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2020年09月07日 | 基于MSP430单片机的智能充电照明控制系统设计
2020-09-07 来源：elecfans
当前，能源短缺成为制约社会经济发展的重要因素，如何实现能源高效利用是我们面临的重要问题。LED 作为一种新型的绿色光源产品，有着节能、环保、寿命长、体积小等特点，在实际生活中的利用也越来越广泛。而现在太阳能电池板充电技术已经得到了很大的发展，在公路两旁的路灯很多就是利用太阳能进行充电。现有的充电和照明技术都是根据预先的设置进行工作，不能根据环境的改变而实现自动调节，因此在能源利用率方面还可以进一步提高。
原有的充电技术中，太阳能电池板的角度位置是固定的，所以在一天中面对太阳光照的角度也不同。这样使太阳能充电无法达到最大效率。如果设计系统能够根据一天当中太阳位置的变化而调整角度，使充电电池板始终正对太阳，获得最大光照，这样就可以很大程度的提高充电效率。在夜间照明时可以根据环境的光照来调节LED 的亮度，同样也可以节省能量。
该系统所利用的MSP430F169 单片机是美国德州仪器（TexasInstruments）公司生产的16 位超低功耗的混合信号处理器，它具有超低功耗、强大的处理能力、丰富的片上外围模块等优点，适合应用于一些低功耗产品。
1.系统总体设计
该智能充电照明控制系统主要由以下几个模块构成：光信号检测模块， MSP430 单片机模块，电机控制及驱动模块，太阳能电池板充电模块，LED 照明模块等。该系统在白天运行时光信号检测模块会检测不同方向的光照强度以寻找最大光照强度即太阳光照角度，经过单片机处理控制电机的旋转，使太阳能电池板能够正对光照，以最大效率进行充电。在傍晚或夜间，利用光敏电阻检测外界环境的亮度，并经过单片机控制流经LED 的电流大小， 使照明能够根据环境亮度实现自动调节。
2.系统各分立模块分析和说明
2.1 光信号检测模块
光信号检测模块主要是利用不同的光敏三极管作为传感器，检测外界不同角度的光照强度，并将光照强度这一非电量转化为电流并送至单片机的AD，进行进一步处理。受到光辐射时，光敏三极管内部形成光电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了的信号电流。与光敏二极管相比，具有很大的光电流放大作用，因而具有较高的灵敏度。
2.2 MSP430 单片机模块设计方案
系统单片机模块采用MSP430F169 最小系统板，充电方式工作时利用AD 采样模块采集光信号检测模块的输出电压值，根据分析采集到的电压变化来产生控制信号控制步进电机的转动，实现太阳光照的跟踪和定位。照明方式工作时，单片机可以利用AD 采集光敏电阻的电压值，经过数据处理产生控制信息控制照明LED 的亮度，以实现亮度自动调节功能。
2.3 电机控制及驱动模块
该模块主要是利用单片机产生的控制信息工作，使电池板旋转一定的角度达到正对太阳光照的目的。电机驱动电路采用电机驱动芯片L298N 实现。L298N 是SGS 公司生产的恒压恒流桥式2A 驱动芯片，内部包含4 通道逻辑驱动电路， 可以直接通过电源来调节输出电压，也可以直接用单片机的IO 口提供信号，电路简单，使用方便。
2.4 LED 照明模块
由于LED 为电流驱动，故该模块设计时应包括电流源模块。该模块在夜间照明时能够根据光敏电阻检测的环境亮度值转化为电压的变化，并经过单片机模块的数据处理来控制流经LED 的电流大小，实现自动调整LED 亮度的功能。
该模块的输入量为单片机DA 的输出电压。输入信号经过运放和NPN后，NPN 的C 极电流为恒流源。因此可以驱动LED 实现LED 照明。
3.系统软件设计与分析
系统软件设计主要是通过程序设计使单片机能够实现数据分析与控制电路工作。MSP430F169 单片机内置有12 位8 外部信道连续逼近式模拟数字转换（AD）模块和12 位数字模拟转换（DA）电压输出模块。在系统工作时，单片机AD 采集光敏三极管的检测电压值，经过单片机处理，DA 转换器将数字信号转换为模拟信号加至电机驱动模块，驱动电机进行旋转，以正对太阳光照，进行最大效率充电。此外，照明工作时，光采集模块将光信号强度变化转换为电压的变化，将此电压输入至MSP430 单片机的AD 模块，实现数据的采集。数据经过单片机处理通过DA 模块将数字信号转换为模拟信号加至LED 照明模块。该方式可以实现自动根据外界光强变化来改变LED 的亮度。
4.设计可行性分析
该系统包括智能充电和LED 照明两部分。充电时系统可以根据检测分析得到太阳光的角度，并控制电机旋转，使太阳能电池板以最大面积正对太阳光，能够充分利用太阳光进行充电。智能LED 照明部分则利用光敏电阻检测外界环境的亮度，然后经过单片机分析产生控制电流控制LED 的亮度。这两部分结合可以实现充电效率的最大化和根据环境亮度自动调节照明亮度的功能， 能够充分的节约能源，对当今低碳生活和能源节约有着十分重要的作用。此外，该系统设计简单，成本较低，易于操作，可行性较大。
5.结语
该系统的设计充分考虑了当前能源节约的社会主题， 结合已有的技术和原理，对充电照明系统做了改进。随着科学技术的发展，能源的高效利用技术会更加成熟，社会在能源节约方面也会进一步加强。
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