采用LPC2104的智能燈光控制器原理及設計

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

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(jù)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(jù)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(jù)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。

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(jù)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

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。