路燈電路設計畢業(yè)設計

1、摘要隨著太陽能照明技術的發(fā)展，近幾年太陽能路燈行業(yè)發(fā)展迅速，規(guī)模不斷擴大，并且隨著新型節(jié)能LED燈具的出現(xiàn)，太陽能LED路燈以其節(jié)能性好的優(yōu)勢得到了廣泛的推廣。本文介紹了脈沖寬度調(diào)制技術PWM控制LED暗亮的原理，設計了一種基于MSP430F149單片機的太陽能LED路燈照明節(jié)能控制系統(tǒng)的控制器。整個控制器包括硬件電路的設計和軟件電路的設計，硬件部分給出了控制器硬件電路原理圖，設計了LED恒流驅(qū)動電路、單片機控制電路、傳感檢測電路和鍵盤顯示電路。軟件部分給出了亮度自適應節(jié)能控制算法流程圖和C語言源程序，該算法可根據(jù)時段、環(huán)境亮度和人員活動情況改變PWM信號的占空比，自動調(diào)節(jié)LED的亮度，充分利

2、用LED的可控性，實現(xiàn)最佳照度控制，達到節(jié)能目的。關鍵詞：LED恒流驅(qū)動；MSP430單片機； LED照明；PWM控制；亮度自適應節(jié)能控制。AbstractWith the development of solar lighting technology, in recent years the solar street lamp industry is developing rapidly, continues to expand the scale, and with the new energy-saving LED lamp, solar LED street lamps have b

3、een widely promoted for its good energy saving advantage. This paper introduces the principle of pulse width modulation technology of PWM control LED dark bright, design a controller of MSP430F149 solar LED street lighting energy-saving control system based on. The controller includes hardware circu

4、it design and software design of the hardware circuit, gives the hardware circuit principle diagram design of the controller, LED constant current drive circuit, control circuit, sensor detection circuit and the keyboard and display circuit. The software part of the adaptive brightness control algor

5、ithm flow chart and the C language source code, the algorithm according to the time, the brightness of the environment and personnel activities change the duty ratio of PWM signal, automatic adjustment of brightness of LED, make full use of the controllability of the LED, to achieve the best illumin

6、ation control, to achieve the purpose of energy saving.Keywords: LED constant current drive; MSP430 microcontroller; LED lighting; PWM control; adaptive energy-saving control brightness.目錄1 緒論31.1課題的研究背景及意義31.1.1 課題的背景31.1.2 課題的意義31.2 課題相關技術概述31.2.1 太陽能LED路燈的優(yōu)勢31.2.2 太陽能LED路燈的發(fā)展現(xiàn)狀和前景31.2.3 太陽能LED路燈控

7、制器綜述31.2.4 太陽能LED路燈驅(qū)動器概述331.3 本課題研究內(nèi)容和論文組織結構31.3.1 研究內(nèi)容31.3.2 論文的組織結構：32 系統(tǒng)總體方案設計32.1 總體方案設計432.2 PWM調(diào)光技術33 硬件電路設計33.1 MSP430F149單片機簡介33.1.1 MSP430F149單片機特點33.1.2 MSP430F149單片機引腳簡介33.2 單片機電路33.2.1 復位電路33.2.2 單片機時鐘電路設計33.2.3 A/D轉(zhuǎn)換器外部基準電壓電路33.2.4 MSP430單片機電路設計33.3 LED恒流驅(qū)動電路33.3.1 HV9910B引腳簡介及功能特性33.3.

8、2 驅(qū)動電路參數(shù)計算1233.4 傳感檢測電路33.4.1 熱釋電紅外探測電路1433.4.2 光電傳感電路33.5 實時時鐘電路33.6 鍵盤及顯示電路設計33.6.1 顯示電路設計33.6.2 鍵盤電路設計33.7 電源電路33.8 系統(tǒng)整體原理圖1534 軟件電路設計34.1 IAR Embedded Workbench開發(fā)環(huán)境934.2 軟件總體設計1634.2.1 LED亮度控制34.2.2 亮度自適應節(jié)能控制算法1734.3 系統(tǒng)各部分軟件設計34.3.1 熱釋電紅外檢測34.3.2 環(huán)境光檢測34.3.3 實時時鐘控制35 結論與展望35.1 課題結論35.2 課題的前景展望3參

9、考文獻3致謝3附錄一3附錄二31 緒論1.1課題的研究背景及意義 課題的背景隨著太陽電池轉(zhuǎn)換效率和生產(chǎn)技術的不斷提高，太陽能光伏發(fā)電的應用越來越廣泛，在照明領域，太陽能路燈作為光伏發(fā)電系統(tǒng)在國內(nèi)的主要應用模式，被越來越多的人認識并接受。跨入21世紀后，人類面臨著實現(xiàn)經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)，如何能在能源有限和環(huán)境保護的雙重制約下發(fā)展經(jīng)濟已成為全球的熱點問題。而能源問題更為突出，不僅表現(xiàn)在常規(guī)能源的匱乏，更嚴重的是化石能源的開發(fā)利用更加劇了環(huán)境的惡化。在國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的推動下，太陽能產(chǎn)業(yè)從無到有、從小到大發(fā)展起來。國內(nèi)各大研究單位都對太陽能路燈作了詳盡的研究，特別是近幾年來，已經(jīng)初步形

10、成在“產(chǎn)業(yè)上規(guī)模、技術上水平、產(chǎn)品上檔次和市場要規(guī)范”的產(chǎn)業(yè)發(fā)展思路引導下，太陽能產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，如太陽能熱水器、太陽能光伏電池技術日趨成熟，產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高。近年來，隨著我國城市建設的不斷擴大和建設水平的不斷提高，我國城市的路燈總數(shù)以每年約20%的平均速度遞增，全國數(shù)千萬盞路燈的節(jié)點問題已引起政府部門的關注。在能源日趨緊張、電力供應持續(xù)緊張的今天，抵消、高耗的傳統(tǒng)城市照明已成為節(jié)能降耗的重要領域。為此，建設部和發(fā)改委明確提出城市道路照明要向“高效、節(jié)能、環(huán)保、健康”的“綠色照明”方向發(fā)展。隨著太陽能發(fā)電技術的不斷發(fā)展，太陽能路燈以環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)勢成為城市道路照明行業(yè)的新寵，市場潛力巨大，

11、我國太陽能路燈首先在沿海發(fā)達地區(qū)使用。上海市于2005年在崇明島建成風光互補道路照明工程。在我國西部，非主干道太陽能路燈、太陽能庭院燈建成規(guī)模，太陽能資源相對豐富的青海省自2006年以來已在西寧等地安裝太陽能路燈超過200套；在北京奧運會主要場館及其相關場所，太陽能路燈得到普遍應用。太陽能是可再生資源和新能源的重要組成部分。太陽能有取之不盡、用之不竭、不會污染環(huán)境和破壞生態(tài)平衡等特點。太陽光線照射地球40分鐘產(chǎn)生的能量夠全球一年的總能源消耗。新能源技術現(xiàn)在已經(jīng)成為21世紀各國都重點研究的熱點問題。即使有經(jīng)濟危機的壓力，各國仍然投入大量的人力物力研究新能源技術。在各種新能源技術的研究和應用中，太

12、陽能光伏技術及相關產(chǎn)業(yè)在世界發(fā)達國家和我國都得到了迅速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)規(guī)模也不斷擴大。我國提出了可再生能源的中長期計劃，預期到2020年裝機總量達到2000萬千瓦。全球40以上的太陽能電池板是中國生產(chǎn)，但是2009年我國太陽能發(fā)電設施的實際部署僅占全球的5。由此看出我國的太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展遠遠落后與國外。由于太陽能發(fā)電在現(xiàn)階段仍然是計劃經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)，并沒有發(fā)展成為市場經(jīng)濟，目前還是一個虧本產(chǎn)業(yè)。中國的政府現(xiàn)在并沒有投入大量的財力來為太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)買單。我國照明用電量中的很大一部分用于戶外照明，由此可見太陽能LED路燈在我國有著廣闊的發(fā)展前景。據(jù)統(tǒng)計中國在2009年已經(jīng)安裝的路燈大約有2億盞。每盞燈平

13、均每天消耗2度電，一盞燈一年消耗730度電，2億盞路燈一年消耗的能源相當于三峽發(fā)電站兩年的發(fā)電總量。而且隨著城市化建設的加快，路燈的總量每年還在劇增。目前幾乎所有路燈用的照明光源均為高壓鈉燈，隨著LED技術的不斷發(fā)展和成熟，其優(yōu)勢會不斷顯現(xiàn)，勢必取代高壓鈉燈成為一種新型的照明光源。由于LED光源有巨大市場潛力，科技部提出了LED路燈的“十城萬盞"計劃?，F(xiàn)在LED路燈發(fā)展勢頭相當強勁。據(jù)保守估計，十城萬盞計劃的總數(shù)將會超過200萬盞。由此可見太陽能LED路燈在我國是一個舉足輕重的大市場。 課題的意義我國土地遼闊，資源富饒，總面積有960萬平方公里。占世界陸地總面積的7。在我國廣闊富饒的

14、土地上，太陽能資源十分豐富。我國和同緯度的其它國家相比，除了四川盆地和其周圍的地區(qū)外，絕大部分地區(qū)的太陽能資源非常豐富。我們要利用先天的優(yōu)勢，充分利用起太陽能，解決好人民生活生產(chǎn)所需的能源問題，發(fā)展好我國的太陽能相關產(chǎn)業(yè)。近幾年太陽能照明技術快速發(fā)展，太陽能路燈行業(yè)規(guī)模不斷擴大，隨著LED節(jié)能燈具的出現(xiàn)，利用LED作為照明燈具的太陽能LED路燈得到了大幅推廣。太陽能燈具的照明需求逐漸往干道路燈發(fā)展，這樣對燈具照明功率、控制器及驅(qū)動器的要求會有所提高。我國在太陽能電池技術的發(fā)展和生產(chǎn)規(guī)模、LED光源技術的發(fā)展等方面的產(chǎn)業(yè)規(guī)模在逐漸擴大，已經(jīng)在世界上占有一席之地了，但是太陽能路燈控制器作為太陽能路

15、燈系統(tǒng)中的核心部件之一，其研究還有待深入。市場上的太陽能控制器大多屬于簡易型，僅有基本的充放電控制功能，沒有考慮到如何使太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換率最大，提高蓄電池的能量轉(zhuǎn)換效率和延長使用壽命等問題。本課題的控制器在完成基本的充放電控制的基礎上設計了合理的充放電控制算法來實現(xiàn)能量的充分利用和蓄電池的充分保護。另一核心部件LED燈驅(qū)動電源，一般沒有根據(jù)路燈的組合形式具體分析設計。由于不同廠商生產(chǎn)的的白光LED的正向壓降可能相差數(shù)百毫伏，因此直接影響了白光LED實際消耗的功率在驅(qū)動器的輸出總功率中的比例。本系統(tǒng)的驅(qū)動器是在LED路燈先串后并的組合形式以及具體的正向?qū)妷汉皖~定功率的基礎上設計的。本套太

16、陽能LED路燈控制系統(tǒng)，用合理的充放電算法控制太陽能路燈正常的充放電功能，完成充電階段自動轉(zhuǎn)換，LED亮度智能控制且完成對蓄電池的充分保護。驅(qū)動器和LED陣列能夠很好的匹配，使LED陣列發(fā)光質(zhì)量高且實現(xiàn)較高的能量利用率。整套系統(tǒng)的成功設計無論在價格和性能方面均具有一定的市場競爭力。1.2 課題相關技術概述 太陽能LED路燈的優(yōu)勢太陽能LED路燈系統(tǒng)用太陽能電池供電，閥控式密封鉛酸蓄電池儲存電能，用高效節(jié)能的LED燈照明，用控制器控制智能充放電，配合LED燈驅(qū)動電源，具有穩(wěn)定性高、發(fā)光性能好、能量利用率高、安裝方便、采用直流供電、經(jīng)濟、環(huán)保、實用燈優(yōu)勢，是未來戶外照明的發(fā)展趨勢。LED照明燈工作

17、電流是直流，并且在低電壓下工作1。太陽能電池將光能轉(zhuǎn)化為直流電能，這點恰好與LED相匹配。若將兩者組合配以控制器和驅(qū)動器即可獲得很高的能量利用率、較高的安全性和可靠性的照明系統(tǒng)。因為兩者結合不需要將太陽能電池輸出的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姡虼苏麄€照明系統(tǒng)的照明效率會大大提高。隨著LED燈相關技術的不斷成熟，其使用壽命會不斷延長。在未來幾年里，若其價格繼續(xù)下降，則白光LED必將取代舊有燈具成為21世紀照明的新光源。LED作為路燈的一種光源，它和傳統(tǒng)路燈光源相比較其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：1) 節(jié)能且光效高。按照LED技術的發(fā)展趨勢，LED的光效在未來五年里有達到1502001m/W的可能，大大超過了現(xiàn)在所有

18、光源的光效。另外，現(xiàn)在使用的熒光燈、汞燈等照明光源中含有汞，對人體有害。而LED中不含此種物質(zhì)所以它是一種“清潔"的光源。2) 命長，節(jié)約成本。一般情況下LED光源的使用壽命可以達到十萬小時，在惡劣的自然條件下工作，壽命也至少可達到五萬小時。因此，在一些維護和更換設備困難的地方，使用太陽能LED路燈照明系統(tǒng)，可顯著降低安裝和使用的成本。3) 可以自動控制其功率?？赏ㄟ^控制器控制其夜間亮燈的功率，提高節(jié)能性。LED燈可以實現(xiàn)完美調(diào)光功能，因此在本系統(tǒng)中將通過調(diào)節(jié)脈沖的占空比來有效的調(diào)節(jié)其發(fā)光強度。4) 具有很好的顯色性。陽光的顯色系數(shù)為100，一般情況下顯色系數(shù)與100相差越小，顯色性

19、越好，反之越差。高壓鈉燈顯色系數(shù)僅為23，而LED燈的顯色系數(shù)達到85以上，發(fā)出的是白光。由此可見大功率LED路燈顯色性明顯好與高壓鈉燈。5) 直流供電，提高能量利用率。太陽能電池輸出的是直流電，路燈系統(tǒng)中LED的驅(qū)動也是用直流電源，這樣可以不用太陽能光伏系統(tǒng)中使用其他照明設備所需要的逆變器，既使系統(tǒng)有較高的能源利用率，又降低了成本，還可以改善系統(tǒng)的可靠性。太陽能LED路燈系統(tǒng)白天將太陽能的能量存儲在蓄電池里，夜間通過蓄電池把化學能轉(zhuǎn)化成LED路燈消耗的光能。不消耗常規(guī)能源，循環(huán)使用，不產(chǎn)生發(fā)電和運輸過程中的污染，非常清潔。另外安裝方便，不需要架設輸電線路，也不需要鋪設電纜所需的通道。在這種背

20、景下，太陽能路燈應運而生，而且會不斷的發(fā)展，成為照明行業(yè)的趨勢。1.2.2 太陽能LED路燈的發(fā)展現(xiàn)狀和前景目前，太陽能路燈主要用在城市道路、公園、工業(yè)園區(qū)，旅游景點，也可以用于人口密度小，不易鋪設電纜但太陽能資源豐富的偏遠地區(qū)人們的照明問題。近年來，隨著我國城市建設水平的不斷提高和環(huán)保低碳意識逐漸增強，城市路燈總量在逐年攀升，隨著光伏電源照明的不斷發(fā)展和優(yōu)勢的顯現(xiàn)，鄉(xiāng)村以及適合安裝太陽能路燈的一些地區(qū)也會慢慢普及。因為太陽能LED路燈有如此廣闊的市場，所以更應該做好太陽能LED路燈的控制和驅(qū)動，讓整個太陽能路燈系統(tǒng)更穩(wěn)定更長久的工作。1.2.3 太陽能LED路燈控制器綜述太陽能LED路燈系統(tǒng)

21、由太陽能電池板、鉛酸蓄電池、LED燈、驅(qū)動電路和控制器等部分組成2。控制器白天控制太陽能電池給蓄電池充電，夜晚蓄電池給負載放電。在充放電過程中控制系統(tǒng)實現(xiàn)過充保護，過放保護，完成充電各階段自動轉(zhuǎn)換，夜晚放電方式的自動轉(zhuǎn)換等功能。目前市場上已經(jīng)有多家公司生產(chǎn)太陽能路燈控制器，但是這些控制器一般沒有充分考慮如何提高太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率，蓄電池的能量轉(zhuǎn)換效率和延長使用壽命等問題。蓄電池的充電方式以及根據(jù)蓄電池的荷電量來決定放電深度等問題都可以在很大程度上影響蓄電池的充電速度和循環(huán)使用的次數(shù)，因此控制器如何控制充放電的時間和方式便是影響蓄電池的轉(zhuǎn)換效率和使用壽命的一個很重要的方面。1.2.4 太陽

22、能LED路燈驅(qū)動器概述3LED驅(qū)動電源是系統(tǒng)重要的組成部分?？刂破鞯妮敵鲭妷汉蚅ED陣列不匹配，因此需要一個模塊來驅(qū)動LED陣列。常見的有四種驅(qū)動方式，考慮控制器輸出電壓小于LED陣列的導通電壓，因此本系統(tǒng)中的驅(qū)動模塊為升壓方式。LED的使用壽命很大程度上受其發(fā)光穩(wěn)定性影響，在實際使用過程中，因驅(qū)動電源設計及選擇不當導致LED發(fā)光穩(wěn)定性差，嚴重縮短了使用壽命。因此本系統(tǒng)在設計驅(qū)動電源時根據(jù)LED陣列的組合方式選擇恒流源來驅(qū)動，提高LED陣列的的照明可靠性和效率。1.3 本課題研究內(nèi)容和論文組織結構1.3.1 研究內(nèi)容近年來，國家越來越重視環(huán)境保護，倡導低碳生活，堅持優(yōu)化能源結構，重視能源的可持

23、續(xù)發(fā)展。因此太陽能的開發(fā)和利用受到了極大的重視，太陽能光伏照明技術及相關產(chǎn)品得到了廣泛應用。由于這種市場和社會發(fā)展的需求，目前已經(jīng)有多家公司生產(chǎn)太陽能路燈控制器，但是這些控制器一般只具有基本的充放電控制，沒有充分考慮到如何使太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換率最大，蓄電池的能量轉(zhuǎn)換效率最大和蓄電池的使用壽命等問題。本課題從這些存在的問題著手研究，設計一種具有節(jié)能控制功能的太陽能路燈控制器：并根據(jù)LED燈的組合方式，設計一種與之匹配的驅(qū)動電源。使整個系統(tǒng)能夠達到預期設定的功能和指標，能夠穩(wěn)定長久高效地運行。1.3.2 論文的組織結構：本論文分為五個章節(jié)，每章內(nèi)容分布如下：第一章：緒論。主要闡述本課題的研究背景

24、和意義，以及論文的研究目標和論文的組織結構。第二章：太陽能LED路燈節(jié)能控制系統(tǒng)整體設計。本章從太陽能路燈控制系統(tǒng)的實際應用出發(fā)，確定了太陽能路燈控制器需要實現(xiàn)的功能。第三章：路燈控制系統(tǒng)控制器的硬件電路實現(xiàn)。本章設計了太陽能LED路燈系統(tǒng)控制器的硬件電路，并畫出原理圖。第四章：路燈控制系統(tǒng)控制器的軟件實現(xiàn)。在系統(tǒng)硬件的基礎上，結合MSP430系列單片機的C語言編程特點編寫整個系統(tǒng)的程序。第五章：總結與展望。分析了本次課題中的不足之處和以后的努力方向，展望下一階段的工作。2 系統(tǒng)總體方案設計2.1 總體方案設計4太陽能LED路燈利用太陽能電池的光生伏特效應原理5，白天太陽電池吸收太陽能光子能量

25、產(chǎn)生電能，通過控制器儲存在蓄電池里，當夜幕降臨或燈具周圍光照度較低時，蓄電池通過控制器向光源供電一直到設定的時間后切斷。做到白天有陽光就充電儲能，晚上光控和時控點亮發(fā)光負載，照明道路。太陽能LED路燈照明節(jié)能控制系統(tǒng)總體框圖如圖2-1所示：太陽能電池板蓄電池LED燈MSP430F149單片機測量電壓電流充電控制測量電壓放電控制LED驅(qū)動圖2-1 太陽能LED路燈控制系統(tǒng)總體框圖根據(jù)對設計題目的了解，該控制器以MSP430單片機為控制中心，外圍電路主要由LED恒流驅(qū)動電路、環(huán)境光檢測、紅外檢測電路、蓄電池電壓、充放電控制電路、太陽能電池電壓檢測與分組切換電路、狀態(tài)顯示電路等構成。其基本原理是，電

26、壓檢測電路用于識別光照強度和獲取蓄電池端電壓，溫度檢測電路用于蓄電池充電溫度補償，環(huán)境光及紅外檢測電路用于檢測環(huán)境亮度及車輛人員情況。由電源模塊給單片機、驅(qū)動電路、傳感檢測電路等供電，單片機接受時間設定及外部檢測信號來控制LED驅(qū)動電路，從而控制LED燈的亮度。本設計完成白光LED路燈照明部分的控制6，該控制總圖如圖2-2所示：MSP430F149熱釋電紅外探測電路光電傳感器鍵盤電路電源電路LED驅(qū)動電路顯示電路實時時鐘電路LED燈圖2-2 照明控制部分總體框圖該控制器以MSP430單片機為控制中心，外圍電路主要由LED驅(qū)動電路、光電傳感電路和熱釋電紅外檢測電路、時鐘電路、電源電路、鍵盤電路及

27、顯示電路組成。其基本原理是：電源模塊給MSP430F149單片機和各個電路模塊供電，光電傳感電路和熱釋電紅外檢測電路用于檢測光照強度和車輛人員活動情況，與時鐘電路一起控制LED驅(qū)動電路，從而控制LED燈的亮度及亮滅，鍵盤電路用于手動輸入控制參數(shù)，顯示電路顯示控制中需要顯示的參數(shù)。2.2 PWM調(diào)光技術脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術7，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換及LED照明等許多領域中。通過以數(shù)字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗。此外，許多微控制器和DSP已經(jīng)在芯片上包含了PWM控制器，這使數(shù)字控制的實現(xiàn)變

28、得更加容易了。隨著電子技術的發(fā)展，出現(xiàn)了多種PWM技術，其中包括：相電壓控制PWM、脈寬PWM法、隨機PWM、SPWM法、線電壓控制PWM等。PWM控制LED暗亮原理：對于控制LED燈由暗到亮或由亮到暗，采用的是脈寬PWM法。它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作PWM波形，通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化?？梢酝ㄟ^調(diào)整PWM的周期、PWM的占空比而達到控制放電電流的目的。這次設計利用MSP430F149單片機產(chǎn)生占空比可變的矩形波，當產(chǎn)生此矩形波的I/O口通過驅(qū)動電路再與LED燈相接后，由于輸出矩形波占空比不斷變化，那么一個周

29、期內(nèi)有一部分時間LED導通，一部分時間截止，從整體來看有一個平均電流，PWM信號頻率很高的，我們無法通過肉眼來觀察到每一個周期LED燈亮滅的變化過程，所以只好通過平均電流這樣一種方式來決定這個LED的亮的程度了。 隨著波形占空比不斷變化，LED燈也會由暗到亮再從亮到暗不斷變化3 硬件電路設計3.1 MSP430F149單片機簡介本設計選用MSP430F149單片機8。MSP430系列單片機是美國德州儀器（TI）1996年開始推向市場的一種16位超低功耗、具有精簡指令集（RISC）的混合信號處理器。該單片機將多個不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個芯片上。由于其超低功耗、強大的處

30、理能力、高性能模擬技術及豐富的片上外圍模塊、系統(tǒng)工作穩(wěn)定、方便高效的開發(fā)環(huán)境得到廣大用戶的高度評價。該單片機引腳圖如圖3-1所示。圖3-1 MSP430F149單片機引腳圖3.1.1 MSP430F149單片機特點 具有很低的供電電壓。單片機的供電電壓最低為1.8V，其供電電壓的范圍是：1.8V3.6V。 超低的功耗。這是目前其他單片機沒有的特色。它在休眠條件下工作的電流只有0.8uA，就是在2.2V、1MHz條件下工作的電流只有280uA。 快速的喚醒時間。從休眠方式喚醒只需要6us的時間。 快速的指令執(zhí)行時間。它采用的是16位的RISC結構，指令的執(zhí)行時間只需要150ns的時間，是傳統(tǒng)單片

31、機不能比擬的。 片內(nèi)有12位的A/D轉(zhuǎn)換器，并提供參考電壓。A/D轉(zhuǎn)換器具有采樣保持和自動掃描特點。 16位的定時器Timer_B帶有7個捕獲/比較寄存器。 片內(nèi)提供溫度傳感器。 具有靈活的時鐘設置。主要有一下幾種方式：32kHz的晶體方式、高頻率晶體方式、諧振器方式和外部時鐘源方式。這樣可以根據(jù)功耗要求和速度要求進行靈活的時鐘設置。 16位的定時器Timer_A帶有3個捕獲/比較寄存器。 片內(nèi)提供模擬信號比較器。 串口通信模塊：USART0、USART1。兩個串口都可以通過軟件設置成UART方式或者SPI方式，由于該系列單片機提供了兩個串口，因此能為用戶進行多機通信設計提供了方便。 片內(nèi)提供

32、較多的存儲器，MSP430F149提供的片內(nèi)FLASH為60KB，同時片內(nèi)還提供較多的RAM，以便進行運算時處理。 提供較多的外圍接口，提供P1.0P6.0共6個數(shù)據(jù)端口，能為用戶提供更多的處理功能。在提供的外圍數(shù)據(jù)端口中，有兩個端口具有中斷功能，這樣能豐富硬件系統(tǒng)的中斷資源，也為實現(xiàn)多任務系統(tǒng)提供了方便。 代碼保護功能。單片機的安全熔絲功能可以對程序的代碼進行保護，從而可以對知識產(chǎn)權進行保護。 具有JTAG仿真調(diào)試接口，這樣非常便于軟件的調(diào)試。3.1.2 MSP430F149單片機引腳簡介表1 MSP430F149單片機引腳功能表引腳號符號引腳功能1DVcc數(shù)字電源端2P6.3/A3通用數(shù)字

33、I/O管腳/12位的A/D轉(zhuǎn)換器模擬輸入管道33P6.4/A4通用數(shù)字I/O管腳/12位的A/D轉(zhuǎn)換器模擬輸入管道44P6.5/A5通用數(shù)字I/O管腳/12位的A/D轉(zhuǎn)換器模擬輸入管道55P6.6/A6通用數(shù)字I/O管腳/12位的A/D轉(zhuǎn)換器模擬輸入管道66P6.7/A7通用數(shù)字I/O管腳/12位的A/D轉(zhuǎn)換器模擬輸入管道77A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部基準電壓的正輸出端8XIN晶體振蕩器XT1的輸入端9XOUT/TCLK晶體振蕩器XT1的輸出端/測試時鐘輸入端10A/D轉(zhuǎn)換器外部基準電壓11/A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部基準電壓或者外部基準電壓負端12P1.0/TACLK通用數(shù)字I/O管腳/Timer_A，TACL

34、K時鐘輸入信號13P1.1/TA0通用數(shù)字I/O管腳/Timer_A，捕獲：CCI0A輸入，比較：OUT0輸出14P1.2/TA1通用數(shù)字I/O管腳/Timer_A，捕獲：CCI1A輸入，比較：OUT1輸出15P1.3/TA2通用數(shù)字I/O管腳/Timer_A，捕獲：CCI2A輸入，比較：OUT2輸出16P1.4/SMCLK通用數(shù)字I/O管腳/SMCLK信號輸出17P1.5/TA0通用數(shù)字I/O管腳/ Timer_A，比較：OUT0輸出18P1.6/TA1通用數(shù)字I/O管腳/ Timer_A，比較：OUT1輸出19P1.7/TA2通用數(shù)字I/O管腳/ Timer_A，比較：OUT2輸出20P2

35、.0/ACLK通用數(shù)字I/O管腳/ACLK輸出端21P2.1/TAINCLK通用數(shù)字I/O管腳/ Timer_A，INCLK時鐘信號22P2.2/CAOUT/TA0通用數(shù)字I/O管腳/ Timer_A，捕獲：CCI0B輸入，比較：OUT0輸出23P2.3/CA0/TA1通用數(shù)字I/O管腳/ Timer_A，捕獲：CCI0B輸入，比較：OUT1輸出24P2.4/CA1/TA2通用數(shù)字I/O管腳/ Timer_A，比較：OUT2輸出25P2.5/通用數(shù)字I/O管腳/作為外接電阻管腳，通過接入一個電阻來確定DCO的工作頻率26P2.6/ADC12CLK通用數(shù)字I/O管腳/12位的A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時

36、鐘27P2.7/TA0通用數(shù)字I/O管腳/ Timer_A，比較：OUT0輸出28P3.0/STE0通用數(shù)字I/O管腳/從傳輸使能：USART0/SPI模式29P3.1/SIMO0通用數(shù)字I/O管腳/ USART0/SPI模式下的從輸入或者主輸出30P3.2/SOMI0通用數(shù)字I/O管腳/ USART0/SPI模式下的從輸出或者主輸入31P3.3/UCLK0通用數(shù)字I/O管腳/外部時鐘輸入USART0/UART或SPI模式，時鐘輸出USART0/SPI模式32P3.4/UTXD0通用數(shù)字I/O管腳/發(fā)送數(shù)據(jù)輸出USART0/SPI模式33P3.5/URXD0通用數(shù)字I/O管腳/發(fā)送數(shù)據(jù)輸入US

37、ART0/SPI模式34P3.6/UTXD1通用數(shù)字I/O管腳/發(fā)送數(shù)據(jù)輸出USART1/SPI模式35P3.7/URXD1通用數(shù)字I/O管腳/發(fā)送數(shù)據(jù)輸入USART1/SPI模式36P4.0/TB0通用數(shù)字I/O管腳/ 定時器Timer_B，捕獲：CCI0A或者CCI0B輸入，比較：OUT0輸出37P4.1/TB1通用數(shù)字I/O管腳/ 定時器Timer_B，捕獲：CCI1A或者CCI1B輸入，比較：OUT1輸出38P4.2/TB2通用數(shù)字I/O管腳/ 定時器Timer_B，捕獲：CCI2A或者CCI2B輸入，比較：OUT2輸出39P4.3/TB3通用數(shù)字I/O管腳/ 定時器Timer_B，捕

38、獲：CCI3A或者CCI3B輸入，比較：OUT3輸出40P4.4/TB4通用數(shù)字I/O管腳/ 定時器Timer_B，捕獲：CCI4A或者CCI4B輸入，比較：OUT4輸出41P4.5/TB5通用數(shù)字I/O管腳/ 定時器Timer_B，捕獲：CCI5A或者CCI5B輸入，比較：OUT5輸出42P4.6/TB6通用數(shù)字I/O管腳/ 定時器Timer_B，捕獲：CCI6A或者CCI6B輸入，比較：OUT6輸出43P4.7/TBCLK通用數(shù)字I/O管腳/ 定時器Timer_B的輸入時鐘TBCLK44P5.0/STE1通用數(shù)字I/O管腳/從傳輸使能：USART1/SPI模式45P5.1/SIMO1通用數(shù)

39、字I/O管腳/ USART1/SPI模式下的從輸入或者主輸出46P5.2/SOMI1通用數(shù)字I/O管腳/ USART1/SPI模式下的從輸出或者主輸入47P5.3/UCLK1通用數(shù)字I/O管腳/外部時鐘輸入USART1/UART或SPI模式，時鐘輸出USART1/SPI模式48P5.4/MCLK通用數(shù)字I/O管腳/主系統(tǒng)時鐘MCLK輸出49P5.5/SMCLK通用數(shù)字I/O管腳/子系統(tǒng)時鐘SMCLK輸出50P5.6/ACLK通用數(shù)字I/O管腳/輔助時鐘ACLK輸出51P5.7/H通用數(shù)字I/O管腳/切換所有的PWM數(shù)字輸出口為高阻抗定時器B_3 TB0TB352XT2OUT晶體振蕩器XT2的輸

40、出端53XT2IN晶體振蕩器XT2的輸入端54TDO/TDI測試數(shù)據(jù)輸出端/編程時數(shù)據(jù)輸入端55TDI測試數(shù)據(jù)輸入端56TMS測試方式的選擇，器件編程和測試輸入端57TCK測試時鐘，用于器件編程和測試時的時鐘輸入端58/NMI復位信號輸入端/不可屏蔽中斷輸入端59P6.0/A0通用數(shù)字I/O管腳/12位的A/D轉(zhuǎn)換器模擬輸入通道060P6.1/A1通用數(shù)字I/O管腳/12位的A/D轉(zhuǎn)換器模擬輸入通道161P6.2/A2通用數(shù)字I/O管腳/12位的A/D轉(zhuǎn)換器模擬輸入通道262AVss模擬電源地63DVss數(shù)字電源地64AVcc模擬電源端3.2 單片機電路3.2.1 復位電路在單片機系統(tǒng)中，為了

41、保證系統(tǒng)在上電時進行初始化，同時也為了保證對電源的監(jiān)視，需要采用復位芯片。本設計中選用MAX809STR復位芯片，具體復位電路如圖3-2所示。圖3-2 單片機復位電路該復位電路非常簡單，只需要在電源管腳Vcc處加一個0.1F的電容進行濾波處理，以減少干擾。管腳GND接地，管腳RESET接單片機的RST/NMI引腳。3.2.2 單片機時鐘電路設計時鐘是MSP430單片機的心臟，單片機各功能部件的運行都是以時鐘頻率為基準，有條不紊地一拍一拍地工作。因此，時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。MSP430單片機的時鐘設計上與其他的單片機有一定的區(qū)別：MSP430F

42、149單片機采用兩個時鐘輸入。XT2IN和XT2OUT引腳跨接石英振蕩器和微調(diào)電容，XIN和XOUT引腳跨接石英振蕩器，就構成了穩(wěn)定的自激振蕩器。高頻率的時鐘有利于程序更快的運行，也有可以實現(xiàn)更高的信號采樣率，從而實現(xiàn)更多的功能。但是在系統(tǒng)要求較高，而且功耗大，運行環(huán)境苛刻的情況下，考慮到單片機本身用在控制，并非高速信號采樣處理中，所以選取合適的頻率即可。圖3-3 單片機時鐘電路合適頻率的晶振對于選頻信號強度準確度都有好處，本次設計需要選取兩個時鐘輸入，一個選取8MHz無源晶振接入XT2IN和XT2OUT引腳，并聯(lián)2個56pF陶瓷電容幫助起振，另一個選取32.768kHz無源晶振直接接入XIN

43、和XOUT引腳。時鐘產(chǎn)生電路如圖3-3所示。3.2.3 A/D轉(zhuǎn)換器外部基準電壓電路TL431是一個有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準電壓源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設置到從Vref（2.5V）到36V范圍內(nèi)的任何值。具體A/D轉(zhuǎn)換器外部基準電壓電路如圖3-4所示。圖3-4 單片機A/D轉(zhuǎn)換器外部基準電壓電路此電路輸入5V直流電源，通過TL431和外圍電阻向MSP430F149單片機提供3V A/D轉(zhuǎn)換器外部基準穩(wěn)壓電源，使單片機穩(wěn)定工作。相關電阻計算：已知Vo=3V由Vo=（1+R9R11）×2.5 得R9R11=0.2=30k150k 故R9取30k，R11取150k

44、輸出電流I=5V-3VR7 =2V100 =20mA3.2.4 MSP430單片機電路設計由上可以知道，MSP430單片機的接口電路非常簡單9。由下圖可以看出，在單片機的時鐘設計上與其他的單片機有一定的區(qū)別：MSP430F149單片機采用兩個時鐘輸入，即一個32kHz的時鐘信號，另外一個8MHz的時鐘信號。該系統(tǒng)的時鐘部分都是采用晶體振蕩器實現(xiàn)的?？紤]到電源的輸入紋波對單片機的影響，在電源的管腳增加一個0.1F的電容來實現(xiàn)濾波，以減小輸入管腳處受到的干擾。另外，單片機還有模擬電源的輸入端，因此在這里需要考慮干擾問題，由于在該系統(tǒng)中的干擾比較小，因此模擬地和數(shù)字地共地，在模擬電源輸入管腳增加一個

45、濾波電容以減小干擾。通過TL431三端可調(diào)分流基準電壓源向MSP430F149單片機提供3V A/D轉(zhuǎn)換器外部的基準電壓。MAX809STR復位芯片給單片機提供復位信號。具體單片機電路如圖3-5所示。圖3-5 單片機電路3.3 LED恒流驅(qū)動電路3.3.1 HV9910B引腳簡介及功能特性圖3-6 HV9910B引腳電路引腳號符號引腳功能1VIN輸入電壓8V450V DC2CSLED燈串的電流采樣輸入端3GND芯片地4GATE驅(qū)動外部MOSFET的柵極5PWMD低頻PWM調(diào)光腳，也是使能輸入腳，內(nèi)部集成100k的下拉電阻到地6VDD內(nèi)部線性電源（一般是7.5V），能夠向外部線路提供高達1mA的

46、電流7LD線性調(diào)光器被用來改變電流采樣比較儀的電流限制閾值8Rosc頻率振蕩控制器，一個電阻連接在此引腳與地之間，用來設定PWM的頻率表2 LED恒流驅(qū)動芯片HV9910B引腳功能表HV9910B功能特性：HV9910B是一個高效PWM LED驅(qū)動器控制集成電路10，它在輸入電壓從8V到450V DC范圍內(nèi)能有效驅(qū)動高亮LED。該芯片能以高達300KHz的固定頻率驅(qū)動外部MOSFET，其頻率由外部電阻編程決定。為了保證亮度恒定并增強LED的可靠性，外部高亮LED串采用恒流方式控制11，而不是恒壓控制。其恒流值由外部取樣電阻值決定，變化范圍從幾毫安到超過1安培。HV9910B使用了一個高壓隔離連

47、接工藝，能經(jīng)受高達450V的浪涌輸入電壓的沖擊。對一個LED串的輸出電流能被編程設定在零和它的最大值之間的任何值，它由輸入到HV9910B的線性調(diào)光器的外部控制電壓所控制。另外，HV9910B也提供一個低頻的PWM調(diào)光功能，能接受一個外部達幾千赫茲的控制信號在0100%的占空比下進行調(diào)光。3.3.2 驅(qū)動電路參數(shù)計算12根據(jù)設計要求，LED路燈功率為28W，照度達2000lm。本設計選用28個1W LED串并聯(lián)來實現(xiàn)，每個LED壓降約3.4V，電流350mA。設計中選用兩片HV9910B驅(qū)動芯片，每個驅(qū)動芯片驅(qū)動兩路LED燈，每路7個串聯(lián)。相關參數(shù)計算：1、已知參數(shù)：VLED=3.4×

48、;7=23.8V24V ILED=700mA VIN=12V2、占空比：D= VLEDVLED+VIN =0.673、MOSFET工作頻率設定：fosc=25000Rosc+22 fosc取100kHz 計算的Rosc=228k此電阻可以通過200k固定電阻和100k可調(diào)電阻組成，Rosc取228k4、電感選?。篢on=Dfosc =6.7us L=VIN×Ton0.3×ILED = =0.38mH5、電流檢測電阻計算：RSC= = =0.31可以通過兩個0.62的電阻并聯(lián)得到0.31的電阻。其中，電流波紋為30% ILED,峰值電流為1.15 ILED。6、功率MOSFE

49、T選擇IRFD024，它的VDS為60V，ID為2.5A，RDS為0.1。7、二極管選擇超快速低損耗可控雪崩整流器BYV27-200，它所能承受的反向電壓為200V，正向電流為2A，反向恢復時間為25ns。本設計中，驅(qū)動電路輸入電壓是12V，輸出電壓是24V，采用HV9910B升降壓斬波電路來實現(xiàn)13，兩片HV9910B分別驅(qū)動并聯(lián)的兩串LED燈，燈的亮度及亮滅通過PWMD引腳控制，MSP430F149單片機向驅(qū)動器提供PWM信號。兩路LED恒流驅(qū)動電路如圖3-7所示：圖3-7 LED恒流驅(qū)動電路3.4 傳感檢測電路本設計中傳感檢測電路包括熱釋電紅外探測和環(huán)境光電檢測電路。下面對這兩個電路做具

50、體介紹。3.4.1 熱釋電紅外探測電路14LP0001 是一款具有較高性能的傳感信號處理集成電路。它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構成被動式的熱釋電紅外開關。它能自動快速開啟各類白炙燈、熒光燈、蜂鳴器、自動門、電風扇、烘干機和自動洗手池等裝置，特別適用于企業(yè)、賓館、商場、庫房及家庭的過道等敏感區(qū)域，或用于安全區(qū)域的自動燈光、照明和報警系統(tǒng)。1、LP0001芯片引腳簡介：圖3-8 LP0001芯片引腳電路引腳號符號引腳功能1A可重復觸發(fā)和不可重復觸發(fā)控制端。當 A=“1”時，允許重復觸發(fā)，當A=“0”時，不可重復觸發(fā)2VO控制信號輸出端。由 Vs上跳邊沿觸發(fā)使 Vo 從低電平跳變到高電平時

51、為有效觸發(fā)。在輸出延遲時間Tx 之外和無 Vs 上跳變時 Vo 為低電平狀態(tài)3RR1輸出延遲時間 Tx 的調(diào)節(jié)端4RC1輸出延遲時間 Tx 的調(diào)節(jié)端5RC2觸發(fā)封鎖時間 Ti 的調(diào)節(jié)端6RR2觸發(fā)封鎖時間 Ti 的調(diào)節(jié)端7VSS工作電源負端8VRF參考電壓及復位輸入端。一般接VDD。接“0”時可使定時器復位。9VC觸發(fā)禁止端。當 VcVR時禁止觸發(fā)；當 VCVR時允許觸發(fā)。 VR0.2VDD10IB運算放大器偏置電流設置端。經(jīng) RB接 VSS 端，RB 取值為 1M左右11VDD工作電源正端。范圍為 35V122OUT第二級運算放大器的輸出端132IN-第二級運算放大器的反相輸出端141IN+

52、第一級運放放大器的同相輸入端151IN-第一級運放放大器的反相輸入端161OUT第一級運算放大器的輸出端表3 傳感信號處理器LP0001引腳功能表2、芯片功能敘述及極限參數(shù)（Vss=0）： CMOS 數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐?； 具有獨立的高輸入阻抗運算放大器；可與多種傳感器匹配，進行信號與處理； 雙向鑒幅器，可有效抑制干擾； 內(nèi)設延遲時間定時器和封鎖時間定時器；結構新穎，穩(wěn)定可靠，調(diào)解范圍寬； 內(nèi)置參考電壓； 工作電壓范圍 +3V+5V； 用于多種傳感器和延時控制器； 電源電壓：-0.5V6V； 輸入電壓范圍：-0.5V+6V（VDD=6V）； 各引出端最大電流：±10mA（VDD=5V

53、）； 工作溫度：-10+70； 存放溫度：-65+150。本設計選用SDA02-54型號的熱釋電紅外傳感器，外罩NL-3型菲涅爾透鏡，熱釋電紅外探測電路如圖3-9所示：圖3-9 熱釋電紅外探測電路紅外探測電路中，A引腳接地，芯片處于不可重復觸發(fā)工作方式。輸出延遲時間Tx由外部的R22和C29的大小調(diào)整，值為Tx26×103×R22×C29；觸發(fā)封鎖時間Ti由外部的R18和C28的大小調(diào)整，值為Ti40×R18×C28。左側(cè)的小功率三極管9013控制整個探測電路的開通與關斷（如在下午5點到第二天早晨七點開通，其他時間點關斷，以保護芯片電路和節(jié)省電

54、能）。VO口將LP0001芯片輸出信號輸出，將信號輸入到MSP430F149單片機P2.0引腳，提供目前人員及車輛信息，從而控制LED燈的亮度。3.4.2 光電傳感電路Po188是一個光電集成傳感器，典型入射波長為p=520nm，內(nèi)置雙敏感元接收器，可見光范圍內(nèi)高度敏感，輸出電流隨照度呈線性變化。適合電視機、LCD 背光、數(shù)碼產(chǎn)品、儀器儀表、工業(yè)設備等諸多領域的節(jié)能控制、自動感光、自適應控制。1、Po188電氣特性及額定參數(shù)暗電流小，低照度響應，靈敏度高，電流隨光照度增強呈線性變化；內(nèi)置雙敏感元，自動衰減近紅外，光譜響應接近人眼函數(shù)曲線；內(nèi)置微信號CMOS放大器、高精度電壓源和修正電路，輸出電

55、流大，工作電壓范圍寬，溫度穩(wěn)定性好；可選光學納米材料封裝，可見光透過，紫外線截止、近紅外相對衰減，增強了光學濾波效果；符合歐盟RoHS指令,無鉛、無鎘；工作電壓范圍：2.4-12V；工作溫度范圍: -20 to +75；存儲溫度: -40 to +120 ；焊接溫度: 260。2、Po188的光電參數(shù)表4 光電集成傳感器Po188光電參數(shù)參數(shù)名稱符號測試條件Vcc=5V，R=1K，Ta=25最小值典型值最大值單位典型入射波長p-520-nm靜態(tài)電流Ev=0Lux,00.034A普通環(huán)氧樹脂封裝樣品光電流Ev=5Lux58Ev=10Lux113Ev=100Lux758Ev=200Lux1318Ev=500Lux2620Ev=1000Lux406