毕业设计（论文）-太阳能LED路灯照明节能控制系统控制器设计.doc

太阳能LED路灯照明节能控制系统控制器设计 摘要随着太阳能照明技术的发展，近几年太阳能路灯行业发展迅速，规模不断扩大，并且随着新型节能LED灯具的出现，太阳能LED路灯以其节能性好的优势得到了广泛的推广。本文介绍了脉冲宽度调制技术PWM控制LED暗亮的原理，设计了一种基于MSP430F149单片机的太阳能LED路灯照明节能控制系统的控制器。整个控制器包括硬件电路的设计和软件电路的设计，硬件部分给出了控制器硬件电路原理图，设计了LED恒流驱动电路、单片机控制电路、传感检测电路和键盘显示电路。软件部分给出了亮度自适应节能控制算法流程图和C语言源程序，该算法可根据时段、环境亮度和人员活动情况改变PWM信号的占空比，自动调节LED的亮度，充分利用LED的可控性，实现最佳照度控制，达到节能目的。关键词：LED恒流驱动；MSP430单片机； LED照明；PWM控制；亮度自适应节能控制。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 been 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 circuit 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 algorithm 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 illumination control, to achieve the purpose of energy saving.Keywords: LED constant current drive; MSP430 microcontroller; LED lighting; PWM control; adaptive energy-saving control brightness.目录1 绪论31.1课题的研究背景及意义31.1.1 课题的背景31.1.2 课题的意义31.2 课题相关技术概述31.2.1 太阳能LED路灯的优势31.2.2 太阳能LED路灯的发展现状和前景31.2.3 太阳能LED路灯控制器综述31.2.4 太阳能LED路灯驱动器概述331.3 本课题研究内容和论文组织结构31.3.1 研究内容31.3.2 论文的组织结构：32 系统总体方案设计32.1 总体方案设计432.2 PWM调光技术33 硬件电路设计33.1 MSP430F149单片机简介33.1.1 MSP430F149单片机特点33.1.2 MSP430F149单片机引脚简介33.2 单片机电路33.2.1 复位电路33.2.2 单片机时钟电路设计33.2.3 A/D转换器外部基准电压电路33.2.4 MSP430单片机电路设计33.3 LED恒流驱动电路33.3.1 HV9910B引脚简介及功能特性33.3.2 驱动电路参数计算1233.4 传感检测电路33.4.1 热释电红外探测电路1433.4.2 光电传感电路33.5 实时时钟电路33.6 键盘及显示电路设计33.6.1 显示电路设计33.6.2 键盘电路设计33.7 电源电路33.8 系统整体原理图1534 软件电路设计34.1 IAR Embedded Workbench开发环境934.2 软件总体设计1634.2.1 LED亮度控制34.2.2 亮度自适应节能控制算法1734.3 系统各部分软件设计34.3.1 热释电红外检测34.3.2 环境光检测34.3.3 实时时钟控制35 结论与展望35.1 课题结论35.2 课题的前景展望3参考文献3致谢3附录一3附录二31 绪论1.1课题的研究背景及意义1.1.1 课题的背景随着太阳电池转换效率和生产技术的不断提高，太阳能光伏发电的应用越来越广泛，在照明领域，太阳能路灯作为光伏发电系统在国内的主要应用模式，被越来越多的人认识并接受。跨入21世纪后，人类面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战，如何能在能源有限和环境保护的双重制约下发展经济已成为全球的热点问题。而能源问题更为突出，不仅表现在常规能源的匮乏，更严重的是化石能源的开发利用更加剧了环境的恶化。在国家可持续发展战略的推动下，太阳能产业从无到有、从小到大发展起来。国内各大研究单位都对太阳能路灯作了详尽的研究，特别是近几年来，已经初步形成在“产业上规模、技术上水平、产品上档次和市场要规范”的产业发展思路引导下，太阳能产业得到了快速发展，如太阳能热水器、太阳能光伏电池技术日趋成熟，产品质量不断提高。近年来，随着我国城市建设的不断扩大和建设水平的不断提高，我国城市的路灯总数以每年约20%的平均速度递增，全国数千万盏路灯的节点问题已引起政府部门的关注。在能源日趋紧张、电力供应持续紧张的今天，抵消、高耗的传统城市照明已成为节能降耗的重要领域。为此，建设部和发改委明确提出城市道路照明要向“高效、节能、环保、健康”的“绿色照明”方向发展。随着太阳能发电技术的不断发展，太阳能路灯以环保、节能等优势成为城市道路照明行业的新宠，市场潜力巨大，我国太阳能路灯首先在沿海发达地区使用。上海市于2005年在崇明岛建成风光互补道路照明工程。在我国西部，非主干道太阳能路灯、太阳能庭院灯建成规模，太阳能资源相对丰富的青海省自2006年以来已在西宁等地安装太阳能路灯超过200套；在北京奥运会主要场馆及其相关场所，太阳能路灯得到普遍应用。太阳能是可再生资源和新能源的重要组成部分。太阳能有取之不尽、用之不竭、不会污染环境和破坏生态平衡等特点。太阳光线照射地球40分钟产生的能量够全球一年的总能源消耗。新能源技术现在已经成为21世纪各国都重点研究的热点问题。即使有经济危机的压力，各国仍然投入大量的人力物力研究新能源技术。在各种新能源技术的研究和应用中，太阳能光伏技术及相关产业在世界发达国家和我国都得到了迅速发展，产业规模也不断扩大。我国提出了可再生能源的中长期计划，预期到2020年装机总量达到2000万千瓦。全球40以上的太阳能电池板是中国生产，但是2009年我国太阳能发电设施的实际部署仅占全球的5。由此看出我国的太阳能光伏发电产业发展远远落后与国外。由于太阳能发电在现阶段仍然是计划经济产业，并没有发展成为市场经济，目前还是一个亏本产业。中国的政府现在并没有投入大量的财力来为太阳能发电产业买单。我国照明用电量中的很大一部分用于户外照明，由此可见太阳能LED路灯在我国有着广阔的发展前景。据统计中国在2009年已经安装的路灯大约有2亿盏。每盏灯平均每天消耗2度电，一盏灯一年消耗730度电，2亿盏路灯一年消耗的能源相当于三峡发电站两年的发电总量。而且随着城市化建设的加快，路灯的总量每年还在剧增。目前几乎所有路灯用的照明光源均为高压钠灯，随着LED技术的不断发展和成熟，其优势会不断显现，势必取代高压钠灯成为一种新型的照明光源。由于LED光源有巨大市场潜力，科技部提出了LED路灯的“十城万盏计划。现在LED路灯发展势头相当强劲。据保守估计，十城万盏计划的总数将会超过200万盏。由此可见太阳能LED路灯在我国是一个举足轻重的大市场。1.1.2 课题的意义我国土地辽阔，资源富饶，总面积有960万平方公里。占世界陆地总面积的7。在我国广阔富饶的土地上，太阳能资源十分丰富。我国和同纬度的其它国家相比，除了四川盆地和其周围的地区外，绝大部分地区的太阳能资源非常丰富。我们要利用先天的优势，充分利用起太阳能，解决好人民生活生产所需的能源问题，发展好我国的太阳能相关产业。近几年太阳能照明技术快速发展，太阳能路灯行业规模不断扩大，随着LED节能灯具的出现，利用LED作为照明灯具的太阳能LED路灯得到了大幅推广。太阳能灯具的照明需求逐渐往干道路灯发展，这样对灯具照明功率、控制器及驱动器的要求会有所提高。我国在太阳能电池技术的发展和生产规模、LED光源技术的发展等方面的产业规模在逐渐扩大，已经在世界上占有一席之地了，但是太阳能路灯控制器作为太阳能路灯系统中的核心部件之一，其研究还有待深入。市场上的太阳能控制器大多属于简易型，仅有基本的充放电控制功能，没有考虑到如何使太阳能电池的能量转换率最大，提高蓄电池的能量转换效率和延长使用寿命等问题。本课题的控制器在完成基本的充放电控制的基础上设计了合理的充放电控制算法来实现能量的充分利用和蓄电池的充分保护。另一核心部件LED灯驱动电源，一般没有根据路灯的组合形式具体分析设计。由于不同厂商生产的的白光LED的正向压降可能相差数百毫伏，因此直接影响了白光LED实际消耗的功率在驱动器的输出总功率中的比例。本系统的驱动器是在LED路灯先串后并的组合形式以及具体的正向导通电压和额定功率的基础上设计的。本套太阳能LED路灯控制系统，用合理的充放电算法控制太阳能路灯正常的充放电功能，完成充电阶段自动转换，LED亮度智能控制且完成对蓄电池的充分保护。驱动器和LED阵列能够很好的匹配，使LED阵列发光质量高且实现较高的能量利用率。整套系统的成功设计无论在价格和性能方面均具有一定的市场竞争力。1.2 课题相关技术概述1.2.1 太阳能LED路灯的优势太阳能LED路灯系统用太阳能电池供电，阀控式密封铅酸蓄电池储存电能，用高效节能的LED灯照明，用控制器控制智能充放电，配合LED灯驱动电源，具有稳定性高、发光性能好、能量利用率高、安装方便、采用直流供电、经济、环保、实用灯优势，是未来户外照明的发展趋势。LED照明灯工作电流是直流，并且在低电压下工作1。太阳能电池将光能转化为直流电能，这点恰好与LED相匹配。若将两者组合配以控制器和驱动器即可获得很高的能量利用率、较高的安全性和可靠性的照明系统。因为两者结合不需要将太阳能电池输出的直流电转变为交流电，因此整个照明系统的照明效率会大大提高。随着LED灯相关技术的不断成熟，其使用寿命会不断延长。在未来几年里，若其价格继续下降，则白光LED必将取代旧有灯具成为21世纪照明的新光源。LED作为路灯的一种光源，它和传统路灯光源相比较其优势主要体现在：1) 节能且光效高。按照LED技术的发展趋势，LED的光效在未来五年里有达到1502001m/W的可能，大大超过了现在所有光源的光效。另外，现在使用的荧光灯、汞灯等照明光源中含有汞，对人体有害。而LED中不含此种物质所以它是一种“清洁的光源。2) 命长，节约成本。一般情况下LED光源的使用寿命可以达到十万小时，在恶劣的自然条件下工作，寿命也至少可达到五万小时。因此，在一些维护和更换设备困难的地方，使用太阳能LED路灯照明系统，可显著降低安装和使用的成本。3) 可以自动控制其功率。可通过控制器控制其夜间亮灯的功率，提高节能性。LED灯可以实现完美调光功能，因此在本系统中将通过调节脉冲的占空比来有效的调节其发光强度。4) 具有很好的显色性。阳光的显色系数为100，一般情况下显色系数与100相差越小，显色性越好，反之越差。高压钠灯显色系数仅为23，而LED灯的显色系数达到85以上，发出的是白光。由此可见大功率LED路灯显色性明显好与高压钠灯。5) 直流供电，提高能量利用率。太阳能电池输出的是直流电，路灯系统中LED的驱动也是用直流电源，这样可以不用太阳能光伏系统中使用其他照明设备所需要的逆变器，既使系统有较高的能源利用率，又降低了成本，还可以改善系统的可靠性。太阳能LED路灯系统白天将太阳能的能量存储在蓄电池里，夜间通过蓄电池把化学能转化成LED路灯消耗的光能。不消耗常规能源，循环使用，不产生发电和运输过程中的污染，非常清洁。另外安装方便，不需要架设输电线路，也不需要铺设电缆所需的通道。在这种背景下，太阳能路灯应运而生，而且会不断的发展，成为照明行业的趋势。1.2.2 太阳能LED路灯的发展现状和前景目前，太阳能路灯主要用在城市道路、公园、工业园区，旅游景点，也可以用于人口密度小，不易铺设电缆但太阳能资源丰富的偏远地区人们的照明问题。近年来，随着我国城市建设水平的不断提高和环保低碳意识逐渐增强，城市路灯总量在逐年攀升，随着光伏电源照明的不断发展和优势的显现，乡村以及适合安装太阳能路灯的一些地区也会慢慢普及。因为太阳能LED路灯有如此广阔的市场，所以更应该做好太阳能LED路灯的控制和驱动，让整个太阳能路灯系统更稳定更长久的工作。1.2.3 太阳能LED路灯控制器综述太阳能LED路灯系统由太阳能电池板、铅酸蓄电池、LED灯、驱动电路和控制器等部分组成2。控制器白天控制太阳能电池给蓄电池充电，夜晚蓄电池给负载放电。在充放电过程中控制系统实现过充保护，过放保护，完成充电各阶段自动转换，夜晚放电方式的自动转换等功能。目前市场上已经有多家公司生产太阳能路灯控制器，但是这些控制器一般没有充分考虑如何提高太阳能电池的能量转换效率，蓄电池的能量转换效率和延长使用寿命等问题。蓄电池的充电方式以及根据蓄电池的荷电量来决定放电深度等问题都可以在很大程度上影响蓄电池的充电速度和循环使用的次数，因此控制器如何控制充放电的时间和方式便是影响蓄电池的转换效率和使用寿命的一个很重要的方面。1.2.4 太阳能LED路灯驱动器概述3LED驱动电源是系统重要的组成部分。控制器的输出电压和LED阵列不匹配，因此需要一个模块来驱动LED阵列。常见的有四种驱动方式，考虑控制器输出电压小于LED阵列的导通电压，因此本系统中的驱动模块为升压方式。LED的使用寿命很大程度上受其发光稳定性影响，在实际使用过程中，因驱动电源设计及选择不当导致LED发光稳定性差，严重缩短了使用寿命。因此本系统在设计驱动电源时根据LED阵列的组合方式选择恒流源来驱动，提高LED阵列的的照明可靠性和效率。1.3 本课题研究内容和论文组织结构1.3.1 研究内容近年来，国家越来越重视环境保护，倡导低碳生活，坚持优化能源结构，重视能源的可持续发展。因此太阳能的开发和利用受到了极大的重视，太阳能光伏照明技术及相关产品得到了广泛应用。由于这种市场和社会发展的需求，目前已经有多家公司生产太阳能路灯控制器，但是这些控制器一般只具有基本的充放电控制，没有充分考虑到如何使太阳能电池的能量转换率最大，蓄电池的能量转换效率最大和蓄电池的使用寿命等问题。本课题从这些存在的问题着手研究，设计一种具有节能控制功能的太阳能路灯控制器：并根据LED灯的组合方式，设计一种与之匹配的驱动电源。使整个系统能够达到预期设定的功能和指标，能够稳定长久高效地运行。1.3.2 论文的组织结构：本论文分为五个章节，每章内容分布如下：第一章：绪论。主要阐述本课题的研究背景和意义，以及论文的研究目标和论文的组织结构。第二章：太阳能LED路灯节能控制系统整体设计。本章从太阳能路灯控制系统的实际应用出发，确定了太阳能路灯控制器需要实现的功能。第三章：路灯控制系统控制器的硬件电路实现。本章设计了太阳能LED路灯系统控制器的硬件电路，并画出原理图。第四章：路灯控制系统控制器的软件实现。在系统硬件的基础上，结合MSP430系列单片机的C语言编程特点编写整个系统的程序。第五章：总结与展望。分析了本次课题中的不足之处和以后的努力方向，展望下一阶段的工作。2 系统总体方案设计2.1 总体方案设计4太阳能LED路灯利用太阳能电池的光生伏特效应原理5，白天太阳电池吸收太阳能光子能量产生电能，通过控制器储存在蓄电池里，当夜幕降临或灯具周围光照度较低时，蓄电池通过控制器向光源供电一直到设定的时间后切断。做到白天有阳光就充电储能，晚上光控和时控点亮发光负载，照明道路。太阳能LED路灯照明节能控制系统总体框图如图2-1所示：太阳能电池板蓄电池LED灯MSP430F149单片机测量电压电流充电控制测量电压放电控制LED驱动图2-1 太阳能LED路灯控制系统总体框图根据对设计题目的了解，该控制器以MSP430单片机为控制中心，外围电路主要由LED恒流驱动电路、环境光检测、红外检测电路、蓄电池电压、充放电控制电路、太阳能电池电压检测与分组切换电路、状态显示电路等构成。其基本原理是，电压检测电路用于识别光照强度和获取蓄电池端电压，温度检测电路用于蓄电池充电温度补偿，环境光及红外检测电路用于检测环境亮度及车辆人员情况。由电源模块给单片机、驱动电路、传感检测电路等供电，单片机接受时间设定及外部检测信号来控制LED驱动电路，从而控制LED灯的亮度。本设计完成白光LED路灯照明部分的控制6，该控制总图如图2-2所示：MSP430F149热释电红外探测电路光电传感器键盘电路电源电路LED驱动电路显示电路实时时钟电路LED灯图2-2 照明控制部分总体框图该控制器以MSP430单片机为控制中心，外围电路主要由LED驱动电路、光电传感电路和热释电红外检测电路、时钟电路、电源电路、键盘电路及显示电路组成。其基本原理是：电源模块给MSP430F149单片机和各个电路模块供电，光电传感电路和热释电红外检测电路用于检测光照强度和车辆人员活动情况，与时钟电路一起控制LED驱动电路，从而控制LED灯的亮度及亮灭，键盘电路用于手动输入控制参数，显示电路显示控制中需要显示的参数。2.2 PWM调光技术脉冲宽度调制(PWM)技术7，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换及LED照明等许多领域中。通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术，其中包括：相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等。PWM控制LED暗亮原理：对于控制LED灯由暗到亮或由亮到暗，采用的是脉宽PWM法。它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制放电电流的目的。这次设计利用MSP430F149单片机产生占空比可变的矩形波，当产生此矩形波的I/O口通过驱动电路再与LED灯相接后，由于输出矩形波占空比不断变化，那么一个周期内有一部分时间LED导通，一部分时间截止，从整体来看有一个平均电流，PWM信号频率很高的，我们无法通过肉眼来观察到每一个周期LED灯亮灭的变化过程，所以只好通过平均电流这样一种方式来决定这个LED的亮的程度了。 随着波形占空比不断变化，LED灯也会由暗到亮再从亮到暗不断变化3 硬件电路设计3.1 MSP430F149单片机简介本设计选用MSP430F149单片机8。MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器。该单片机将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上。由于其超低功耗、强大的处理能力、高性能模拟技术及丰富的片上外围模块、系统工作稳定、方便高效的开发环境得到广大用户的高度评价。该单片机引脚图如图3-1所示。图3-1 MSP430F149单片机引脚图3.1.1 MSP430F149单片机特点 具有很低的供电电压。单片机的供电电压最低为1.8V，其供电电压的范围是：1.8V3.6V。 超低的功耗。这是目前其他单片机没有的特色。它在休眠条件下工作的电流只有0.8uA，就是在2.2V、1MHz条件下工作的电流只有280uA。 快速的唤醒时间。从休眠方式唤醒只需要6us的时间。 快速的指令执行时间。它采用的是16位的RISC结构，指令的执行时间只需要150ns的时间，是传统单片机不能比拟的。 片内有12位的A/D转换器，并提供参考电压。A/D转换器具有采样保持和自动扫描特点。 16位的定时器Timer_B带有7个捕获/比较寄存器。 片内提供温度传感器。 具有灵活的时钟设置。主要有一下几种方式：32kHz的晶体方式、高频率晶体方式、谐振器方式和外部时钟源方式。这样可以根据功耗要求和速度要求进行灵活的时钟设置。 16位的定时器Timer_A带有3个捕获/比较寄存器。 片内提供模拟信号比较器。 串口通信模块：USART0、USART1。两个串口都可以通过软件设置成UART方式或者SPI方式，由于该系列单片机提供了两个串口，因此能为用户进行多机通信设计提供了方便。 片内提供较多的存储器，MSP430F149提供的片内FLASH为60KB，同时片内还提供较多的RAM，以便进行运算时处理。 提供较多的外围接口，提供P1.0P6.0共6个数据端口，能为用户提供更多的处理功能。在提供的外围数据端口中，有两个端口具有中断功能，这样能丰富硬件系统的中断资源，也为实现多任务系统提供了方便。 代码保护功能。单片机的安全熔丝功能可以对程序的代码进行保护，从而可以对知识产权进行保护。 具有JTAG仿真调试接口，这样非常便于软件的调试。3.1.2 MSP430F149单片机引脚简介表1 MSP430F149单片机引脚功能表引脚号符号引脚功能1DVcc数字电源端2P6.3/A3通用数字I/O管脚/12位的A/D转换器模拟输入管道33P6.4/A4通用数字I/O管脚/12位的A/D转换器模拟输入管道44P6.5/A5通用数字I/O管脚/12位的A/D转换器模拟输入管道55P6.6/A6通用数字I/O管脚/12位的A/D转换器模拟输入管道66P6.7/A7通用数字I/O管脚/12位的A/D转换器模拟输入管道77A/D转换器内部基准电压的正输出端8XIN晶体振荡器XT1的输入端9XOUT/TCLK晶体振荡器XT1的输出端/测试时钟输入端10A/D转换器外部基准电压11/A/D转换器内部基准电压或者外部基准电压负端12P1.0/TACLK通用数字I/O管脚/Timer_A，TACLK时钟输入信号13P1.1/TA0通用数字I/O管脚/Timer_A，捕获：CCI0A输入，比较：OUT0输出14P1.2/TA1通用数字I/O管脚/Timer_A，捕获：CCI1A输入，比较：OUT1输出15P1.3/TA2通用数字I/O管脚/Timer_A，捕获：CCI2A输入，比较：OUT2输出16P1.4/SMCLK通用数字I/O管脚/SMCLK信号输出17P1.5/TA0通用数字I/O管脚/ Timer_A，比较：OUT0输出18P1.6/TA1通用数字I/O管脚/ Timer_A，比较：OUT1输出19P1.7/TA2通用数字I/O管脚/ Timer_A，比较：OUT2输出20P2.0/ACLK通用数字I/O管脚/ACLK输出端21P2.1/TAINCLK通用数字I/O管脚/ Timer_A，INCLK时钟信号22P2.2/CAOUT/TA0通用数字I/O管脚/ Timer_A，捕获：CCI0B输入，比较：OUT0输出23P2.3/CA0/TA1通用数字I/O管脚/ Timer_A，捕获：CCI0B输入，比较：OUT1输出24P2.4/CA1/TA2通用数字I/O管脚/ Timer_A，比较：OUT2输出25P2.5/通用数字I/O管脚/作为外接电阻管脚，通过接入一个电阻来确定DCO的工作频率26P2.6/ADC12CLK通用数字I/O管脚/12位的A/D转换器的转换时钟27P2.7/TA0通用数字I/O管脚/ Timer_A，比较：OUT0输出28P3.0/STE0通用数字I/O管脚/从传输使能：USART0/SPI模式29P3.1/SIMO0通用数字I/O管脚/ USART0/SPI模式下的从输入或者主输出30P3.2/SOMI0通用数字I/O管脚/ USART0/SPI模式下的从输出或者主输入31P3.3/UCLK0通用数字I/O管脚/外部时钟输入USART0/UART或SPI模式，时钟输出USART0/SPI模式32P3.4/UTXD0通用数字I/O管脚/发送数据输出USART0/SPI模式33P3.5/URXD0通用数字I/O管脚/发送数据输入USART0/SPI模式34P3.6/UTXD1通用数字I/O管脚/发送数据输出USART1/SPI模式35P3.7/URXD1通用数字I/O管脚/发送数据输入USART1/SPI模式36P4.0/TB0通用数字I/O管脚/ 定时器Timer_B，捕获：CCI0A或者CCI0B输入，比较：OUT0输出37P4.1/TB1通用数字I/O管脚/ 定时器Timer_B，捕获：CCI1A或者CCI1B输入，比较：OUT1输出38P4.2/TB2通用数字I/O管脚/ 定时器Timer_B，捕获：CCI2A或者CCI2B输入，比较：OUT2输出39P4.3/TB3通用数字I/O管脚/ 定时器Timer_B，捕获：CCI3A或者CCI3B输入，比较：OUT3输出40P4.4/TB4通用数字I/O管脚/ 定时器Timer_B，捕获：CCI4A或者CCI4B输入，比较：OUT4输出41P4.5/TB5通用数字I/O管脚/ 定时器Timer_B，捕获：CCI5A或者CCI5B输入，比较：OUT5输出42P4.6/TB6通用数字I/O管脚/ 定时器Timer_B，捕获：CCI6A或者CCI6B输入，比较：OUT6输出43P4.7/TBCLK通用数字I/O管脚/ 定时器Timer_B的输入时钟TBCLK44P5.0/STE1通用数字I/O管脚/从传输使能：USART1/SPI模式45P5.1/SIMO1通用数字I/O管脚/ USART1/SPI模式下的从输入或者主输出46P5.2/SOMI1通用数字I/O管脚/ USART1/SPI模式下的从输出或者主输入47P5.3/UCLK1通用数字I/O管脚/外部时钟输入USART1/UART或SPI模式，时钟输出USART1/SPI模式48P5.4/MCLK通用数字I/O管脚/主系统时钟MCLK输出49P5.5/SMCLK通用数字I/O管脚/子系统时钟SMCLK输出50P5.6/ACLK通用数字I/O管脚/辅助时钟ACLK输出51P5.7/H通用数字I/O管脚/切换所有的PWM数字输出口为高阻抗定时器B_3 TB0TB352XT2OUT晶体振荡器XT2的输出端53XT2IN晶体振荡器XT2的输入端54TDO/TDI测试数据输出端/编程时数据输入端55TDI测试数据输入端56TMS测试方式的选择，器件编程和测试输入端57TCK测试时钟，用于器件编程和测试时的时钟输入端58/NMI复位信号输入端/不可屏蔽中断输入端59P6.0/A0通用数字I/O管脚/12位的A/D转换器模拟输入通道060P6.1/A1通用数字I/O管脚/12位的A/D转换器模拟输入通道161P6.2/A2通用数字I/O管脚/12位的A/D转换器模拟输入通道262AVss模拟电源地63DVss数字电源地64AVcc模拟电源端3.2 单片机电路3.2.1 复位电路在单片机系统中，为了保证系统在上电时进行初始化，同时也为了保证对电源的监视，需要采用复位芯片。本设计中选用MAX809STR复位芯片，具体复位电路如图3-2所示。图3-2 单片机复位电路该复位电路非常简单，只需要在电源管脚Vcc处加一个0.1F的电容进行滤波处理，以减少干扰。管脚GND接地，管脚RESET接单片机的RST/NMI引脚。3.2.2 单片机时钟电路设计时钟是MSP430单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。MSP430单片机的时钟设计上与其他的单片机有一定的区别：MSP430F149单片机采用两个时钟输入。XT2IN和XT2OUT引脚跨接石英振荡器和微调电容，XIN和XOUT引脚跨接石英振荡器，就构成了稳定的自激振荡器。高频率的时钟有利于程序更快的运行，也有可以实现更高的信号采样率，从而实现更多的功能。但是在系统要求较高，而且功耗大，运行环境苛刻的情况下，考虑到单片机本身用在控制，并非高速信号采样处理中，所以选取合适的频率即可。图3-3 单片机时钟电路合适频率的晶振对于选频信号强度准确度都有好处，本次设计需要选取两个时钟输入，一个选取8MHz无源晶振接入XT2IN和XT2OUT引脚，并联2个56pF陶瓷电容帮助起振，另一个选取32.768kHz无源晶振直接接入XIN和XOUT引脚。时钟产生电路如图3-3所示。3.2.3 A/D转换器外部基准电压电路TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准电压源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值。具体A/D转换器外部基准电压电路如图3-4所示。图3-4 单片机A/D转换器外部基准电压电路此电路输入5V直流电源，通过TL431和外围电阻向MSP430F149单片机提供3V A/D转换器外部基准稳压电源，使单片机稳定工作。相关电阻计算：已知Vo=3V由Vo=（1+R9R11）2.5 得R9R11=0.2=30k150k 故R9取30k，R11取150k输出电流I=5V-3VR7 =2V100 =20mA3.2.4 MSP430单片机电路设计由上可以知道，MSP430单片机的接口电路非常简单9。由下图可以看出，在单片机的时钟设计上与其他的单片机有一定的区别：MSP430F149单片机采用两个时钟输入，即一个32kHz的时钟信号，另外一个8MHz的时钟信号。该系统的时钟部分都是采用晶体振荡器实现的。考虑到电源的输入纹波对单片机的影响，在电源的管脚增加一个0.1F的电容来实现滤波，以减小输入管脚处受到的干扰。另外，单片机还有模拟电源的输入端，因此在这里需要考虑干扰问题，由于在该系统中的干扰比较小，因此模拟地和数字地共地，在模拟电源输入管脚增加一个滤波电容以减小干扰。通过TL431三端可调分流基准电压源向MSP430F149单片机提供3V A/D转换器外部的基准电压。MAX809STR复位芯片给单片机提供复位信号。具体单片机电路如图3-5所示。图3-5 单片机电路3.3 LED恒流驱动电路3.3.1 HV9910B引脚简介及功能特性图3-6 HV9910B引脚电路引脚号符号引脚功能1VIN输入电压8V450V DC2CSLED灯串的电流采样输入端3GND芯片地4GATE驱动外部MOSFET的栅极5PWMD低频PWM调光脚，也是使能输入脚，内部集成100k的下拉电阻到地6VDD内部线性电源（一般是7.5V），能够向外部线路提供高达1mA的电流7LD线性调光器被用来改变电流采样比较仪的电流限制阈值8Rosc频率振荡控制器，一个电阻连接在此引脚与地之间，用来设定PWM的频率表2 LED恒流驱动芯片HV9910B引脚功能表HV9910B功能特性：HV9910B是一个高效PWM LED驱动器控制集成电路10，它在输入电压从8V到450V DC范围内能有效驱动高亮LED。该芯片能以高达300KHz的固定频率驱动外部MOSFET，其频率由外部电阻编程决定。为了保证亮度恒定并增强LED的可靠性，外部高亮LED串采用恒流方式控制11，而不是恒压控制。其恒流值由外部取样电阻值决定，变化范围从几毫安到超过1安培。HV9910B使用了一个高压隔离连接工艺，能经受高达450V的浪涌输入电压的冲击。对一个LED串的输出电流能被编程设定在零和它的最大值之间的任何值，它由输入到HV9910B的线性调光器的外部控制电压所控制。另外，HV9910B也提供一个低频的PWM调光功能，能接受一个外部达几千赫兹的控制信号在0100%的占空比下进行调光。3.3.2 驱动电路参数计算12根据设计要求，LED路灯功率为28W，照度达2000lm。本设计选用28个1W LED串并联来实现，每个LED压降约3.4V，电流350mA。设计中选用两片HV9910B驱动芯片，每个驱动芯片驱动两路LED灯，每路7个串联。相关参数计算：1、已知参数：VLED=3.47=23.8V24V ILED=700mA VIN=12V2、占空比：D= VLEDVLED+VIN =0.673、MOSFET工作频率设定：fosc=25000Rosc+22 fosc取100kHz 计算的Rosc=228k此电阻可以通过200k固定电阻和100k可调电阻组成，Rosc取228k4、电感选取：Ton=Dfosc =6.7us L=VINTon0.3ILED = =0.38mH5、电流检测电阻计算：RSC= = =0.31可以通过两个0.62的电阻并联得到0.31的电阻。其中，电流波纹为30% ILED,峰值电流为1.15 ILED。6、功率MOSFET选择IRFD024，它的VDS为60V，ID为2.5A，RDS为0.1。7、二极管选择超快速低损耗可控雪崩整流器BYV27-200，它所能承受的反向电压为200V，正向电流为2A，反向恢复时间为25ns。本设计中，驱动电路输入电压是12V，输出电压是24V，采用HV9910B升降压斩波电路来实现13，两片HV9910B分别驱动并联的两串LED灯，灯的亮度及亮灭通过PWMD引脚控制，MSP430F149单片机向驱动器提供PWM信号。两路LED恒流驱动电路如图3-7所示：图3-7 LED恒流驱动电路3.4 传感检测电路本设计中传感检测电路包括热释电红外探测和环境光电检测电路。下面对这两个电路做具体介绍。3.4.1 热释电红外探测电路14LP0001 是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路。它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。它能自动快速开启各类白炙灯、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。1、LP0001芯片引脚简介：图3-8 LP0001芯片引脚电路引脚号符号引脚功能1A可重复触发和不可重复触发控制端。当 A=“1”时，允许重复触发，当A=“0”时，不可重复触发2VO控制信号输出端。由 Vs上跳边沿触发使 Vo 从低电平跳变到高电平时为有效触发。在输出延迟时间Tx 之外和无 Vs 上跳变时 Vo 为低电平状态3RR1输出延迟时间 Tx 的调节端4RC1输出延迟时间 Tx 的调节端5RC2触发封锁时间 Ti 的调节端6RR2触发封锁时间 Ti 的调节端7VSS工作电源负端8VRF参考电压及复位输入端。一般接VDD。接“0”时可使定时器复位。9VC触发禁止端。当 VcVR时禁止触发；当 VCVR时允许触发。 VR0.2VDD10IB运算放大器偏置电流设置端。经 RB接 VSS 端，RB 取值为 1M左右11VDD工作电源正端。范围为 35V122OUT第二级运算放大器的输出端132IN-第二级运算放大器的反相输出端141IN+第一级运放放大器的同相输入端151IN-第一级运放放大器的反相输入端161OUT第一级运算放大器的输出端表3 传感信号处理器LP0001引脚功能表2、芯片功能叙述及极限参数（Vss=0）： CMOS 数模混合专用集成电路； 具有独立的高输入阻抗运算放大器；可与多种传感器匹配，进行信号与处理； 双向鉴幅器，可有效抑制干扰； 内设延迟时间定时器和封锁时间定时器；结构新颖，稳定可靠，调解范围宽； 内置参考电压； 工作电压范围 +3V+5V； 用于多种传感器和延时控制器； 电源电压：-0.5V6V； 输入电压范围：-0.5V+6V（VDD=6V）； 各引出端最大电流：10mA（VDD=5V）； 工作温度：-10+70； 存放温度：-65+150。本设计选用SDA02-54型号的热释电红外传感器，外罩NL-3型菲涅尔透镜，热释电红外探测电路如图3-9所示：图3-9 热释电红外探测电路红外探测电路中，A引脚接地，芯片处于不可重复触发工作方式。输出延迟时间Tx由外部的R22和C29的大小调整，值为Tx26103R22C29；触发封锁时间Ti由外部的R18和C28的大小调整，值为Ti40R18C28。左侧的小功率三极管9013控制整个探测电路的开通与关断（如在下午5点到第二天早晨七点开通，其他时间点关断，以保护芯片电路和节省电能）。VO口将LP0001芯片输出信号输出，将信号输入到MSP430F149单片机P2.0引脚，提供目前人员及车辆信息，从而控制LED灯的亮度。3.4.2 光电传感电路Po188是一个光电集成传感器，典型入射波长为p=520nm，内置双敏感元接收器，可见光范围内高度敏感，输出电流随照度呈线性变化。适合电视机、LCD 背光、数码产品、仪器仪表、工业设备等诸多领域的节能控制、自动感光、自适应控制。1、Po188电气特性及额定参数暗电流小，低照度响应，灵敏度高，电流随光照度增强呈线性变化；内置双敏感元，自动衰减近红外，光谱响应接近人眼函数曲线；内置微信号CMOS放大器、高精度电压源和修正电路，输出电流大，工作电压范围宽，温度稳定性好；可选光学纳米材料封装，可见光透过，紫外线截止、近红外相对衰减，增强了光学滤波效果；符合欧盟RoHS指令,无铅、无镉；工作电压范围：2.4-12V；工作温度范围: -20 to +75；存储温度: -40 to +120 ；焊接温度: 260。2、Po188的光电参数表4 光电集成传感器Po188光电参数参数名称符号测试条件Vcc=5V，R=1K，Ta=25最小值典型值最大值单位典型入射波长p-520-nm静态电流Ev=0Lux,00.034A普通环氧树脂