基于msp430单片机的智能台灯设计(C语言)ppt课件.pptx
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1、目 录1 概述 . 3,1.1,题目名 . 3,1.21.3,功能和技术指标要求国内外相关情况概述,. 3. 3,1.4 调光技术的选择,. 4,2. 技术方案 . 5,2.1,光照强度检测传感器的基本原理介绍,. 5,2.2,总体技术方案 . 5,3 硬件设计 . . 6,3.1 总体电路原理图3.2 各模块分别介绍,. 6. 7,3.2.1 MSP430G2553 单片机模块 . 7,3.2.2 BISS0001,人体红外感应模块,热释电传感器,. 8,3.2.3 光敏电阻控制模块,. 11,3.2.4,光敏电阻的应用,. 12,3.3 灯光控制模块 . 123.4 PWM调光说明 . 1
2、33.5 硬件调试 . 13,3.5.13.5.2,调试方法 . 13调试步骤 . 14,4. 软件设计 . 154.1 软件功能说明 . 15,4.24.3,软件总流程 . 15软件测试 . 15,5. 性能测试 . 165.1 测试方法 . 165.2 给出相应记录 . 16,5.3 对实验数据进行分析以及提出相应的改进办法6. 总结 . . 17附录(程序清单) : .,. 17错误!未定义书签。,参考文献: . . 182,3,1 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
3、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 kW?h) , 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
4、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
5、,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,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
6、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
7、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,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
8、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。4,3、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
9、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,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
10、就能实现对灯光的亮度的调节。,PWM 调光是可以直接应用,PWM 调光。,于调光型台灯的。因此最终选择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,MSP430G255
11、3 控制核,为,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。5,6,系统机构图,3 硬件设计,3.1 总体电路原理图,控,整个系统是以 MSP430G2553 制下工作的。 其工作过程为: 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
12、。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 RISCCPU 、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 s 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
13、, 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,,转换器。,MSP430G2x53 系列成员还具有一个 10 位模数 (A/D)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: 0.5 A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
14、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 SPI7,I2C ?,3.2.2 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
15、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,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8,9,*具有独立的高输入阻抗运算放大器*内部的双向鉴
16、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,实物图,管脚图管脚说明,引脚,名称,I/O,功能说明,1,A,I,可重复触发和不可重复触发选择端。当,A为“1”时,允许,之,不可重复触发,2,VO,O,控制信号输出端。 由 VS的上跳变沿触发, 使 Vo输出从低电,平时视为有效触发。在输出延迟时间,Tx 之外和无 VS的上,持低电平状态。,5,3467,RR1RC1RC2RR2VSS,-,输出延迟时间 Tx 的调节端输出延迟时间 Tx 的调节端触发封锁时间 Ti 的调节端触发封锁时间 Ti 的调节端工作电源负端,8,VRF,I,参考电压及复位输入端。通常接,
17、VDD ,当接“ 0”时可使定,9,VC,I,触发禁止端。当 VcVR时允许触发 (,10111213141516,IBVDD2OUT2IN-1IN+1IN-1OUT,-OIIIO,运算放大器偏置电流设置端工作电源正端第二级运算放大器的输出端第二级运算放大器的反相输入端第一级运算放大器的同相输入端第一级运算放大器的反相输入端第一级运算放大器的输出端,工作原理BISS0001是由运算放大器、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10,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
18、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 3
19、K,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,
20、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)11,。,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-1V、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
21、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。12,灯光控制模块3.4 PWM 调光说明,PWM
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