基于MSP430單片機(jī)的智能充電照明控制系統(tǒng)設(shè)計

當(dāng)前，能源短缺成為制約社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素，如何實現(xiàn)能源高效利用是我們面臨的重要問題。LED 作為一種新型的綠色光源產(chǎn)品，有著節(jié)能、環(huán)保、壽命長、體積小等特點，在實際生活中的利用也越來越廣泛。而現(xiàn)在太陽能電池板充電技術(shù)已經(jīng)得到了很大的發(fā)展，在公路兩旁的路燈很多就是利用太陽能進(jìn)行充電?，F(xiàn)有的充電和照明技術(shù)都是根據(jù)預(yù)先的設(shè)置進(jìn)行工作，不能根據(jù)環(huán)境的改變而實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，因此在能源利用率方面還可以進(jìn)一步提高。

原有的充電技術(shù)中，太陽能電池板的角度位置是固定的，所以在一天中面對太陽光照的角度也不同。這樣使太陽能充電無法達(dá)到最大效率。如果設(shè)計系統(tǒng)能夠根據(jù)一天當(dāng)中太陽位置的變化而調(diào)整角度，使充電電池板始終正對太陽，獲得最大光照，這樣就可以很大程度的提高充電效率。在夜間照明時可以根據(jù)環(huán)境的光照來調(diào)節(jié)LED 的亮度，同樣也可以節(jié)省能量。

該系統(tǒng)所利用的MSP430F169 單片機(jī)是美國德州儀器（TexasInstruments）公司生產(chǎn)的16 位超低功耗的混合信號處理器，它具有超低功耗、強大的處理能力、豐富的片上外圍模塊等優(yōu)點，適合應(yīng)用于一些低功耗產(chǎn)品。

1.系統(tǒng)總體設(shè)計

該智能充電照明控制系統(tǒng)主要由以下幾個模塊構(gòu)成：光信號檢測模塊， MSP430 單片機(jī)模塊，電機(jī)控制及驅(qū)動模塊，太陽能電池板充電模塊，LED 照明模塊等。該系統(tǒng)在白天運行時光信號檢測模塊會檢測不同方向的光照強度以尋找最大光照強度即太陽光照角度，經(jīng)過單片機(jī)處理控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，使太陽能電池板能夠正對光照，以最大效率進(jìn)行充電。在傍晚或夜間，利用光敏電阻檢測外界環(huán)境的亮度，并經(jīng)過單片機(jī)控制流經(jīng)LED 的電流大小， 使照明能夠根據(jù)環(huán)境亮度實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。

2.系統(tǒng)各分立模塊分析和說明

2.1 光信號檢測模塊

光信號檢測模塊主要是利用不同的光敏三極管作為傳感器，檢測外界不同角度的光照強度，并將光照強度這一非電量轉(zhuǎn)化為電流并送至單片機(jī)的AD，進(jìn)行進(jìn)一步處理。受到光輻射時，光敏三極管內(nèi)部形成光電流由基極進(jìn)入發(fā)射極，從而在集電極回路中得到一個放大了的信號電流。與光敏二極管相比，具有很大的光電流放大作用，因而具有較高的靈敏度。

2.2 MSP430 單片機(jī)模塊設(shè)計方案

系統(tǒng)單片機(jī)模塊采用MSP430F169 最小系統(tǒng)板，充電方式工作時利用AD 采樣模塊采集光信號檢測模塊的輸出電壓值，根據(jù)分析采集到的電壓變化來產(chǎn)生控制信號控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)太陽光照的跟蹤和定位。照明方式工作時，單片機(jī)可以利用AD 采集光敏電阻的電壓值，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生控制信息控制照明LED 的亮度，以實現(xiàn)亮度自動調(diào)節(jié)功能。

2.3 電機(jī)控制及驅(qū)動模塊

該模塊主要是利用單片機(jī)產(chǎn)生的控制信息工作，使電池板旋轉(zhuǎn)一定的角度達(dá)到正對太陽光照的目的。電機(jī)驅(qū)動電路采用電機(jī)驅(qū)動芯片L298N 實現(xiàn)。L298N 是SGS 公司生產(chǎn)的恒壓恒流橋式2A 驅(qū)動芯片，內(nèi)部包含4 通道邏輯驅(qū)動電路， 可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓，也可以直接用單片機(jī)的IO 口提供信號，電路簡單，使用方便。

2.4 LED 照明模塊

由于LED 為電流驅(qū)動，故該模塊設(shè)計時應(yīng)包括電流源模塊。該模塊在夜間照明時能夠根據(jù)光敏電阻檢測的環(huán)境亮度值轉(zhuǎn)化為電壓的變化，并經(jīng)過單片機(jī)模塊的數(shù)據(jù)處理來控制流經(jīng)LED 的電流大小，實現(xiàn)自動調(diào)整LED 亮度的功能。

該模塊的輸入量為單片機(jī)DA 的輸出電壓。輸入信號經(jīng)過運放和NPN后，NPN 的C 極電流為恒流源。因此可以驅(qū)動LED 實現(xiàn)LED 照明。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計與分析

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要是通過程序設(shè)計使單片機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)分析與控制電路工作。MSP430F169 單片機(jī)內(nèi)置有12 位8 外部信道連續(xù)逼近式模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換（AD）模塊和12 位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換（DA）電壓輸出模塊。在系統(tǒng)工作時，單片機(jī)AD 采集光敏三極管的檢測電壓值，經(jīng)過單片機(jī)處理，DA 轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號加至電機(jī)驅(qū)動模塊，驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以正對太陽光照，進(jìn)行最大效率充電。此外，照明工作時，光采集模塊將光信號強度變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，將此電壓輸入至MSP430 單片機(jī)的AD 模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機(jī)處理通過DA 模塊將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號加至LED 照明模塊。該方式可以實現(xiàn)自動根據(jù)外界光強變化來改變LED 的亮度。

4.設(shè)計可行性分析

該系統(tǒng)包括智能充電和LED 照明兩部分。充電時系統(tǒng)可以根據(jù)檢測分析得到太陽光的角度，并控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)，使太陽能電池板以最大面積正對太陽光，能夠充分利用太陽光進(jìn)行充電。智能LED 照明部分則利用光敏電阻檢測外界環(huán)境的亮度，然后經(jīng)過單片機(jī)分析產(chǎn)生控制電流控制LED 的亮度。這兩部分結(jié)合可以實現(xiàn)充電效率的最大化和根據(jù)環(huán)境亮度自動調(diào)節(jié)照明亮度的功能， 能夠充分的節(jié)約能源，對當(dāng)今低碳生活和能源節(jié)約有著十分重要的作用。此外，該系統(tǒng)設(shè)計簡單，成本較低，易于操作，可行性較大。

5.結(jié)語

該系統(tǒng)的設(shè)計充分考慮了當(dāng)前能源節(jié)約的社會主題， 結(jié)合已有的技術(shù)和原理，對充電照明系統(tǒng)做了改進(jìn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，能源的高效利用技術(shù)會更加成熟，社會在能源節(jié)約方面也會進(jìn)一步加強。