節(jié)能臺(tái)燈的設(shè)計(jì)

周璐璐

現(xiàn)代社會(huì)人均能源儲(chǔ)量嚴(yán)重不足，我國(guó)大氣污染越發(fā)嚴(yán)重，各地出現(xiàn)不同程度的霧霾天氣和持續(xù)走高的PM2.5指數(shù)。從中可以看出宣傳、實(shí)施節(jié)能減排的相關(guān)事宜是刻不容緩的一件事。本作品最大的特點(diǎn)是節(jié)能環(huán)保，同時(shí)還具有人性化控制、亮度色溫均可以調(diào)節(jié)等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)使用Altium Designer進(jìn)行整體的電路設(shè)計(jì)，使用AUTO CAD進(jìn)行臺(tái)燈外殼的設(shè)計(jì)，而系統(tǒng)軟件部分則采用IAR工作平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)軟件的編寫、調(diào)試。

1 硬件核心的選擇

MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器公司（簡(jiǎn)稱TI公司）設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一種16位超低功耗的高性能微控制器。從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，MSP430單片機(jī)是一種擁有16位精簡(jiǎn)指令構(gòu)架的微處理器，CPU中的常數(shù)發(fā)生器以及多個(gè)寄存器使得MSP430微處理器能夠擁有較高效率的代碼；同時(shí)系統(tǒng)時(shí)鐘源的靈活運(yùn)用可以使系統(tǒng)在運(yùn)行期間消耗較少的電量；單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)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(shí)讓處理器在小于6us的時(shí)間內(nèi)激活到活躍的工作方式。本次設(shè)計(jì)就選取MSP430G2系列單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)控制核心。

2 發(fā)光源

由于本次設(shè)計(jì)的是節(jié)能臺(tái)燈，所以發(fā)光源的選型是整個(gè)系統(tǒng)極為重要的內(nèi)容?，F(xiàn)在市面上使用的臺(tái)燈大多都是普通節(jié)能燈或是白熾燈制作而成，采用LED設(shè)計(jì)、制作的臺(tái)燈還比較少。經(jīng)過(guò)前期對(duì)發(fā)光發(fā)光源的比較分析，其中LED的優(yōu)勢(shì)非常明顯，故本次設(shè)計(jì)選用的是節(jié)能效果明顯、壽命長(zhǎng)的高效LED作為本系統(tǒng)的光源。

2.1 封裝形式

半導(dǎo)體LED發(fā)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(yōu)缺點(diǎn)。直插LED具有發(fā)光角度大的優(yōu)點(diǎn)，而SMD貼片有散熱優(yōu)秀、壽命更長(zhǎng)等諸多特點(diǎn)，故本設(shè)計(jì)選擇SMD貼片封裝形式的LED燈珠。

2.2 封裝大小

由于現(xiàn)在LED生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)相對(duì)發(fā)達(dá)，很小的燈珠也能達(dá)到較大的亮度，為了滿足臺(tái)燈小巧的設(shè)計(jì)理念，故本次選擇的燈珠為體型相對(duì)較小的4014燈珠，根據(jù)廠商提供的數(shù)據(jù)，單顆0.2W的燈珠就能達(dá)20LM的照度。

3 電源

由于本系統(tǒng)需要5V和3.3V兩路供電系統(tǒng)，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(tǒng)所需的另一路3.3V電源則在系統(tǒng)內(nèi)部通過(guò)一個(gè)三端穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換而成。而這個(gè)三端芯片就是日常生活中經(jīng)常可見(jiàn)的ASM1117。同時(shí)這兩路電源分別采用1mH電感和0Ω電阻進(jìn)行隔離，并且還需要在ASM1117的輸出輸入端并聯(lián)兩個(gè)濾波電容，以減小電源文波對(duì)主控芯片的影響。

4 復(fù)位

由于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且沒(méi)有使用太多的外圍模塊，所以在本設(shè)計(jì)中可以不需要使用專用復(fù)位芯片，而是直接使用最為簡(jiǎn)單且普遍使用的RC復(fù)位電路作為系統(tǒng)復(fù)位電路即可。

根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)上的介紹，可以在電源VCC_3.3與電源D_GND之間串一個(gè)電容和電阻，VCC_3.3接電阻的一端，而電阻另一端接復(fù)位引腳和電容，電容另一端接數(shù)字地。系統(tǒng)在剛上電的時(shí)候，這里的電容可以被當(dāng)作短路看待，此時(shí)單片機(jī)的復(fù)位腳處于低電平狀態(tài)。隨著電容被電源逐漸的充電，此時(shí)電容上端處于高電平狀態(tài)，整個(gè)過(guò)程剛好滿足MSP430單片機(jī)上電復(fù)位的需要。

5 鍵盤

在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，可以通過(guò)按鍵控制臺(tái)燈的亮度、色溫等參數(shù)使之讓人感覺(jué)到舒適。在這里一共需要5個(gè)按鍵來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)，雖然獨(dú)立式鍵盤和矩陣式鍵盤都需要用到5個(gè)I/O口，但是在本系統(tǒng)中應(yīng)用獨(dú)立式的鍵盤結(jié)構(gòu)相對(duì)會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單并且不會(huì)造成按鍵資源的浪費(fèi)，故本次設(shè)計(jì)中使用的是獨(dú)立式鍵盤。

獨(dú)立式按鍵指的是系統(tǒng)處理器直接通過(guò)I/O端口連接到各個(gè)物理按鍵。各個(gè)物理按鍵都單獨(dú)占用一個(gè)I/O端口，并且各個(gè)端口的工作狀態(tài)不會(huì)受到相互影響。在本次設(shè)計(jì)的按鍵電路中，都是使用的低電平輸入才有效。同時(shí)在MSP430G2553的內(nèi)部可以通過(guò)軟件使能相應(yīng)端口上的上拉電阻，用來(lái)確保系統(tǒng)在按鍵沒(méi)有被按下的時(shí)候各個(gè)接有按鍵的端口處于明確的高電平狀態(tài)。

6 燈珠驅(qū)動(dòng)

由于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求簡(jiǎn)單，故采用脈寬調(diào)制技術(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)LED燈珠。這里的三極管在深度飽和完全關(guān)斷之間來(lái)回切換，相當(dāng)于一個(gè)高速開(kāi)關(guān)的作用。同時(shí)出于對(duì)系統(tǒng)安全的考慮，系統(tǒng)在LED的電源與MCU的電源分別通過(guò)1mH的電感和0Ω電阻進(jìn)行隔離，以避免LED電路對(duì)MCU電源產(chǎn)生影響。同時(shí)為了保正流過(guò)LED燈源的電流在其允許的范圍內(nèi)，避免因?yàn)殡娏鬟^(guò)大而致使系統(tǒng)將燈珠燒毀，所以在每個(gè)燈珠上串聯(lián)一個(gè)限流電阻保證各路的電流均在正常范圍內(nèi)。