项目资助：国家级大学生创新创业训练计划项目[ 项目号：201211527006 （教高司函[2013]8 号）] 和省大学生研究性学习和创新性实验计划项目（湘教通〔2012〕402 号）

【文章摘要】

针对目前高校教室电能浪费严重的现实，本文设计一种以MSP430G2553 单片机为控制核心的高效智能照明系统，由人体感应、光照强度检测等模块共同组成输入系统， 以LED、语音模块作为输出系统，经实际测试，整个系统达到了安防、智能控光于一体，起到了节能的效果，且系统稳定、安全，具有一定的应用价值。

【关键词】

照明系统；智能；红外人体感应；节能

中图分类号：TM201 文献标识码：B

0 引言

我国自1999 年出台扩大普通高校招生人数的教育改革政策以来，各高校在校人数普遍增加，面临的问题就是师资力量和教室数量明显不够，紧接着出现的就是能够容纳百余人同时听课的“阶梯教室” 越来越多。由于自然光具有随机性和易变性，且“阶梯教室”面积较大，教室内照度值一直在发生变化，各个方位的光照强度不同。就出现教室内某些方位的自然光照不足，需要开灯学习，而“阶梯教室”的照明设备大多数采用一个开关控制多个照明设备的设置，这就造成了白天教室某些方位即使在采光充足的情况下也同时开灯的现象。另由于大学开放型的管理模式，以及学生们节能意识的淡薄，在白天教室里即使无人或者人数很少的情况下，教室里的照明灯也全部开启。在许多教室里长明灯和人走不熄灯的现象普遍存在。据测算教学楼耗电量占学校所有耗电的40% 左右，按照有关规定教室照明的功率密度约为10W/m2。一个标准教室的面积为96m2，假设每天正常用电时间为15h， 每个教室年度按270 天计，一个学校教室数量为200 间，节电率以平均30% 计算， 则一年可节电, 节约电费10~20 万元。以上估计还未包括线路损耗和灯具长时间开启而损耗的部分。因此，研究大学教室的节能是一项很有现实意义的事情。本高效智能照明系统不仅能满足室内人员对照明的要求，节能效果好、还能延长灯具寿命、降低运行费用、简化节省配电控制设备和管理工作量，具有非常重要的应用价值和推广价值。

1 整体硬件设计

本设计的整体框图如图1，由光照采样模块、红外人体感应模块、火灾检测报警模块、语音模块、LED 驱动模块、主控制模块、电机驱动模块、继电器控制模块等8 部分组成。它的主控模块采用TI 公司的低功耗单片机MSP430G2553，系统首先通过光照采样，并通过光—流—压转换后，探测室内光照强度，并利用红外人体感应模块探测室内是否有人，将这些采集到的信号以及火灾检测报警模块感应的信号传送给主控模块进行相关的处理判断后，再通过电机驱动模块、LED 驱动模块和继电器控制模块来控制LED 灯具开关的时间及位置。该系统有实现消防、安防、智能控光的功能。

图1 整体设计框图

2 微控芯片的选择

MSP430 系列单片机是美国德州仪器公司（TI）近几年开发的新一代单片机，由于其功能远远超过其他系列单片机的功能，因而又被称之为混合型单片机，它具有一种16 位RISC 架构，对于应用而言是高度透明的。所有的操作（程序流指令除外）均作为寄存器操作与用于源操作数的7 种寻址模式和用于目的操作数的4 种寻址模式一起执行。CPU 与16 个寄存器进行了集成，可提供精简指令执行时间。寄存器至寄存器操作执行时间为CPU 时钟的一个周期。其中的4 个寄存器（R0 至R3）分别专门用作程序计数器、栈指针、状态寄存器和常数发生器。其余的寄存器为通用型寄存器。采用数据、地址和控制总线将外设连接至CPU，并可利用所有的指令对外设进行控制。该指令集包括51 条原始指令以及3 种格式、7 种地址模式和用于扩展地址范围的额外指令。每条指令均可操作字和字节数据。

3 部分硬件电路设计

3.1 光照采样模块设计

光照采样模块通过光敏电阻reds1 对外界光照强度进行采样，将采集到的模拟信号传给MSP430G2553 的P1.0 口，并执行相应的控制命令。

3.2 红外人体感应模块设计

红外人体感应模块采用BISS0001 为主芯片，及红外热释电传感器而实现。通过此模块可以将室内是否有人转换成电平信号，单片机通过接收到的电平信号并结合室内光线强度做出反应，点亮LED 灯。如图2 所示。

3.3 大功率LED 驱动模块设计

本系统结合节能、性价比以及室内环境对光照强度的考虑，最终采用的LED 灯功率为1W。结合LED 驱动电路的特点采用恒流驱动方式，所以驱动芯片选择PT4115 恒流驱动芯片。单片机根据室内光线强度产生不同的PWM 脉冲，传给PT4115，从而实现对1W LED 灯的0-100% 亮度的调节。其电路如图3 所示。

3.4 火灾检测报警模块设计

火灾检测报警模块运用MQ-2 烟雾传感器为主芯片而实现。通过此模块可以将室内烟雾浓度换成电平信号，当室内的烟雾浓度超过预设值时，单片机将接收到由此模块传来的高电平信号，这时单片机就会命令语音模块，发出火灾警报。电路如图4 所示。

3.5 语音模块设计

语音模块运用WT588D 为主芯片而实现。WT588D 语音芯片是早期可外挂FLASH 的一款语音芯片，WT588D 音质较好，控制灵活的特点，更增加了可播放MIDI 和弦功能，性能更好。本模块直接接于单片机上，通过单片机控制发出不同的语音信号。

4 软件设计

当系统处于智能灯控模式时，系统上电后首先进行初始化，里面的光敏电阻进行室内光线强度的采样和检测。当采集到的光线强度不符合我们的设定值时（没有天黑），程序结束。当采集到的光线强度符合我们的设定值时（天黑），再根据热释红外传感器对室内环境进行检测，当室内检测无人时，程序结束。否则（有人），根据采样得到室内光线强度决定点亮LED 灯的亮度，使室内光线达到最适程度。当热释红外传感器检测不到人时，系统发出灭灯警报，若在30 秒内无人触动不灭灯请求开关时，系统熄灭LED 灯。否则（触动不灭灯请求），系统不灭灯，并重新检测室内是否有人。

当系统处于安防模式时，系统上电后首先进行初始化，里面的光敏电阻进行室内光线强度的采样和检测。当采集到的光线强度不符合我们的设定值时（没有天黑），程序结束。当采集到的光线强度符合我们的设定值时（天黑），再根据热释红外040