MSP430單片機(jī)模塊設(shè)計(jì)方案解析

當(dāng)前能源短缺成為制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素，如何實(shí)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(diǎn)，在實(shí)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。現(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(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(duì)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(jì)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(duì)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(shí)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(hào)處理器，它具有超低功耗、強(qiáng)大的處理能力、豐富的片上外圍模塊等優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用于一些低功耗產(chǎn)品。

1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該智能充電照明控制系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)模塊構(gòu)成：光信號(hào)檢測模塊， MSP430 單片機(jī)模塊，電機(jī)控制及驅(qū)動(dòng)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(yùn)行時(shí)光信號(hào)檢測模塊會(huì)檢測不同方向的光照強(qiáng)度以尋找最大光照強(qiáng)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(duì)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。

2.系統(tǒng)各分立模塊分析和說明

2.1 光信號(hào)檢測模塊

光信號(hào)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(qiáng)度，并將光照強(qiáng)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(shí)，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(gè)放大了的信號(hào)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(jì)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(shí)利用AD 采樣模塊采集光信號(hào)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(hào)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)太陽光照的跟蹤和定位。照明方式工作時(shí)，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(shí)現(xiàn)亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。

2.3 電機(jī)控制及驅(qū)動(dòng)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(duì)太陽光照的目的。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N 實(shí)現(xiàn)。L298N 是SGS 公司生產(chǎn)的恒壓恒流橋式2A 驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)部包含4 通道邏輯驅(qū)動(dòng)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(hào)，電路簡單，使用方便。

2.4 LED 照明模塊

由于LED 為電流驅(qū)動(dòng)，故該模塊設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)包括電流源模塊。該模塊在夜間照明時(shí)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(hào)經(jīng)過運(yùn)放和NPN后，NPN 的C 極電流為恒流源。因此可以驅(qū)動(dòng)LED 實(shí)現(xiàn)LED 照明。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與分析

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是通過程序設(shè)計(jì)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(shí)，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(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)加至電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以正對(duì)太陽光照，進(jìn)行最大效率充電。此外，照明工作時(shí)，光采集模塊將光信號(hào)強(qiáng)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(shí)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(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)加至LED 照明模塊。該方式可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)根據(jù)外界光強(qiáng)變化來改變LED 的亮度。

4.設(shè)計(jì)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(shí)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(duì)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(shí)現(xiàn)充電效率的最大化和根據(jù)環(huán)境亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)照明亮度的功能， 能夠充分的節(jié)約能源，對(duì)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(jì)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(jì)充分考慮了當(dāng)前能源節(jié)約的社會(huì)主題， 結(jié)合已有的技術(shù)和原理，對(duì)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(huì)更加成熟，社會(huì)在能源節(jié)約方面也會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)。