節能臺燈的設計

周璐璐

現代社會人均能源儲量嚴重不足，我國大氣污染越發嚴重，各地出現不同程度的霧霾天氣和持續走高的PM2.5指數。從中可以看出宣傳、實施節能減排的相關事宜是刻不容緩的一件事。本作品最大的特點是節能環保，同時還具有人性化控制、亮度色溫均可以調節等特點。本設計使用Altium Designer進行整體的電路設計，使用AUTO CAD進行臺燈外殼的設計，而系統軟件部分則采用IAR工作平臺進行系統軟件的編寫、調試。

1 硬件核心的選擇

MSP430系列單片機是美國德州儀器公司（簡稱TI公司）設計生產的一種16位超低功耗的高性能微控制器。從結構上來說，MSP430單片機是一種擁有16位精簡指令構架的微處理器，CPU中的常數發生器以及多個寄存器使得MSP430微處理器能夠擁有較高效率的代碼；同時系統時鐘源的靈活運用可以使系統在運行期間消耗較少的電量；單片機系統內部的數控DCO振蕩器可以將處于低功耗模式中的MSP430處理器迅速喚醒，同時讓處理器在小于6us的時間內激活到活躍的工作方式。本次設計就選取MSP430G2系列單片機作為整個系統控制核心。

2 發光源

由于本次設計的是節能臺燈，所以發光源的選型是整個系統極為重要的內容。現在市面上使用的臺燈大多都是普通節能燈或是白熾燈制作而成，采用LED設計、制作的臺燈還比較少。經過前期對發光發光源的比較分析，其中LED的優勢非常明顯，故本次設計選用的是節能效果明顯、壽命長的高效LED作為本系統的光源。

2.1 封裝形式

半導體LED發光源從其封裝的形式上可以被分又直插式和SMD貼片，這其中各有各的優缺點。直插LED具有發光角度大的優點，而SMD貼片有散熱優秀、壽命更長等諸多特點，故本設計選擇SMD貼片封裝形式的LED燈珠。

2.2 封裝大小

由于現在LED生產技術已經相對發達，很小的燈珠也能達到較大的亮度，為了滿足臺燈小巧的設計理念，故本次選擇的燈珠為體型相對較小的4014燈珠，根據廠商提供的數據，單顆0.2W的燈珠就能達20LM的照度。

3 電源

由于本系統需要5V和3.3V兩路供電系統，為了減少外部電源接口，故直接采用一路+5V的外部供電電源，系統所需的另一路3.3V電源則在系統內部通過一個三端穩壓芯片轉換而成。而這個三端芯片就是日常生活中經常可見的ASM1117。同時這兩路電源分別采用1mH電感和0Ω電阻進行隔離，并且還需要在ASM1117的輸出輸入端并聯兩個濾波電容，以減小電源文波對主控芯片的影響。

4 復位

由于本系統設計簡單且沒有使用太多的外圍模塊，所以在本設計中可以不需要使用專用復位芯片，而是直接使用最為簡單且普遍使用的RC復位電路作為系統復位電路即可。

根據數據手冊上的介紹，可以在電源VCC_3.3與電源D_GND之間串一個電容和電阻，VCC_3.3接電阻的一端，而電阻另一端接復位引腳和電容，電容另一端接數字地。系統在剛上電的時候，這里的電容可以被當作短路看待，此時單片機的復位腳處于低電平狀態。隨著電容被電源逐漸的充電，此時電容上端處于高電平狀態，整個過程剛好滿足MSP430單片機上電復位的需要。

5 鍵盤

在系統運行時，可以通過按鍵控制臺燈的亮度、色溫等參數使之讓人感覺到舒適。在這里一共需要5個按鍵來控制整個系統，雖然獨立式鍵盤和矩陣式鍵盤都需要用到5個I/O口，但是在本系統中應用獨立式的鍵盤結構相對會使整個系統設計更為簡單并且不會造成按鍵資源的浪費，故本次設計中使用的是獨立式鍵盤。

獨立式按鍵指的是系統處理器直接通過I/O端口連接到各個物理按鍵。各個物理按鍵都單獨占用一個I/O端口，并且各個端口的工作狀態不會受到相互影響。在本次設計的按鍵電路中，都是使用的低電平輸入才有效。同時在MSP430G2553的內部可以通過軟件使能相應端口上的上拉電阻，用來確保系統在按鍵沒有被按下的時候各個接有按鍵的端口處于明確的高電平狀態。

6 燈珠驅動

由于本系統設計要求簡單，故采用脈寬調制技術來驅動LED燈珠。這里的三極管在深度飽和完全關斷之間來回切換，相當于一個高速開關的作用。同時出于對系統安全的考慮，系統在LED的電源與MCU的電源分別通過1mH的電感和0Ω電阻進行隔離，以避免LED電路對MCU電源產生影響。同時為了保正流過LED燈源的電流在其允許的范圍內，避免因為電流過大而致使系統將燈珠燒毀，所以在每個燈珠上串聯一個限流電阻保證各路的電流均在正常范圍內。