基于MSP430单片机的智能调光器(1)

实验室研究与探索

RESEARCHANDEXPLORATIONINLABORATORY

Vo.l27No.8

Aug.2008

基于MSP430单片机的智能调光器

李 宗, 陈洪亮

(上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海200240)

摘 要:提出了一种基于MSP430系列单片机的新型智能调光器,设计了一个简单可靠的稳压电路和过零采样电路,在调光器上实现了延时关闭、断电状态记忆等功能。最后进行了调光器的温度测试,检验了调光器的可实用性。

关键词:MSP430;可控硅;智能调光器

中图分类号:TP393.03 文献标识码:B 文章编号:1006-7167(2008)08-0049-03

AnIntelligentLightIndicatingDeviceBasedonMSP430

LIZong, CHENHong2liang

(SchoolofElectronic,InformationandElectricalEng.,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China)Abstract:ThisarticlepresentedanewtypeofintelligentlightindicatingdevicebasedonMSP430,anddesignedareli2ablepowersupplycircuitandcross2zerosamplingcircuitforthisdevice.Ithasthefunctionofturningoffthelampafteraperiodoftimedelayandpowerdownstatusmemory.Atlas,tthethermaltestwasundertaken,whichcanvalidatethepracticeofthisdevice.Keywords:MSP430;triac;intelligentlightindicatingdevice

CLCnumber:TP393.03 Documentcode:B ArticleID:1006-7167(2008)08-0049-03

1 引 言

随着科技水平和生活水平的不断提高,家用电器中,智能化、环保、舒适化、节约能源等关键词渐渐出现在人们生活中。在家庭照明中,由于没有频闪、亮度高等优点,白炽灯仍旧有用武之地。考虑到白炽灯功耗比较大,于是产生了调光器这种设备。本文提到的智能调光器,不但具有一般调光器的调节灯光亮度的功能,同时具有掉电状态记忆、延时关闭等功能。例如当主人要离开家时,可以先设定好延时关闭,等主人离开家一段时间后,灯就会自动关闭。

2 智能调光器的基本原理

调光器的基本原理是,控制器串连在灯的交流回路内,通过单片机控制可控硅的导通角的大小,可控硅

关断的时候,对于灯来说等效于断路;开通的时候等效于通路,从而控制流经灯的等效电流的大小,控制灯的亮度,并用10个LED灯指示当前的亮度。220V交流转5V直流的电源电路中包含一个大容量电容给系统供电,在可控硅导通的时间内,给电容充电,这样当系统等效于断路的时候持续给系统供电。在发生断电的时候,可以留给单片机足够的时间把断电前的状态写入FLASH。调光器包含一个交流的过零采样电路,取到的过零点作为一个外部中断,控制单片机的定时器开始计时,计时的大小既是可控硅导通角的大小,同时采用如下的判断机制:当失去两个过零点时,即判断当时发生了断电情况,这时即停止调光器的动作,写入当前的工作状态,待重新取得过零点时恢复先前的工作状态。

收稿日期:2007-09-14

作者简介:李 宗(1983-),男,上海人,硕士研究生,主要研究方向为基于单片机的嵌入式系统软硬件设计。Te:l13501648622;E2mai:lbabymeat@sjtu.edu.cn

通信作者:陈洪亮(1946-),男,教授,主要从事网络智能化应用、智能建筑电气、智能交通、多媒体数据库理论及其应用、ERP研究与应用、信息管理等方面的教学与科研工作。E2mai:lhlchen@sjtu.edu.cn

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实 验 室 研 究 与 探 索

第27卷

图1 调光器的硬件结构图

3 系统的硬件结构

3.1 微处理器模块

MSP430F2121是TI公司推出的超低功耗混合信号控制器MSP430系列中的FLASH型单片机,它具有16位RISC结构,CPU中的16个寄存器和常数发生器使得MSP430微控制器能达到最高的代码效率;灵活的时钟可以使器件达到最低的功率消耗;数字控制的振荡器可以使器件从低功耗模式迅速唤醒,在6Ls之内激活到活跃的工作方式。20pin的MSP430F2121具有16个可用IO,可以为调光器提供3个按键输入口,一个过零外部中断,一个可控硅脉冲输出口和10个LED状态指示灯。

选用MSP430系列低功耗的单片机,既可以减轻电源的发热量,同时电源中的大电容容量也可以减小,从而降低了成本。

3.2 系统电源电路

系统的电源部分主要原理是通过一个5.1V的稳压管控制Q4和Q5的导通,从而为电容C3充电,保持C3上的电压稳定在5V左右。

图中RED和VCC分别串连接入灯的交流回路。由于二极管D1的存在,电源只在交流波形正半周的时候工作。当电压波形由负变正的时候,Q4和Q5顺序导通。由于Q5上通过电流很大,可以迅速为C3充电。D1是一个15V的稳压管,当交流瞬时电压超过15V的时候,Q3就会导通,从而关闭Q4和Q5,停止为C3充电。在实际应用中,根据系统的耗电量的不同,可以调整R9和R10的大小,改变Q5上的电流大小,控制C3的充电速度;还可以改变D1的值,控制电源给C3充电脉冲的宽度,从而降低Q5上的发热量。在参数恰当的情况下,C3两端的电压会稳定在5V左右,在交流断电的情况下,C3还可以支持单片机工作数百ms。

图3 过零采样部分原理图图2 电源部分原理图

3.3 交流过零点采样电路

过零点采样电路的功能是取得交流波形的过零点,作为单片机的外部中断信号。

在交流正半周并且可控硅不导通的时候,电流从

GND流向RED,D5正向导通,从而比较器2脚电压为0.7V。

在交流正半周并且可控硅导通时,比较器2脚的电压为5V减去可控硅的导通电压并经过电阻分压,为2.2V左右。

在交流负半周且可控硅不导通时,电流从RED流向GND,D5反向击穿,比较器2脚电压为5.1V。

在交流负半周并且可控硅导通时,比较器2脚的

第8期

李 宗,等:基于MSP430单片机的智能调光器

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电压为5V加上可控硅的导通电压并经过电阻分压,为2.7V左右。

把比较器的基准电压设定为2.5V,则7脚输出的电压波形即为标准的方波,交流正半周为低电平,负半周为高电平。把单片机的一个IO口设为上下沿均触发的中断模式,就可得到交流波形的每个过零点。

4 软件编程

4.1 智能调光器的功能

考虑到实际使用中的方便,主要为调光器设计了如下的功能:

调光器共有19档灯的亮度,共有10个LED灯。每两档亮度用一个LED灯标识。最大一个亮度用一个LED标识。当断电的时候,调光器会记录断电前灯的亮度。当供电恢复时,会自动回到断电前的亮度。

调光器拥有3个按键,主要的功能是:¹左键:单击变暗一档;长按持续变亮;º右键:单击变亮一档;长按持续变亮;»中键:单击关灯,再单击回到先前亮度;双击自动变到最亮;长按是设定延时时间的长度,放手后当倒计时到零时,逐渐变暗关闭。4.2 智能调光器主要软件流程

软件中,实现设定好了19档延时的长度和相应的LED灯的状态,分别用unsignedchar[19]delay和un2signedchar[19]LED_status来表示,设定的最大导通角为75%,全局变量intni表示当前灯的亮度档位,charstatus表示当前调光器的工作状态,一共区分了以下9种状态。state0:空闲;state1:左键按下;state2:右键按下;state3:中键按下一次的延时,若state为3时再次按下中键,则判断为双击;state4:单击中键灯变暗的过程;state5:单击中键灯变亮的过程;state6:双击中键灯变亮的过程;state7:中键长按;state8:延时关闭的过程。

按照事先设定的调光器的功能,编写的控制软件的主要流程见图5。

可控硅型号BTA16

BTA25(600W负载)BTA25(1200W负载)

图5 智能调光器的主要软件流程表1 调光器的温度测试结果

可控硅温度85e79e115e

PCB温度58e55e92e

电感温度72e69e102e

外壳温度40e37e65e

美国UL认证对于调光器的工作温度要求是:当

负载等效工作功率等于标定的最大负载时,调光器上所有器件的工作温度都不得高于设计时的最高工作温度,同时PCB上的温度不得高于95bC。按照此要求,可知在使用BTA25的情况下,本设计中的调光器最大负载为1200W。参考文献(References):

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5 调光器的工作效果

在实际应用中,除了需要保证软件功能和可靠性之外,由于可控硅器件的存在,考虑到实际家庭应用中

的安全,还需要解决电路的发热问题。在设计形状、材质合适的散热片之后,需要考虑调光器能够承受的负载大小,从而把器件温度控制在一个合理的范围之内。实际温度测试中,分别使用BTA16和BTA25型号的可控硅,把可控硅用铆钉铆在散热片上,安装在塑料壳内,封入墙体进行温度测试,环境温度为25e。