节能台灯的设计

周璐璐

现代社会人均能源储量严重不足，我国大气污染越发严重，各地出现不同程度的雾霾天气和持续走高的PM2.5指数。从中可以看出宣传、实施节能减排的相关事宜是刻不容缓的一件事。本作品最大的特点是节能环保，同时还具有人性化控制、亮度色温均可以调节等特点。本设计使用Altium Designer进行整体的电路设计，使用AUTO CAD进行台灯外壳的设计，而系统软件部分则采用IAR工作平台进行系统软件的编写、调试。

1 硬件核心的选择

MSP430系列单片机是美国德州仪器公司（简称TI公司）设计生产的一种16位超低功耗的高性能微控制器。从结构上来说，MSP430单片机是一种拥有16位精简指令构架的微处理器，CPU中的常数发生器以及多个寄存器使得MSP430微处理器能够拥有较高效率的代码；同时系统时钟源的灵活运用可以使系统在运行期间消耗较少的电量；单片机系统内部的数控DCO振荡器可以将处于低功耗模式中的MSP430处理器迅速唤醒，同时让处理器在小于6us的时间内激活到活跃的工作方式。本次设计就选取MSP430G2系列单片机作为整个系统控制核心。

2 发光源

由于本次设计的是节能台灯，所以发光源的选型是整个系统极为重要的内容。现在市面上使用的台灯大多都是普通节能灯或是白炽灯制作而成，采用LED设计、制作的台灯还比较少。经过前期对发光发光源的比较分析，其中LED的优势非常明显，故本次设计选用的是节能效果明显、寿命长的高效LED作为本系统的光源。

2.1 封装形式

半导体LED发光源从其封装的形式上可以被分又直插式和SMD贴片，这其中各有各的优缺点。直插LED具有发光角度大的优点，而SMD贴片有散热优秀、寿命更长等诸多特点，故本设计选择SMD贴片封装形式的LED灯珠。

2.2 封装大小

由于现在LED生产技术已经相对发达，很小的灯珠也能达到较大的亮度，为了满足台灯小巧的设计理念，故本次选择的灯珠为体型相对较小的4014灯珠，根据厂商提供的数据，单颗0.2W的灯珠就能达20LM的照度。

3 电源

由于本系统需要5V和3.3V两路供电系统，为了减少外部电源接口，故直接采用一路+5V的外部供电电源，系统所需的另一路3.3V电源则在系统内部通过一个三端稳压芯片转换而成。而这个三端芯片就是日常生活中经常可见的ASM1117。同时这两路电源分别采用1mH电感和0Ω电阻进行隔离，并且还需要在ASM1117的输出输入端并联两个滤波电容，以减小电源文波对主控芯片的影响。

4 复位

由于本系统设计简单且没有使用太多的外围模块，所以在本设计中可以不需要使用专用复位芯片，而是直接使用最为简单且普遍使用的RC复位电路作为系统复位电路即可。

根据数据手册上的介绍，可以在电源VCC_3.3与电源D_GND之间串一个电容和电阻，VCC_3.3接电阻的一端，而电阻另一端接复位引脚和电容，电容另一端接数字地。系统在刚上电的时候，这里的电容可以被当作短路看待，此时单片机的复位脚处于低电平状态。随着电容被电源逐渐的充电，此时电容上端处于高电平状态，整个过程刚好满足MSP430单片机上电复位的需要。

5 键盘

在系统运行时，可以通过按键控制台灯的亮度、色温等参数使之让人感觉到舒适。在这里一共需要5个按键来控制整个系统，虽然独立式键盘和矩阵式键盘都需要用到5个I/O口，但是在本系统中应用独立式的键盘结构相对会使整个系统设计更为简单并且不会造成按键资源的浪费，故本次设计中使用的是独立式键盘。

独立式按键指的是系统处理器直接通过I/O端口连接到各个物理按键。各个物理按键都单独占用一个I/O端口，并且各个端口的工作状态不会受到相互影响。在本次设计的按键电路中，都是使用的低电平输入才有效。同时在MSP430G2553的内部可以通过软件使能相应端口上的上拉电阻，用来确保系统在按键没有被按下的时候各个接有按键的端口处于明确的高电平状态。

6 灯珠驱动

由于本系统设计要求简单，故采用脉宽调制技术来驱动LED灯珠。这里的三极管在深度饱和完全关断之间来回切换，相当于一个高速开关的作用。同时出于对系统安全的考虑，系统在LED的电源与MCU的电源分别通过1mH的电感和0Ω电阻进行隔离，以避免LED电路对MCU电源产生影响。同时为了保正流过LED灯源的电流在其允许的范围内，避免因为电流过大而致使系统将灯珠烧毁，所以在每个灯珠上串联一个限流电阻保证各路的电流均在正常范围内。