基于MSP430单片机的智能LED台灯设计

刘刚 王立香

【摘 要】本文设计了一款基于MSP430F6638为控制核心的多功能能台灯，采用LED为光源。台灯支持手动或自动通过PWM方式调整光源亮度，利用热释电红外探测器检测用户与桌面的距离，对坐姿就行纠正，利用语音控制模块实现台灯的语音控制，同时，利用单片机内部集成的实时时钟，可以实现台灯的定时开关功能。

【关键词】智能LED台；语音控制；光强调节

中图分类号： TU855；TN912.3 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）21-0012-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.21.005

【Abstract】In this paper，a multi-function desk lamp based on MSP430F6638 is designed，and LED is used as the light source.The table lamp supports manual or automatic adjustment of the luminance of the light source by PWM， and uses the pyroelectric infrared detector to detect the distance between the user and the desktop to correct the sitting posture.The voice control module is used to realize the voice control of the desk lamp，and at the same time，the timing switch function of the desk lamp can be realized by using the real-time clock integrated in the single chip microcomputer.

【Key words】Intelligent LED desk lamp；Voice control；Light intensity adjustment

0 引言

隨着智能控制技术和LED技术的发展，照明技术进入了智能时代。智能照明控制系统的设计是实现绿色照明的基础，也是现代照明的核心技术之一[1]。传统的台灯光源一般采用荧光灯和白炽灯，白炽灯的照明效率非常低，只有约5%的耗电用来产生照明，而普通荧光灯的亮度由于驱动方式的原因不可调节，容易造成电能的浪费。据统计，照明已经占我国发电总量的12%[2] ， 因此，非常有必要对节约照明用电进行研究。此外，传统的台灯由于频闪、光源色度和光学特性的原因，容易造成眼睛疲劳，损害用户的视力[3]。LED是一种能够将电能转化为光能的半导体器件，并且能源转换效率高， 是新一代的绿色光源[4]，在照明系统中得到了广泛的应用。智能照明的目的在于节能，其核心是通过智能控制系统，对照明进行有效的控制。因此，设计一款能够智能控制的、亮度方便调整的、同时能够纠正坐姿的护眼节能护眼台灯具有很高的应用价值。本文采用LED作为光源，采用MSP430F6638作为控制器，设计了一款多功能的智能控制台灯，能够实现亮度的自动和手动调节，可以纠正坐姿以及语言控制、定时等功能的智能台灯。

1 硬件设计原理

硬件电路主要包括电源电路、亮度调节电路、坐姿纠正报警电路、语音控制电路、LED驱动电路、时钟电路等部分。系统原理框图如图1所示。

系统的控制核心MSP430单片机采用TI公司的MSP430F6638芯片，该芯片是一块具有超低功耗的16位、具有精简指令集的微处理器。芯片内部集成了定时器、比较器、液晶显示器接口、通用的串行通信接口（USCI）、实时时钟、A/D转换、D/A转换等模块，广泛应用于模拟和数字传感系统、各种仪器仪表等领域。其中USCI接口可以实现UART通信、SPI通信、IrDA通信、通信等多种串行通信模式。利用集成的定时器除了可以完成精确定时，还可以输出占空比可调的PWM等多种不同的信号，本系统中对LED的光强调节就是采用调整PWM的占空比完成的。

下文对系统主要的外围模块做简单的介绍和说明。

（1）光强传感模块

本文设计的多功能台灯可以对光强进行调整，光强的调整方式可以通过按键选择自动调整还是手动调整。自动调整是通过检测外部自然光的亮度，根据环境光照度来自动调整台灯的亮度。其中，对环境光强的检测通过传感器模块TSL2560完成。该芯片是TAOS公司的一款高速、低功耗、宽范围的光强数字传感器，该芯片集成了接口，与单片机的连接非常简单。

（2）坐姿纠正模块

坐姿的纠正可以通过检测用户到桌面的距离来完成[5]，当用户距离桌面过进时，通过安装在LED底座上的发光二极管闪烁报警提示用户纠正坐姿。距离的检测可以通过热释电红外传感器实现，热释电红外传感器采用BISS0001，该芯片是一款高性能的传感器处理器，用少量的外围元器件即可构成热释电红外开关[6]。检测的距离通可以过软件进行调节，方便用户的使用。

（3）语音识别控制模块

语音识别控制模块用以通过语音来对台灯进行控制，其核心是语音识别芯片。本文采用语音识别模块为WTK6900B-B01，该模块可以实现固定词汇，非特定人的语音识别，并且支持高达32种语言，在安静的环境下，其识别距离可达2-3米，通过串行接口及IO口输出识别结果。为了提高语音识别的准确率，应避免使用过近的词条和过于相似的词条，如“阿拉灯，开灯”的词条由于长度适中，相对于“开灯”或“开”这些过短的词条，识别效果要好很多。

（4）LED驱动和亮度调节模块

本文采用24个LED作为发光光源，LED用专门的LED恒流驱动芯片BP2808驱动，该芯片具有多重LED保护功能，包括LED开路、短路、过温保护。LED的亮度调节有手动调节和自动调节两种方式。通过按键选择亮度调节方式，当工作在自动调整亮度时，通过光强传感器检测环境光的强度，当环境光线较弱时，自动调整LED的亮度增强；当环境光线较强时，则自动降低LED的亮度。不管是手动调节还是自动调节，LED亮度的调节方式都是采用通过调整PWM来进行调光。LED的亮度的手动调节由单片机采集可调电阻两端的电压值来实现，根据采集的可调电阻两端的电压值的大小，调整单片机PWM输出引脚上的输出PWM信号的占空比；当自动调节亮度时，单片机根据采集的环境强度，产生不同占空比的PWM信号，单片机的PWM输出引脚和BP2808的DIM引脚相连，因此，通过控制单片机PWM输出信号的占空比，可以起到控制LED亮度调节的作用。

（5）键盘和液晶显示模块

为了方便和用户的交互，台灯装配了一个4*4键盘和一片6位笔段式LCD显示屏，用户可以通过键盘设置亮度的调节方式是手动还是自动，通过键盘和MSP430F6638内部集成的实时时钟（RTC）模块，可以设置台灯的定时开、关。同时，显示屏还可以显示当前时间，为了当不连接电源插座时，RTC能够工作，台灯装配有一块3.7V的锂离子充电电池，利用美国TI公司的BQ24156芯片，完成对电池的芯片，电池仅用于在台灯没有外接电源时，对MSP430单片机供电，以维持单片机内部RTC模块的正常运行。对MSP430F6638单片机，内部仅有一个实时时钟模块RTC_B，由于该模块在出厂时分频系数已经固定，因此，為了能够提供给模块1s的时长单元，RTC_B模块的时钟源必须选择32.768KHz。利用RTC，可以实现台灯的定时开关功能，但当台灯未接外部电源时，定时开功能将不能对台灯进行点亮。

2 软件的设计

系统软件是为硬件服务的，软件的主要功能模块包括光强采集、键盘和LCD控制模块、热释电红外信号的处理和坐姿报警、语音识别模块的处理、定时开关等部分。多功能台灯的程序功能框图如图2所示。

3 结束语

随着智能控制技术的发展，功过能的智能台灯必然是未来的主流台灯照明工具。本文设计的台灯可以实现自动定时开关、光强调节方便以及声音控制等功能，同时具有坐姿纠正，起到保护视力的作用，具有较好的应用价值。

【参考文献】

[1]梁人杰，智能照明控制技术发展现状与未来展望，照明工程学报，2014.2.

[2]孟祥斌，智能照明控制系统的设计，沈阳工程学院学报（自然科学版），2015，Vol 11，No.1.

[3]胡苏军，读写作业台灯“护眼”性能检测及风险评估，中国照明电器，2015.6.

[4]孙明坤，周佳维，罗全明，等6 J/3光电模型及其应用， 电源技术学报，2009，3.

[5]戚磊，姚俊红.基于坐姿纠正和走神提醒的智能护眼仪，山西电子技术，2015.2.

[6]宋保业，基于BISS0001的热释电红外开关，电子元器件应用，2007-07-15.