張 白,孔德超,魏彩穎,王春陽
(北方民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院,寧夏 銀川 750021)
隨著科技水平的迅速提高,各種電子設(shè)備相繼進(jìn)入我們的生活,使我們的生活更加豐富多彩。開關(guān)作為常用的家用器件,在人們的日常生活中扮演著舉足輕重的角色。比如我們每天用的照明燈的開關(guān),還有汽車門鎖開關(guān)、智能家居電器的開關(guān)等[1-2]。隨著技術(shù)的進(jìn)步及生活水平的提升,人們對開關(guān)的性能提出了更高的要求。特別是家用照明的機(jī)械開關(guān),由于機(jī)械開關(guān)需要提前在墻體內(nèi)布設(shè)電力線,影響了房屋裝飾的美觀性,增加了房屋裝修的價格,而且機(jī)械開關(guān)損壞后不易更換,給人們的日常生活帶來了諸多的不變。針對機(jī)械開關(guān)存在的諸多問題,目前市場上出現(xiàn)了大量功能各異的無線遙控開關(guān),例如初冠智能無線觸摸開關(guān)。該產(chǎn)品是將原有機(jī)械開關(guān)裝置更換為無線接收控制裝置,再通過無線遙控器控制開關(guān)通斷實現(xiàn)機(jī)械開關(guān)的功能,然而此品牌的無線開關(guān)本質(zhì)上并沒有改變原有機(jī)械開關(guān)存在的弊端。例如Burnett品牌的WiFi智能開關(guān),由于其依賴于WiFi網(wǎng)絡(luò),且必須在墻體內(nèi)布設(shè)電力線進(jìn)行供電,仍然沒有解決機(jī)械開關(guān)存在的本質(zhì)問題。
經(jīng)過對目前市場上無線開關(guān)存在的弊端,及人們對無線開關(guān)需求的分析,本文設(shè)計了一款超低功耗觸摸按鍵無線開關(guān)。通過超低功耗觸摸按鍵芯片TTP223實現(xiàn)按鍵檢測,通過無線編碼芯片PT2262和無線解碼芯片PT2272實現(xiàn)點對點無線通信[3-4],通過理論分析及對電路的優(yōu)化使無線發(fā)射電路的功耗變得極低。
無線開關(guān)不可避免地需要設(shè)計無線通信系統(tǒng)[5-7]。通過對目前無線通信系統(tǒng)的分析及成本價格的考慮,本開關(guān)通信系統(tǒng)采用低成本簡易無線編碼芯片PT2262和解碼芯片PT2272實現(xiàn)無線通信;采用撥碼開關(guān)設(shè)置無線編解碼芯片PT2262和PT2272的地址,實現(xiàn)無線開關(guān)點對點的配對控制的要求;采用觸摸按鍵芯片TTP223檢測按鍵動作,實現(xiàn)按鍵的非機(jī)械式操作,從而避免了機(jī)械開關(guān)易于損壞的弊端;采用CR2032紐扣電池實現(xiàn)無線開關(guān)發(fā)送裝置的系統(tǒng)供電。無線開關(guān)接收裝置通過簡易整流電路實現(xiàn)接收系統(tǒng)供電,2272芯片接收到開關(guān)信號后控制繼電器電路的通斷,進(jìn)而實現(xiàn)受控電路的接通或斷開。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic diagram of system structure
觸摸檢測電路如圖2所示。
圖2 觸摸檢測電路Fig.2 Touch detection circuit
由于機(jī)械按鍵損壞后不易于更換,本設(shè)計采用觸摸按鍵代替機(jī)械按鍵。TTP223是一款低功耗、寬工作電壓、單個觸摸按鍵檢測芯片,被用作傳統(tǒng)機(jī)械按鍵和其他觸摸開關(guān)的取代品[8-10]。TTP223有低功耗模式和快速模式兩種工作模式,并且輸出引腳電平可以配置為高電平輸出或者低電平輸出,輸出模式可以根據(jù)需要配置為點動輸出或者自鎖輸出。為降低本無線開關(guān)發(fā)射裝置系統(tǒng)的待機(jī)功耗、增加電池工作時間,本無線開關(guān)檢測電路采用TTP223點動輸出高電平的工作方式。電路工作時,當(dāng)檢測到手指觸摸到按鍵時,輸出高電平以驅(qū)動整個發(fā)射裝置發(fā)射信號;當(dāng)沒有檢測到手指觸摸時輸出低電平即觸摸按鍵無輸出,此時無線發(fā)射裝置不工作。由于無線發(fā)射裝置只在檢測到觸摸信號時工作,系統(tǒng)待機(jī)功耗大大降低。觸摸按鍵靈敏度可以通過調(diào)節(jié)電容C1進(jìn)行設(shè)置,調(diào)節(jié)電容的范圍一般在0~50 pF,電容越小觸摸越靈敏。當(dāng)C1很小時,還可以實現(xiàn)感應(yīng)檢測。根據(jù)實際測試,本檢測電路的調(diào)節(jié)電容為30 pF。
本無線開關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送模塊采用工作頻率為315 M調(diào)幅方式,此電路應(yīng)用較為成熟。無線發(fā)送模塊電路如圖3所示。
圖3 無線發(fā)送模塊電路Fig.3 Circuit of wireless transmission module
圖3中:out端接觸摸檢測電路的輸出,實現(xiàn)發(fā)送模塊供電;data用于連接2262芯片的數(shù)據(jù)輸出端,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送。
2262系列編碼芯片是一款CMOS工藝制造的低價位、低功耗的通用無線編碼芯片,被廣泛應(yīng)用于低成本無線通信控制領(lǐng)域[11]。2262芯片地址引腳可以設(shè)置為12位(A0~A11),并且其引腳可以設(shè)置為低電平、高電平、懸空三種狀態(tài)。因此,其地址設(shè)置最多可達(dá)531 441個[12-13]。本文設(shè)計的無線發(fā)射裝置電路如圖4所示。
圖4 無線發(fā)射裝置電路Fig.4 Circuit of wireless transmitter
當(dāng)觸摸按鍵檢測到觸摸信號,無線編碼芯片2262的發(fā)射控制引腳TE為低電平時,2262芯片發(fā)射編碼信號。如果將發(fā)射控制引腳TE直接接地,不同年齡段的人手指在觸摸按鍵上停留的時間不同,2262芯片連續(xù)發(fā)射編碼信號次數(shù)不同,接收端也將不斷地接收到信號,從而造成無線開關(guān)誤動作。為解決上述問題,防止2262芯片連續(xù)發(fā)射多次編碼信號,本文采用RC充電時間來控制TE端的低電平時間,進(jìn)而防止2262芯片連續(xù)發(fā)射多次編碼信號。具體實現(xiàn)原理如下。
2.4.1 單模態(tài)控制電路
單模態(tài)無線接收裝置由供電電路、接收模塊、繼電器模塊三部分組成。供電電路由220 V的交流電通過簡易的限流、整流、降壓電路轉(zhuǎn)換而來。接收模塊由2272芯片和315 MHz無線接收模塊組成。由于只控制一組燈具,故選用2272-T4的D2端口自鎖反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)燈具的控制[14-16]。繼電器模塊通過三極管實現(xiàn)驅(qū)動,當(dāng)2272的D2端口為高電平時,三極管驅(qū)動繼電器導(dǎo)通,使燈具電路接通;當(dāng)D2端口為低電平時,三極管截止從而繼電器斷開燈具熄滅。
當(dāng)無線接收裝置接收到與本身地址匹配的信號時,控制2272的數(shù)據(jù)引腳D2反轉(zhuǎn),進(jìn)而控制繼電器的通斷,最終實現(xiàn)控制燈具的亮滅。
2.4.2 多模態(tài)控制電路
根據(jù)控制不同顏色或者不同亮度燈具的需求,本文提出了多模態(tài)控制接收電路的設(shè)計方案。與上述單模態(tài)控制電路相比,多模態(tài)控制電路的接收芯片采用2272M系列。2272M系列的芯片接收到信號時,其特定端口輸出上升沿脈沖。根據(jù)這一特性,選用計數(shù)譯碼芯片CD4022實現(xiàn)接收芯片的計數(shù)譯碼輸出控制四路不同亮度或者顏色燈具的選擇。將四個驅(qū)動三極管的基極分別連接到譯碼器輸出的OUT1、OUT3、OUT5、OUT7四個引腳上,OUT0、OUT2、OUT4、OUT6懸空。多模態(tài)控制電路接通電源時OUT0輸出高電平,但由于OUT0是懸空的,故燈具沒有接通。接收模塊接收到發(fā)射端信號后,CD4022計數(shù)譯碼器計數(shù),OUT1為高電平,其他輸出引腳為低電平,此時只有第一組燈具工作。當(dāng)多模態(tài)控制電路再次接收到信號時,CD4022計數(shù)輸出。只有OUT2為高電平,故燈具1停止工作,從而使四組燈具中只有一組燈具處于工作狀態(tài),并且正在工作的燈具又能隨時關(guān)斷。
本文設(shè)計的無線開關(guān)接收裝置電源由220 V的交流電轉(zhuǎn)換而來,功耗對于用戶使用來說并沒有嚴(yán)重影響。但是發(fā)射裝置是由兩塊CR2032紐扣電池實現(xiàn)供電,故發(fā)射裝置的功耗大小及電池更換的時間必須嚴(yán)格考慮。
無線開關(guān)發(fā)射裝置只有在檢測電路檢測到觸摸信號,由檢測電路輸出端口給整個發(fā)射裝置供電實現(xiàn)發(fā)射裝置的正常工作,在其他情況下無線發(fā)射裝置處于待機(jī)模式。經(jīng)過測量在發(fā)射裝置待機(jī)時工作電流為12.7 μA。正常工作時,整個發(fā)射裝置運行工作電流為257.5 μA,CR2032紐扣電池的容量為240 mA。經(jīng)計算,發(fā)射裝置的正常待機(jī)時間為2.16年,而發(fā)射裝置一直持續(xù)工作的時間為38.83天。本文設(shè)計電路要求電池電壓大于3 V方可正常工作。假設(shè)我們一年按下開關(guān)的次數(shù)為4 000次,開關(guān)觸按試驗如表1所示。
表1 開關(guān)觸按試驗Tab.1 Switch touching experiments
經(jīng)過對無線開關(guān)功耗的分析,可知無線開關(guān)裝置的功耗極低,完全滿足1年以上的正常使用。
本文針對照明類機(jī)械開關(guān)存在易于損壞且不易更換的問題,提出了一種超低功耗無線觸摸按鍵開關(guān)裝置。這種開關(guān)相對于傳統(tǒng)的機(jī)械開關(guān)所具有的優(yōu)點主要包括:不需要墻體內(nèi)提前布線,節(jié)省了布線成本;開關(guān)位置設(shè)置靈活,觸摸式檢測可靠性高且維修與更換簡單;開關(guān)系統(tǒng)成本低廉,采用TTP223、PT2262和PT2272低成本芯片實現(xiàn)設(shè)計;開關(guān)功耗低,正常使用1年以上無需更換電池。本無線開關(guān)發(fā)射裝置只有在檢測到觸摸信號時才處于工作狀態(tài),其他時間段處于待機(jī)狀態(tài)。經(jīng)過對無線開關(guān)裝置功耗分析可知,正常待機(jī)狀態(tài)下發(fā)射裝置耗電電流為12.7 μA,發(fā)射裝置正常工作時耗電電流為257.5 μA,無線發(fā)射裝置每按下500次耗電電壓為0.06 V左右。由此可知,本無線開關(guān)裝置耗電量極低,實現(xiàn)了低功耗設(shè)計的初衷。