智能燈光控制器研究

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(shè)計
• LPC2104采用16位/32位RISC結(jié)構(gòu)

• 無線模塊軟件設(shè)計

1 引言

隨著人們生活質(zhì)量的提高，燈具已不單純是室內(nèi)的基本照明工具，而且是建筑裝飾的一種實用藝術(shù)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(zhì)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(shè)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(shè)計目標

設(shè)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(yù)設(shè)存儲等豐富功能。通過手持遙控器來控制住宅內(nèi)所有的燈光；通過遙控器上的場景設(shè)置按鍵，方便地設(shè)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(guān)和亮度，或者是多盞燈進入某種預(yù)設(shè)的場景，各燈光控制器通過RS485的總線與家庭以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)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(shè)計220V調(diào)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(shè)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(yīng)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(jié)構(gòu)，內(nèi)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(shè)備實現(xiàn)無縫連接，功能強大，本文以LPC2104為核心，設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定的智能燈光控制器。

4 無線數(shù)傳模塊設(shè)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(shè)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(shè)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(diào)制/解調(diào)和多頻道切換等功能，在低成本數(shù)字通信應(yīng)用中具有突出的技術(shù)優(yōu)勢，其主要技術(shù)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(shù)，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(diào)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(diào)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(shè)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(fù)雜的射頻電路設(shè)計和調(diào)試，使產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)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(fù)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(shè)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(yīng)處于關(guān)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(diào)光控制電路設(shè)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(guān)和調(diào)光控制。用內(nèi)部帶有過零檢測電路的光電耦合器MOC3041作為晶閘管的驅(qū)動器，同時能實現(xiàn)強、弱電的隔離。

傳統(tǒng)的調(diào)光方法都采用移相觸發(fā)晶閘管，控制晶閘管的導(dǎo)通角來控制輸出功率，不僅同步檢測電路復(fù)雜，而且在晶閘管導(dǎo)通瞬間會產(chǎn)生高次諧波干擾，造成電網(wǎng)電壓波形畸變，影響其他用電設(shè)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(dǎo)通與關(guān)斷的時間比值來調(diào)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(wǎng)造成污染，因此，本系統(tǒng)采用過零觸發(fā)方式。

MOC3041內(nèi)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(nèi)部雙向晶閘管導(dǎo)通，觸發(fā)外部晶閘管導(dǎo)通，當MOC3041輸入引腳輸入電流為0時，內(nèi)部雙向晶閘管關(guān)斷，從而外部晶閘管也關(guān)斷，其調(diào)光控制電路如圖3所示。

6 無線模塊軟件設(shè)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(diào)制解調(diào)器接口，16字節(jié)接收和發(fā)送FIFO。內(nèi)置波特率發(fā)生器以及包含標準的調(diào)制解調(diào)器接口信號

在使用UART1時，先要設(shè)置TXD1、RXD1引腳連接方式，然后設(shè)置串口的波特率及工作模式，即可進行數(shù)據(jù)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(shè)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(yīng)用程序調(diào)用串行口資源將變得更容易，值得注意的是，應(yīng)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(wù)，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(wù)，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(wù)發(fā)送一個串行口