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智能燈光控制器研究

發(fā)布時間:2012-01-06

中心議題:
  • 智能燈光控制器研究
  • 智能燈光控制器原理
解決方案:
  • 無線數(shù)傳模塊設計
  • LPC2104采用16位/32位RISC結構
  • 無線模塊軟件設計

1 引言

隨著人們生活質量的提高,燈具已不單純是室內的基本照明工具,而且是建筑裝飾的一種實用藝術品,當家里有各式各樣的燈具之后,將它們精心地搭配在一起,達到最適合的氣氛效果是高品質生活的需要,目前燈光的控制主要還是手動形式,逐個控制所有的燈具,這樣不僅麻煩而且效率低下,也不符合現(xiàn)代舒適生活的標準。

因此,設計一個可以便捷地控制燈光、同時還提供場景組合等功能的智能化燈光系統(tǒng)不僅具有實用價值,而且還具有廣闊的市場前景。

2 設計目標


設計一個智能化燈光控制器,安裝在家中的各個房間,提供無線遙控、輕觸式燈光控制、場景組合、預設存儲等豐富功能。通過手持遙控器來控制住宅內所有的燈光;通過遙控器上的場景設置按鍵,方便地設定燈光場景和迅速切換,可以通過面板上的輕觸按鈕控制燈光的開關和亮度,或者是多盞燈進入某種預設的場景,各燈光控制器通過RS485的總線與家庭以太網網絡終端通信實現(xiàn)對燈光亮度的遠程控制和查詢。

該智能化燈光控制系統(tǒng)分為接收外來控制信號和執(zhí)行控制操作兩部分,為了接收控制信號,系統(tǒng)需具備無線接收功能和按鍵輸入面板,為了對燈具執(zhí)行控制,需要設計220V調光控制電路。

LPC2104具有豐富的外圍接口資源,并有很高的可靠性和運算速度,非常適于該系統(tǒng)的設計,智能燈光控制器原理如圖1所示。

3 LPC2104功能簡介

LPC2104是PHILIPS公司專為嵌入式應用提供的高性價比微控制器解決方案。它采用ARM公司的16位/32位RISC結構,內核是ARM7TDMI-S,CPU操作頻率可達60MHz,片上集成:具有ISP和IAP功能的128KB Flash程序存儲器、16KB靜態(tài)RAM、2個UART、1個I2C串行接口、1個SPI串行接口,多達6路輸出的PWM、2個定時器,分別具有4路捕獲/比較通道、實時時鐘及看門狗定時器等,能夠與常用的外圍設備實現(xiàn)無縫連接,功能強大,本文以LPC2104為核心,設計結構簡單、性能穩(wěn)定的智能燈光控制器。

4 無線數(shù)傳模塊設計

4.1 nRF401簡介

無線通信的實現(xiàn)有三種方案:藍牙通信、紅外無線遙控、使用短距離無線數(shù)傳器件。對于藍牙方案,傳輸距離和器件成本是值得考慮的問題,藍牙主要用于短距離傳輸(最多10m),且成本一直偏高。紅外傳輸雖不用考慮成本問題,但從手持設備所能提供的功耗來看,它能傳輸?shù)木嚯x實在太近,只有幾米,且對紅外發(fā)射角度有一定要求,存在"必須保證傳輸信息的兩個設備正對,且中間不能有障礙物"等致命的缺陷,與前兩種方案相比,采用短距離低功耗的無線射頻器件nRF401是最佳選擇。

nRF401無線通信收發(fā)器集成了高頻發(fā)射/接收、PLL合成、FSK調制/解調和多頻道切換等功能,在低成本數(shù)字通信應用中具有突出的技術優(yōu)勢,其主要技術特點有:(1)工作在國際通用的兩個頻道:433.92MHz和434.32MHz,無需進行頻道申請即可使用;(2)采用DSS+PLL頻率合成技術,外接元件僅有1個晶體振蕩器和幾個電阻電容和電感,基本無需調試就可工作,且穩(wěn)定性好;(3)數(shù)字通信采用具有較高的抗干擾能力的FSK調制方式,支持直接數(shù)據輸入輸出操作,可直接與MPU的UART串行口連接;(4)有2個可選擇的工作頻道,采用半雙工工作模式,最高數(shù)據傳輸速率可達20bk/s;(5)工作電壓為2.7V-5V,待機狀態(tài)耗電僅為8μA,能滿足低功耗設備的要求。

采用nRF401器件無需進行初始化和配置,不需要對數(shù)據進行曼徹斯特編碼,并可以使用廉價的PCB天線,無需進行復雜的射頻電路設計和調試,使產品的開發(fā)應用更為便捷。
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4.2 nRF401與LPC2104的連接


nRF401與LPC2104的連接方式有多種選擇,如GPIO、I2C、UART等,從硬件連接及通信協(xié)議最簡化的角度來看,選擇串口與無線模塊相連是最佳方案,UART1的TXD1、RXD1分別與nRF401的DIN、DOUT連接。nRF401與LPC2104接口電路如圖2所示。

由圖2可見,嵌入式CPU對無線模塊的控制接口主要由5根信號線組成,分別是DIN、DOUT、TXEN、PWR_UP、CS。其中,TXEN是發(fā)送使能端,通過對TXEN置位和復位實現(xiàn)發(fā)送狀態(tài)和接收狀態(tài)的切換,并通過GPIO口進行控制,PWR_UP是節(jié)能控制端,利用LPC2104的一個GPIO口對其進行編程,實現(xiàn)無線模塊的工作模式和休眠狀態(tài)的切換;CS可進行頻道選擇,通過GPIO設置,可以利用LPC2104的UART1串口控制DIN、DOUT信號。

為了節(jié)能,nRF401大多數(shù)情況下應處于關閉狀態(tài),無線部分硬件上是不具備自動喚醒功能的,必須通過軟件方式采用合理的通信協(xié)議以保證節(jié)能同時數(shù)據不丟失。

5 調光控制電路設計

采用單片機I/O口灌電流的方法控制晶閘管實現(xiàn)開關和調光控制。用內部帶有過零檢測電路的光電耦合器MOC3041作為晶閘管的驅動器,同時能實現(xiàn)強、弱電的隔離。

傳統(tǒng)的調光方法都采用移相觸發(fā)晶閘管,控制晶閘管的導通角來控制輸出功率,不僅同步檢測電路復雜,而且在晶閘管導通瞬間會產生高次諧波干擾,造成電網電壓波形畸變,影響其他用電設備和通訊系統(tǒng)的正常工作,本系統(tǒng)中采用過零觸發(fā)晶閘管導通與關斷的時間比值來調節(jié)燈具的功率,由于過零觸發(fā)不改變電壓的波形而只改變電壓全波通過的次數(shù),不會對電網造成污染,因此,本系統(tǒng)采用過零觸發(fā)方式。

MOC3041內部含有過零檢測電路,當輸入引腳1輸入15mA的電流,輸出端6引腳、4引腳之間的電壓稍過零時,內部雙向晶閘管導通,觸發(fā)外部晶閘管導通,當MOC3041輸入引腳輸入電流為0時,內部雙向晶閘管關斷,從而外部晶閘管也關斷,其調光控制電路如圖3所示。
 

6 無線模塊軟件設計


無線模塊通過UART串口與系統(tǒng)相連,所以必須對UART進行初始化,LPC2104的UART串口符合RS232標準,也支持550工業(yè)標準。

LPC2104有兩個通用的異步串行接口(UART),啟動時UART默認狀態(tài)是無法使用的,必須通過編程GPIO寄存器來使能它們。

本系統(tǒng)使用UART1與nRF401進行連接,UART1帶有調制解調器接口,16字節(jié)接收和發(fā)送FIFO。內置波特率發(fā)生器以及包含標準的調制解調器接口信號
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在使用UART1時,先要設置TXD1、RXD1引腳連接方式,然后設置串口的波特率及工作模式,即可進行數(shù)據的發(fā)送和接收,本系統(tǒng)使用11.0592MHz晶體振蕩器,不適用PLL,VPB為4分頻,設置UART1波特率為9600bit/s,則除數(shù)值N=18,即12H,UART1的初始化程序如下:

在操作系統(tǒng)環(huán)境下,系統(tǒng)啟動時會自動初始化串行口,所以應用程序調用串行口資源將變得更容易,值得注意的是,應用程序往往是多任意系統(tǒng),為了實時監(jiān)測串行口消息,在操作環(huán)境中一般單開一個串行口掃描任務,保證信息不丟失,在一個已有的工程文件的主函數(shù)中添加串行口的寄存器初始化代碼,并添加串口掃描任務,由于對無線模塊的控制還有系統(tǒng)的GPIO,所以掃描程序中還要包括對I/O的操作,當系統(tǒng)收到串口信息時,將會主動向主任務發(fā)送一個串行口信息,主任務接收到該信息將會調用響應函數(shù),響應該消息。

7 結束語

無線通信模塊nRF401集發(fā)射、接收于一體,大大簡化了燈光控制器設計的復雜程度,智能燈光控制器通過RS485接口很容易組網,為實現(xiàn)智能家居網絡化提供了方便。
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