(HW==1)，给出 HW_flag=1; 的标记，延时 n++;if(n>=5000)，再次检测 if(HW==0) 时，此时清除 HW_flag 标记。当 HW_flag=1，表示检测到人，为 0 则没有检测到人。
4 实验
实验工具：示波器 UTD2112CEX、数字万用表 UT61A、数字电源 UTP3313TFL-II。
实验条件：保证输入电压固定为 5V，改变触发条件，比如是否有人，光照度检测变化等。
实验方法 : 通过改变光敏电阻的受光条件，来改变感应到的光照度变化，去控制 LED 灯的亮度。测量光敏电阻的采集的光照度，万用表量测光敏电阻电压，示波器测量 PT4115 输入的 PWM 占空比大小。
有人且光敏电阻检测电压为 3.3V 时，此时光照比较强， LED 灯不亮。示波器检测到的 PWM 输入为低电平。
有人且光敏电阻检测电压为 3.0V 时，此时光照比较强， LED 灯达到全亮状态的亮度 9%。示波器检测到的 PWM 输入为脉冲信号，占空比大小 9.9%。
有人且光敏电阻检测电压为 2V 时，LED 灯达到全亮状态的亮度 40%。示波器检测到的 PWM 输入为脉冲信号，占空比大小 39.7%。
有人且光敏电阻检测电压为 1V 时，LED 灯达到全亮状态的亮度 70%。示波器检测到的 PWM 输入为脉冲信号，占空比大小 72.2%。
有人且光敏电阻检测电压为 0V 时，LED 灯达到全亮状态的亮度 100%。示波器检测到的 PWM 输入为脉冲信号，占空比大小 98.0%。
实验结果：经测试，改变教室光照度，可以明显改变照明灯的调光效果，PWM 波形占空比输入也随着光照变暗成比例线性增大。符合设计的预期效果，具有了智能调光的功能。
5 结论
基于 MSP430G2553 单片机的高校教室智能照明系统，具有了恒流驱动调节 LED 灯照明设备的亮度，自动适应教室环境光照度，实现自动调亮或者调暗照明灯亮度。系统能够自动检测人体红外热释信号，自动控制 LED 灯开启或者关闭。单片机通过模数转换电路采集光敏电阻的电压变化，计算得到光照度数据。在红外感应到人的条件下，由光照度改变单片机的 PWM 占空比输出，调节 PT4115 恒流驱动芯片调节 LED 灯的亮度。经过改造后的高校教室照明灯更加智能，同时节约了大量的电能消耗，降低了无用照明时间，也提高了照明设备的工作寿命。经过测试，智能化控制教室照明系统有效减少 20% 的电能损耗。——论文作者：王泽，徐瑀声
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