本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了以MSP430單片機(jī)為核心控制器的無(wú)線照度計(jì)節(jié)點(diǎn)。該無(wú)線照度計(jì)節(jié)點(diǎn)采用LX1971可見(jiàn)光傳感器作為照度探測(cè)器，采用MSP430G2553作為控制核心，并通過(guò)NRF24L01無(wú)線通訊模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。實(shí)驗(yàn)表明，該無(wú)線照度計(jì)節(jié)點(diǎn)能準(zhǔn)確地測(cè)量相應(yīng)環(huán)境的光照強(qiáng)度，并具有低功耗的特點(diǎn)。

　　引言

　　照度計(jì)是測(cè)量環(huán)境光照強(qiáng)度的一種測(cè)量?jī)x器。通常采用的照度計(jì)多為手持式，市場(chǎng)上常見(jiàn)如臺(tái)灣泰仕、美國(guó)福祿克以及優(yōu)利德等品牌。手持式照度計(jì)具有精度高、測(cè)量準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)被測(cè)環(huán)境面積較大時(shí)，使用手持式照度計(jì)進(jìn)行測(cè)量將大大增大工作強(qiáng)度;同時(shí)，手持式照度計(jì)也無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)環(huán)境多點(diǎn)連續(xù)測(cè)量，為照明系統(tǒng)的統(tǒng)一控制帶來(lái)諸多不便。

　　隨著當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，很多研究工作者將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境光照強(qiáng)度的監(jiān)測(cè)之中^[1][2]。本文開(kāi)發(fā)了一種基于LX1971可見(jiàn)光傳感器，以MSP430G2553單片機(jī)為核心的照度計(jì)，該照度計(jì)可以通過(guò)電池供電，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)環(huán)境的準(zhǔn)確和連續(xù)的測(cè)量。通過(guò)NRF24L01無(wú)線通訊模塊，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的無(wú)線上傳。該無(wú)線照度計(jì)節(jié)點(diǎn)具有低功耗、測(cè)量準(zhǔn)確和無(wú)線通訊等特點(diǎn)，并能進(jìn)行組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)較大測(cè)量環(huán)境的長(zhǎng)期統(tǒng)一監(jiān)控。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　本文設(shè)計(jì)的無(wú)線照度計(jì)節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)較大測(cè)量環(huán)境內(nèi)光照強(qiáng)度的監(jiān)測(cè)，如圖書(shū)館閱覽室大廳、大型會(huì)議室等室內(nèi)環(huán)境。并將測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸方式發(fā)送到監(jiān)控中心，進(jìn)而對(duì)被測(cè)環(huán)境中照明系統(tǒng)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，以滿(mǎn)足照明強(qiáng)度要求。在該照度計(jì)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中，主要涉及到光照傳感器、控制核心和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊的選擇和系統(tǒng)整合等。
      電源系統(tǒng)為各功能模塊供電，光照傳感器將采集到的信息發(fā)送給核心控制器，核心控制器將獲取到的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)串行通信方式發(fā)送給無(wú)線模塊，再經(jīng)由無(wú)線模塊發(fā)送給監(jiān)控中心。

　　1.1 光照傳感器模塊設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)的無(wú)線照度計(jì)節(jié)點(diǎn)主要用于可見(jiàn)光的監(jiān)測(cè)，因此選擇了Microsemi公司的LX1971型寬量程可見(jiàn)光傳感器。該傳感器的頻譜響應(yīng)與人眼相似，其頻譜峰值響應(yīng)為520nm。對(duì)光照強(qiáng)度的測(cè)量范圍為0~25000Lux，光照強(qiáng)度與輸出電流間的關(guān)系，根據(jù)不同照度范圍可以用兩個(gè)公式表示^[3]，如式1所示。

　　LX1971光傳感器采用3.3V~5V供電，8腳MSOP封裝，采用電流輸出方式。該傳感器在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)光照強(qiáng)度與輸出電流間的響應(yīng)關(guān)系^[3] 。

其采用的電流輸出方式可以方便地將輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，無(wú)需調(diào)理電路，可直接與單片機(jī)連接。

      LX1971具有兩路電流輸出(SNK和SRC)。為了將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，可以根據(jù)增益范圍的需要選擇合適的電阻(5KΩ到50 KΩ)，并按照?qǐng)D中的連接方法，選擇一路或兩路方式接入電阻。LX1971兩路輸出端電壓隨光照強(qiáng)度變化關(guān)系，SNK端電壓隨光照強(qiáng)度增強(qiáng)而減小，SRC端電壓隨光照強(qiáng)度增強(qiáng)而增大。有賴(lài)于LX1971芯片中集成的精確內(nèi)部增益放大器和平方根轉(zhuǎn)換功能，大大縮減了外圍電路的設(shè)計(jì)復(fù)雜性和難度。

　　根據(jù)環(huán)境最大照度對(duì)應(yīng)電流值和核心控制[日企招聘]器A/D轉(zhuǎn)換器輸入量程，確定電阻R1和R2的值，并通過(guò)調(diào)節(jié)電容C1改變響應(yīng)時(shí)間。

　　本文設(shè)計(jì)的照度計(jì)節(jié)點(diǎn)主要用于閱覽室等室內(nèi)環(huán)境照度的監(jiān)控，根據(jù)民用建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)^[4]，一般閱覽室內(nèi)照度不超過(guò)300Lux。因此本文設(shè)計(jì)的照度計(jì)測(cè)量范圍選擇為0~300Lux，根據(jù)式1所示，1Lux對(duì)應(yīng)的電流值約為0.05uA，為滿(mǎn)足A/D轉(zhuǎn)換器分辨率的要求，圖3中電阻R2選擇為100kΩ，使得1Lux對(duì)應(yīng)5mV電壓輸出，再通過(guò)調(diào)節(jié)電阻R2確保電壓輸出在A/D轉(zhuǎn)換器測(cè)量范圍之內(nèi)。

　　1.2 核心控制器的選擇

　　為了確保無(wú)線照度計(jì)節(jié)點(diǎn)能在電池供電情況下連續(xù)工作較長(zhǎng)時(shí)間，因此整個(gè)系統(tǒng)必須考慮采用低功耗器件，核心控制器選擇采用德州儀器公司(Texas Instruments)的MSP430G2553單片機(jī)，該單片機(jī)為16位低功耗單片機(jī)。該芯片采用3.3V供電，具有5種節(jié)能模式可供選擇。在待機(jī)模式下，電流值僅為0.5uA，而在休眠模式下，電流消耗僅需0.1uA。該芯片采用20腳TSSOP封裝方式，體積較小，便于節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)小型化。此外，該芯片集成了10位內(nèi)建A/D轉(zhuǎn)換器，采樣率達(dá)200KSPS，對(duì)模擬信號(hào)的采樣和轉(zhuǎn)換已足夠^[5]。

       該單片機(jī)可以不使用外部晶振，采用內(nèi)部數(shù)字控制時(shí)鐘系統(tǒng)便能正常工作，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì)工作。同時(shí)，該型號(hào)單片機(jī)還帶有SPI通信模塊，可以方便地實(shí)現(xiàn)與外圍設(shè)備的SPI通信，如與無(wú)線通信模塊的通信^[6]。

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