智能燈光控制器的設(shè)計(jì)

河源技師學(xué)院 劉 川

本文介紹的是可調(diào)光智能燈光控制器的設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)包括開關(guān)執(zhí)行單元、過零檢測(cè)電路、電源模塊、MCU和RF模塊，文章闡述了智能燈光控制器的具體設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了家庭智能燈光控制，并有很好的擴(kuò)展性。

1.引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們生活水平的提高，大家對(duì)生活品質(zhì)的追求也日益增高，照明燈光是生活中不可或缺的部分。傳統(tǒng)的燈光控制和維護(hù)手段已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)城市現(xiàn)代化發(fā)展的速度，傳統(tǒng)的方式缺少總開、總關(guān)、調(diào)光等智能控制功能，人們經(jīng)常在需要全關(guān)燈時(shí)尋找各處的開關(guān)面板逐一操作關(guān)閉，且不可以調(diào)節(jié)燈的亮度，帶來不便。人們希望能隨心所欲地控制發(fā)光亮度，按照需要實(shí)現(xiàn)各種場(chǎng)景功能，操作簡單，要求系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性和可維護(hù)性，因此，智能燈光控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。對(duì)于燈光控制系統(tǒng)的研究，將有助于推動(dòng)整個(gè)智能家居系統(tǒng)的發(fā)展。

2.硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 原理框圖

圖1 雙向智能燈光控制器（可調(diào)光）原理框圖

2.2 工作原理

系統(tǒng)工作原理框如圖1,系統(tǒng)包括開關(guān)控制器面板和底板，底板主要包括開關(guān)執(zhí)行單元，過零檢測(cè)電路及電源模塊。底板主要完成開關(guān)執(zhí)行動(dòng)作，過零檢測(cè)和電源取電功能。面板主要包括RF數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理、按鍵處理、傳送開關(guān)控制信號(hào)、操作提示等功能。

本系統(tǒng)可通過手動(dòng)按鍵、RF遙控兩種方式實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制器進(jìn)行打開、和關(guān)閉操作。

3.關(guān)鍵技術(shù)解決方案

3.1 硬件方案的選擇

3.1.1 底板電路設(shè)計(jì)

在底板電路方面直接調(diào)用E度空間系列的調(diào)光底板電路。

3.1.2 面板電路設(shè)計(jì)

1）電源管理模塊：

實(shí)現(xiàn)直流電源轉(zhuǎn)換（5V轉(zhuǎn)為3.3V）功能。本設(shè)計(jì)采用LC1117CLTR-3.3貼片封裝線性直流電源IC,其輸入電壓范圍為：4.25V～10V；輸出電壓范圍為：3.267V～3.365V；輸出電流最大可達(dá)到800mA。在電源輸入端加二極管防止電源反接，用磁珠、鉭電容、磁片電容來減小輸入電源的紋波，以便得到干凈電源。

2）MCU及外圍電路：

主要功能為數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)處理、傳送控制信號(hào)?；谝院笊?jí)和擴(kuò)展考慮，其MCU選用包含8K Byte FLASH，512 Byte EEPROM,1K Byte SRAM，并支持ISP功能的集成度高、性價(jià)比高、低功耗ATMEGA8L AVR單片機(jī)（雙路調(diào)光用ATMEGA16L）,其硬件資源可滿足本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求及以后系統(tǒng)升級(jí)用。其外圍電路采用阻容復(fù)位電路；同時(shí)預(yù)留外置晶振電路。

3）RF模塊

RF模塊采用現(xiàn)有的CC1101射頻模塊。

4）按鍵電路

主要完成手動(dòng)控制的功能。基于產(chǎn)品超薄式設(shè)計(jì)理念，并結(jié)合產(chǎn)品外觀考慮，設(shè)計(jì)中采用貼片式輕觸按鍵，按鍵壓力為180g，按鍵壽命可達(dá)到10萬次。

3.2 關(guān)鍵性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)

1）低功耗

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，著重考慮產(chǎn)品低功耗及環(huán)保設(shè)計(jì)。在器件的選型上盡量采用低功耗且具有環(huán)保標(biāo)志的元器件，例如采用低功耗接收模塊和高集成度、性價(jià)比高、低功耗的ATmega8L（雙路用ATmega16L）。

2）RF遙控距離

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合考慮RF模塊布局及底板對(duì)其影響，分別采用單獨(dú)供電、遠(yuǎn)離干擾源、電路板淘空、模塊供電加濾波電容等措施加以改善RF接收靈敏度，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙控功能。

3）動(dòng)作響應(yīng)速度

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用較高的工作頻率，以達(dá)到最高指令處理速度，從而實(shí)現(xiàn)遙控與手動(dòng)控制的快速響應(yīng)（響應(yīng)時(shí)間≤0.2S）。

4）保護(hù)電路設(shè)計(jì)

在底板加入壓敏電阻、NTC來有效抑制浪涌電流，從而達(dá)到保護(hù)產(chǎn)品的作用。

3.3 安規(guī)設(shè)計(jì)

1）火線最小爬電距離不小于3MM。

2）高壓區(qū)與低壓區(qū)的最小爬電距離不小于8MM，不足8MM或等于8MM的。須開2MM的安全槽。

3）高壓整流濾波的正負(fù)之間的最小安全距離不小于2MM。

3.4 電磁兼容設(shè)計(jì)

1）在電路板上每個(gè)IC上并接一個(gè)0.01～0.1μF高頻電容，以減小IC對(duì)電源的影響。但應(yīng)注意高頻電容的布線，連線應(yīng)靠近電源端并盡量粗短，否則，等于增大了電容的等效串聯(lián)電阻，而這會(huì)影響濾波效果。

2）布線時(shí)應(yīng)避免90°折線，并盡量減少高頻噪聲發(fā)射。

3）注意晶振布線。晶振與單片機(jī)引腳應(yīng)盡量靠近，并用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離起來，晶振外殼要接地并固定。最好在能使用低速晶振的場(chǎng)合盡可能選用低速晶振。

4）VCC和GND之間接電解電容及瓷片電容，以去掉高、低頻干擾信號(hào)。

3.5 環(huán)境條件的實(shí)現(xiàn)

在元器件選型時(shí)，充分考慮到每個(gè)元器件的使用環(huán)境，能夠滿足以下要求：

工作溫度：0～50℃

存儲(chǔ)溫度：-20～70℃

相對(duì)濕度：45%-80%

大氣壓：90～110kPa

3.6 可擴(kuò)展性的實(shí)現(xiàn)方法

面板MCU板接口預(yù)留一個(gè)I/0引腳，方便以后的擴(kuò)展。

3.7 超小設(shè)計(jì)的考慮

在PCB布局時(shí)，電路板上擺放元器的位置與結(jié)構(gòu)配合使得產(chǎn)品達(dá)到超薄的效果，以便適用于市面上各種86預(yù)埋底盒的尺寸。

4.PCB布局

4.1 各PCB模塊布局框圖

面板元件布局如圖2。

圖2 面板電路布局圖

4.2 各PCB模塊接口定義

4.2.1 物理連接

面板與底板連接線：包括電源線和控制線。RF模塊接口：包括電源線和數(shù)據(jù)通信線

4.2.2 數(shù)據(jù)通訊

數(shù)據(jù)通訊包含了上面提到的控制線和數(shù)據(jù)通信線，它們均采用單工通信方式，由MCU集中管理與維護(hù)。

4.3 PCB板設(shè)計(jì)

4.3.1 接口位置定義

面板與底板接線端子已做到符合接插件放置電路板邊緣原則，以便生產(chǎn)安裝操作及提高產(chǎn)能。

4.3.2 芯片布局

1）因?yàn)橐c結(jié)構(gòu)配合使得產(chǎn)品達(dá)到超薄的效果，MCU放置于電路板左下角。

2）穩(wěn)壓芯片既靠近電源接線端子，又靠近MCU,以達(dá)到紋波小的效果。

3）RF模塊遠(yuǎn)離蜂鳴器等干擾源，以提高數(shù)據(jù)接收的靈敏度。

4.3.3 走線原則

1）高頻數(shù)字電路走線在pcb設(shè)計(jì)中做到了細(xì)而短。

2）大電流信號(hào)、高電壓信號(hào)與小信號(hào)之間在pcb設(shè)計(jì)中注意隔離（隔離距離與承受的耐壓有關(guān)，通常情況下在2KV時(shí)板上距離2mm，在此之上則按比例算加大，例如若要承受3KV的耐壓測(cè)試，則高低壓線路之間的距離應(yīng)在3.5mm以上，許多情況下為避免爬電，還在印制線路板上的高低壓之間開槽。）

3）雙面板布線時(shí)，兩面導(dǎo)線在pcb設(shè)計(jì)中盡量做到相互垂直、斜交、或彎曲走線，避免相互平行，以減小寄生耦合；作為電路的輸人與輸出的走線應(yīng)盡量避免相鄰平行，以免發(fā)生回授，在這些導(dǎo)線之間加接地線起隔離作用。

4）盡可能走45度角的走線方式。

5）走線盡可能避免穿過射頻模塊，射頻模塊底下電路板做淘空處理。

6）光耦底下盡可能避免走線，以免干擾到光耦。

5.結(jié)論

本文主要介紹了燈光控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)部分，整個(gè)控制系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì)，其主要的好處是擴(kuò)充靈活，增加系統(tǒng)的兼容性。該控制器硬件電路設(shè)計(jì)可靠，工作情況良好。使人們可以根據(jù)自己的需求控制燈光，同時(shí)延長了燈泡的壽命并起到了節(jié)能的效果。在科技快速發(fā)展的今天，該裝置有著十分廣闊的社會(huì)和商業(yè)前景。