论文总字数：18539字

目 录

1. 引言 6

1.1 课题应用背景 6

1.2 本课题的设计思路 6

2. 系统方案及原理 6

2.1 系统设计的目标 6

2.2 语音识别的工作原理 7

2.3 热释电红外感应的工作原理 7

2.4 数字光强度感应的工作原理 7

2.5 系统设计的总体方案 7

3. 硬件设计 8

3.1 控制模块 8

3.1.1 MSP430系列单片机的特点 8

3.1.2 MSP430单片机的主要功能 9

3.1.3 MSP430的方框图 9

3.1.4 MSP430单片机的最小系统 10

3.2 声音控制模块 10

3.2.1 声音传感器原理图 10

3.2.2 YL－56声音传感器介绍 11

3.2.3 LM393双电压比较器 11

3.2.4 声音控制电路 12

3.3 人体感应模块 13

3.4 光强度检测模块 15

3.4.1 BH1750简介 15

3.4.2 光强度检测电路 16

3.5 PWM调光模块 17

3.5.1 PWM调光工作原理 17

3.5.2 PWM调光电路 17

3.6 蜂鸣器提醒模块 18

3.7 充电模块 18

3.7.1 充电模块工作原理 18

3.7.2 充电电路 18

3.8 升压模块 19

4. 软件设计 19

4.1 软件开发环境简介 19

4.2 系统总体流程图 20

4.3 定时模块流程图 20

5. 实物制作与调试 21

5.1 硬件电路调试 21

5.2 调试结果分析 21

6. 总结与展望 23

6.1 总结 23

6.2 展望 23

参考文献 23

附录1：总电路原理图 25

附录2：硬件实物图 26

附录3：部分源程序 27

致谢 31

基于MSP430单片机的智能控制台灯设计

李小鹏

，China

Abstract：This paper designs and implements an intelligent system for table lamp based on MSP430 microcomputer. The system consists of control chip of MSP430 single chip microcomputer, light intensity sensor, infrared sensor, acoustic wave sensor and other hardware equipment. It makes use of light, infrared ray of the human body and acoustic wave which are captured from three sensors separately to control the intensity and brightness of light. Finally, experimental result shows the proposed intelligent system for table lamp is lower power consumption and high stability. In addition, it also plays the role of protecting eyesight. Compared with the traditional table lamp, the proposed system is convenient and it can meet people’s need for daily life.

Key words: Single chip microcomputer; Human body induction; Acoustic control module; Optical module; Charging module

引言

智能化的电子设备在我们的日常生活中随处可见。蒸汽机的发明带来是工业革命。电子技术的发展带来的是信息革命。电子科学技术应用于社会生产以及社会生活的方方面面已经是时代的主流和趋势，衡量一个国家的综合国力和发展潜力，电子技术的有效转化率很重要。好的技术应用到实际生活才是王道。电子科学学科是经济社会发展的基石^[1]。电子科学的发展水平从一定意义上来说也能够代表着一个国家的现代化发展水平。随着中国现代化进程的不断推进，在工业、农业等方面都对电子科学提出了更高的要求，电子科学与人民的生活密不可分，间接的促进了电子科学的发展^[2]。

21世纪信息化和智能电子越来越普遍，人民的生活产生了显著地变化，越来越多的电子智能化设备正慢慢地进入到普通百姓的家庭^[3]，从方方面面改变着人民的生活，更加方便、智能的电子设备正不断提升人民对电子设备的认知。人们对生活的需求逐渐提高，智能家居这一新兴的概念正在悄悄的走进我们的日常生活^[4]。

1.1 课题应用背景

现在许多智能家居早已被大家普遍使用，智能台灯就是其中的一个典型代表。

我国经济的不断高速发展对我们产生了天翻覆地的变革。在更注重节能减排，绿色生活的今天，智能台灯越来越受到人们的欢迎，既能保证正常的照明，又能充分的做到节能和智能，深受人们的喜爱。灯具智能已经是大势所趋，智能灯具在未来的几年将会成为照明市场的主题。

1.2 本课题的设计思路

本课题研究是采用MSP430单片机为核心的智能台灯系统，通过人体红外感应模块来采集信号；通过声控模块根据附近的声音来控制灯的开启；通过光控模块根据环境的亮度来调节灯的亮度；需要的时候，通过充电模块可以为设备进行充电。系统总体框架图如图1-1所示：

图1-1 系统的总体结构框图

系统方案及原理

2.1 系统设计的目标

在现实生活中，大部分台灯都是手动控制或触摸控制，而且均采用日光灯或者白炽灯泡为光源，通过220V交流电源进行供电。但是，这种传统的台灯存在了一些弊端。交流电220V对人体有安全隐患，采用这种电源供电中存在触电的风险，不是足够的安全。这类台灯的能耗也比较大，通常在几十瓦左右。当你将台灯开启后，台灯会一直亮着，当你因为某种原因不在台灯旁边，并且忘记关掉台灯时，这样就浪费了一些电能，不能充分做到节能。当外界环境的光强度变化时，传统台灯并不能根据环境亮度的变化而自动调节台灯的亮度，这种情况下也会造成能源的浪费。而本文设计的智能台灯采用的光源为5V供电的LED，能耗比较小。当台灯附近没有人且没有声音产生时，台灯出于关闭状态；当附近有人或者有声音产生时，台灯会自动开启，从而达到智能开关的效果，节约电力。除此以外，该款台灯可以根据环境光照亮度自动调节台灯本身的亮度，使台灯的亮度处于一种适中的状态，有利于保护视力。采用了可以充电的锂电池进行供电，以便不时之需。

2.2 语音识别的工作原理

声音传感器的工作原理是声音传感器内置了一个电容式驻极体话筒，对声音要求很敏感。声音的声波会使话筒内的驻极体薄膜发生振动，从而引起电容量的变化^[5]，电容变化相应的对电压值也产生了变化，通过对这个电压值进行转变为0-5V的电压，这样声音识别器就可以根据声音相应的输出高低电压。

2.3 热释电红外感应的工作原理

工作的原理利用热释电效应，热释电效应就是在钛酸钡一类晶体的两个表面都设计电极^[6]，上表面覆盖黑色膜，若有红外的照射，则其表面的温度会有上升，这样晶体的原子的排列会发生变化^[7]，从而产生极性的变化，从而在上下电极之间产生电压差。原理如下图2-1：

图2-1 热释电红外感应内部图

2.4 数字光强度感应的工作原理

透镜将外部的光线进行聚焦，然后感应器接受传输的光线^[8]，将所接受的光信号转化为电信号，通过这种方式转换的光信号有许多种^[9]。本文对光强感应器的应用是在智能台灯上，设计成自动控制的器件，只要关心输出信号的电压即可。

2.5 系统设计的总体方案

该款智能台灯的控制系统采用的是MSP430，通过对供电模块、红外模块、声控模块的信号采集，控制输入输出模块。整机由锂电池进行供电，当电量低时，充电模块会接受控制模块的指令对锂电池进行充电，保证台灯的电量供应，从而可以充当应急灯使用。光照度传感器负责采集光照数据，然后将数据传送给单片机^[10]。声音传感器模块负责采集环境的声音，有一定强度的声音产生时输出高电平，输出给单片机。当附近有人产生红外时，人体红外感应模块会输出高电平给单片机^[11]。单片机输出PWM信号给LED驱动模块，LED驱动模块驱动LED灯亮暗控制^[12]。MSP430单片机属于低功耗单片机，节能效果好，适合家用，方便携带。总之，该设计体现节能环保、智能生活的理念。

硬件设计

3.1 控制模块

3.1.1 MSP430系列单片机的特点

MSP430单片机开发于1996年的美国德州仪器，是一种混合信号处理器。为了满足现实对单片机功能要求的提升，它集合了模拟电路、微处理器和数字电路。这样“单片”就可以实现功能，更方便简洁。MSP430系列单片机多用在通过电池进行供电的便携式仪器设备中。

MSP430系列属于16位的混合型单片机，它包含了精简指令集，同时具备了超低功耗的特点。低功耗使单片机的应用更加的广泛，同时它的设计使得开发更加灵活方便，因此发行之后迅速被人们接受，成为一款火热的单片机。

MSP430系列单片机得到了快速发展和广泛的应用，主要取决于以下的特点：

（1）强大的处理能力

MSP430单片机强大的处理能力不仅仅取决于其丰富的寻址方式，采用精简指令集的结构也大大的降低了MSP430单片机的开发成本，新的内部哈佛结构的运行结构远远的大于传统的冯诺依曼结构，存储和指令总线的分开大大的提高了单片机的运行效率。一台计算机的内存和硬盘往往决定这计算机的处理速度，MSP430单片机强大的内存容量，充分的程序存储器大大的提高了单片机竞争优势。采用8MHZ晶体驱动，指令的处理周期为125ns，较高的处理速度是的单片机胜任较高的应用需求，代码的执行效率也会更好的提高。

（2）拥有较快的运算速度

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