袁 芳， 陳 振， 江 偉， 劉超俊

(東華理工大學(xué)核技術(shù)應(yīng)用教育部工程研究中心，江西南昌 330013)

隨著科技的迅猛發(fā)展和人民生活水平的提高，家中電器數(shù)量越來越多，電器控制也越來越復(fù)雜，但目前主要還是采用手動控制方式，逐個控制電器或燈具，這樣不僅麻煩而且效率低下，不符合現(xiàn)代舒適生活的標(biāo)準(zhǔn)。

智能家居概念的引入，使得家用電器集中控制系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)入了全新的階段。集控系統(tǒng)可以對民用住宅、賓館、寫字樓等多電器場所的所有電器進(jìn)行集中控制。智能家居系統(tǒng)能夠?qū)依锏碾娖?、燈光、電源、家庭環(huán)境進(jìn)行方便地控制，使人們盡享高科技帶來的簡便而時尚的現(xiàn)代生活(張建文等，2010;管小明等，2010)。

本文利用無線射頻技術(shù)，設(shè)計了一款物美價廉的智能家居控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)各種家用電器的集中控制，既節(jié)約了成本，又具有非常好的通用性和實(shí)用性，具有廣闊的市場前景。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

基于射頻技術(shù)的家電集中控制系統(tǒng)由單片機(jī)、調(diào)頻收發(fā)模塊、負(fù)載電路等組成，實(shí)現(xiàn)多個目標(biāo)的控制。該系統(tǒng)主要由發(fā)送和接收兩大部分組成，發(fā)送端由集中控制的遙控板、無線發(fā)送電路組成;接收端由無線接收電路、負(fù)載電路組成，可以根據(jù)控制需要，設(shè)置多個接收對象，系統(tǒng)整體框架圖如圖1所示。

首先通過按鍵電路確定要操作對象的地址匹配識別編碼，按下后切換到遙控某一對象的狀態(tài)，編碼電路產(chǎn)生帶有地址編碼信息和控制狀態(tài)信息的編碼脈沖信號，再通過無線發(fā)送電路將該信號發(fā)射出去。

無線電接收電路將接收到的編碼脈沖信號，通過解碼電路進(jìn)行編碼地址匹配確認(rèn)，確認(rèn)是否為本遙控接收端編碼地址。解碼電路產(chǎn)生相應(yīng)的輸出信號，輸出信號去控制負(fù)載電路，實(shí)現(xiàn)接收端調(diào)光控制、調(diào)速控制、開關(guān)控制等功能(陳良，2008)。

2 無線發(fā)送模塊

2.1 無線發(fā)送電路的設(shè)計

圖1 系統(tǒng)整體框架圖Fig.1 System framework

采用8位地址碼和4位數(shù)據(jù)碼的PT2262芯片，編碼電路PT2262的第1～8腳與單片機(jī)P1.0～P1.7連接，通過單片機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)切換不同的遙控對象，芯片1～8腳的不同的“0、1、f”三種狀態(tài)與接收端芯片PT2272的1～8腳對應(yīng)。該部分電路主要由315 MHz無線數(shù)據(jù)發(fā)射電路和編碼集成芯片PT2262組成，該無線發(fā)送電路圖如圖2所示。

該電路具有較寬的工作電壓范圍3～12 V，當(dāng)電壓變化時發(fā)射頻率基本不變，和發(fā)送電路配套的接收模塊無需調(diào)整就能穩(wěn)定地接收。當(dāng)電壓為3 V時，傳輸距離約20～50 m，發(fā)射功率較小;當(dāng)電壓為5 V時，傳輸距離約100～200 m;當(dāng)電壓為9 V時，傳輸距離約300～500 m;當(dāng)電壓為12 V時，為最佳工作電壓，具有較好的發(fā)射效果，發(fā)射電流約60 mA，傳輸距離可達(dá)700～800 m，發(fā)射功率約500 mW。當(dāng)電壓大于12 V時功耗增大，有效發(fā)射功率不再明顯提高(姬五勝等，2011)。

2.2 無線發(fā)送控制電路的設(shè)計

遙控按鍵分為遙控對象切換鍵和功能控制鍵，遙控對象切換鍵主要通過按鍵與單片機(jī)來控制發(fā)射模塊PT2262芯片的地址碼引腳，使之與不同方式焊接的接收端芯片對應(yīng)，從而達(dá)到控制不同遙控對象的目的。功能控制鍵對應(yīng)發(fā)射模塊的數(shù)據(jù)碼，從而控制不同負(fù)載電路的各種功能。不同接收端的負(fù)載電路共用功能鍵，不會產(chǎn)生干擾。本控制系統(tǒng)有12路遙控對象，每種對象有4種操作功能，遙控板布局結(jié)構(gòu)如圖3所示。

開關(guān)鍵用于打開關(guān)閉遙控板電源，該鍵可以關(guān)閉所有控制的各路電器，遙控對象切換鍵主要切換各遙控對象，例如1號鍵代表普通燈，2號鍵代表2調(diào)光燈，3號鍵代表電風(fēng)扇，4號鍵代表電動窗簾。功能操作區(qū)主要對選定的對象進(jìn)行功能操作，各路對象共用四個功能鍵，例如1號對象普通燈，A鍵表示開，B鍵表示關(guān)，C、D鍵無操作功能;對2號對象調(diào)光燈，A鍵表示暗光，B鍵表示亮光，C鍵表示關(guān)，D鍵無功能。具體各個通道功能根據(jù)接收端控制電路來確定，可在遙控板背面對各對象的功能鍵進(jìn)行列表說明，方便用戶使用。

圖2 發(fā)送電路原理圖Fig.2 Circuit schematics of transmission

采用AT89S51單片機(jī)的P0口為鍵盤I/O口，鍵盤的列線接到P0口的低4位，鍵盤的行線接到P0口的高4位(柯國琴，2010)。列線 P0.0～P0.3分別接有4個5.1k上拉電阻到正電源+5V，并把列線 P0.0 ～P0.3 設(shè)置為輸入線，行線 P0.4 ～P0.7設(shè)置為輸出線。4根行線和4根列線形成16個相交點(diǎn)。其中前12個點(diǎn)作為遙控對象切換控制鍵，后四個點(diǎn)作為功能操作鍵 A、B、C、D，控制 P3.4～P3.7的四位數(shù)據(jù)端輸出。P3.2作為INT0外部中斷0的輸入口，用于控制全部受控端關(guān)閉功能。

P1.0～P1.7輸出八位地址編碼信號，用于控制PT2262芯片的地址碼，達(dá)到切換不同遙控對象的目的。P3.4～P3.7為功能操作信號輸出端，通過此四位數(shù)據(jù)碼可對遙控進(jìn)行各種功能操作，按鍵控制電路如圖4所示。

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要是實(shí)現(xiàn)按鍵檢測控制和實(shí)現(xiàn)向PT2262芯片輸入引腳識別信號。先從P0口的高四位輸出低電平，低四位輸出高電平，從P0口的低四位讀取鍵盤狀態(tài);再從P0口的低四位輸出低電平，高四位輸出高電平，從P0口的高四位讀取鍵盤狀態(tài);將兩次讀取結(jié)果組合起來就可以得到當(dāng)前按鍵的特征編碼。使用上述方法得到16個鍵的特征編碼。根據(jù)按鍵的特征編碼，查表得到按鍵的順序編碼。將得到的16個按鍵的特征編碼順序排成一張?zhí)卣骶幋a與順序編碼的對應(yīng)關(guān)系表，然后用當(dāng)前讀得的特征編碼來查表，當(dāng)表中有該特征編碼時，它所在的位置就是對應(yīng)的順序編碼(王海濤等，2009)。

圖3 遙控按鍵使用功能圖Fig.3 Functional diagram of remote control button

當(dāng)識別出的按鍵為1，2，3，…，12 時，單片機(jī)將P1口輸出所PT2262所對應(yīng)的引腳識別編碼，例如當(dāng)1號鍵按下時，P1口輸出00000001，2號鍵按下時，P1口輸出00000010，以此類推。當(dāng)識別出的按鍵為13、14、15、16時，所對應(yīng)的遙控板上的按鍵為A、B、C、D，此時單片機(jī)P3.4 ～P3.7 口向 PT2262 輸出對應(yīng)的功能操作碼，例如當(dāng)A鍵被按下時，P3.4～P3.7 口輸出0001，當(dāng) B 鍵被按下時，P3.4 ～P3.7口輸出0010。主程序流程圖如圖5所示。

3 無線接收模塊

3.1 無線接收電路的設(shè)計

該無線接收芯片可根據(jù)實(shí)際情況不同有兩種選擇，若負(fù)載電路需用單片機(jī)進(jìn)行控制，則使用后綴為M4(四位非鎖)的PT 2272解碼芯片(PT2272～M4);若直接驅(qū)動繼電器進(jìn)行控制，則使用L4(四位鎖存)芯片(PT2272～L4)。PT2272工作電壓為5 V，其中A0～A7為地址管腳，用于進(jìn)行地址編碼，可置為0、1、f(懸空)，在焊接時固定，但不同接收端的芯片地址引腳焊接方式不同，便于遙控發(fā)射端的識別，當(dāng)接收端PT2272與發(fā)射端單片機(jī)所置的PT2262地址一致時，表示將對此接收端進(jìn)行遙控，芯片解碼工作，否則不解碼。D0～D3為數(shù)據(jù)管腳，當(dāng)?shù)刂反a與PT2262一致時，數(shù)據(jù)管腳輸出與PT2262數(shù)據(jù)端對應(yīng)的高電平，鎖存型只有在接收到下一數(shù)據(jù)時才能轉(zhuǎn)換。DIN為數(shù)據(jù)信號輸入端，來自接收模塊輸出端。OSC1、OSC2分別為振蕩電阻的輸入和輸出端，外接電阻決定振蕩頻率。VT為解碼有效確認(rèn)端，高電平有效，接上一個發(fā)光二極管用來檢測是否收到有效信號。接收部分的電路原理圖如圖6所示。該部分電路主要由315 MHz無線數(shù)據(jù)接收電路、解碼集成芯片PT2272組成。

圖4 按鍵控制電路Fig.4 Key control circuit

圖5 主程序流程圖Fig.5 Flowchart of main program

圖6 無線接收電路原理圖Fig.6 Schematic of wireless receiver circuit

3.2 繼電器構(gòu)成的開關(guān)控制電路的設(shè)計

繼電器構(gòu)成的開關(guān)控制電路是最常用的接收端負(fù)載電路，即用PT2272的四位數(shù)據(jù)輸出端加簡單的三極管放大，驅(qū)動繼電器，構(gòu)成四路開關(guān)，從而達(dá)到電路的開關(guān)控制。典型的應(yīng)用實(shí)例為電燈開關(guān)、臺燈開關(guān)以及各種簡單的開關(guān)控制電路。這類的負(fù)載電路要求接收電路芯片PT2272為L(鎖存)型，這樣就可保證按鍵松開后數(shù)據(jù)端口高電平繼續(xù)處于鎖存狀態(tài)，直到下一次數(shù)據(jù)信號到來改變其狀態(tài)。電路原理圖如圖7所示。

3.3 可控硅調(diào)光電路的設(shè)計

可控硅調(diào)光的應(yīng)用主要有雙向晶閘管電路，如圖8所示。主電路由電感L、雙向晶閘管及燈泡組成。雙向晶閘管相當(dāng)于正、反向并接的2只可控硅，無論電源電壓處于正半周或負(fù)半周，等效的2只可控硅總有1只導(dǎo)通，另外l只截止。

雙向可控硅的控制信號由亮度調(diào)節(jié)R1、C1和R2、R3、R4、R5其中一個電阻以及雙向二極管D1所構(gòu)成的觸發(fā)電路來提供。電源通過R1和R2、R3、R4、R5其中一個電阻給 C充電，通過 PT2272的數(shù)據(jù)端來接入不同阻值的 R2、R3、R4、R5，可以改變C上的電壓達(dá)到可控硅控制極觸發(fā)電壓的時間，使晶閘管的導(dǎo)通角隨之變化，從而改變電燈兩端交流電壓被“截去”部分的多與少，達(dá)到調(diào)節(jié)燈泡亮度的目的。當(dāng)R2、R3、R4、R5阻值越大，晶閘管開始導(dǎo)通的時刻越遲，燈泡越暗。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了基于射頻技術(shù)的家電集中控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由無線收發(fā)模塊PT2262/2272芯片構(gòu)成射頻發(fā)送和接收電路，發(fā)送部分主要由發(fā)送電路和無線發(fā)送控制電路組成;接收部分由接收電路和負(fù)載電路組成。在接收電路中，根據(jù)不同受控對象的實(shí)際情況，添加相應(yīng)的電路，實(shí)現(xiàn)集中控制的目的，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該設(shè)計的正確性和高可靠性，而且該設(shè)計具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、易于普及、遙控方便的優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

圖8 雙向晶閘管構(gòu)成的調(diào)光電路Fig.8 Dimming circuit constituted by two-ways thyristor

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