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          基于LPC2104的智能燈光控制器設(shè)計

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          作者: 時間:2007-01-26 來源:《國外電子元器件》 收藏

          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(shí)用藝術(shù)品,當(dāng)家里有各式各樣的燈具之后,將它們精心地搭配在一起,達(dá)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(biāo)準(zhǔn)。

          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(shí)用價值,而且還具有廣闊的市場前景。

          2 設(shè)計目標(biāo)

          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(jìn)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(shí)現(xiàn)對燈光亮度的遠(yuǎn)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(yùn)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。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/21587.htm

          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(dá)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(dá)6路輸出的pwm、2個定時器,分別具有4路捕獲/比較通道、實(shí)時時鐘及看門狗定時器等,能夠與常用的外圍設(shè)備實(shí)現(xiàn)無縫連接,功能強(qiáng)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(shí)現(xiàn)有三種方案:藍(lán)牙通信、紅外無線遙控、使用短距離無線數(shù)傳器件。對于藍(lán)牙方案,傳輸距離和器件成本是值得考慮的問題,藍(lán)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(shí)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(diǎn)有:(1)工作在國際通用的兩個頻道:433.92mhz和434.32mhz,無需進(jìn)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(dá)20bk/s;(5)工作電壓為2.7v-5v,待機(jī)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(jìn)行初始化和配置,不需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼,并可以使用廉價的pcb天線,無需進(jìn)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(shí)現(xiàn)發(fā)送狀態(tài)和接收狀態(tài)的切換,并通過gpio口進(jìn)行控制,pwr_up是節(jié)能控制端,利用lpc2104的一個gpio口對其進(jìn)行編程,實(shí)現(xiàn)無線模塊的工作模式和休眠狀態(tài)的切換;cs可進(jìn)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(jī)i/o口灌電流的方法控制晶閘管實(shí)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(shí)現(xiàn)強(qiáng)、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(dāng)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(dāng)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(jìn)行初始化,lpc2104的uart串口符合rs232標(biāo)準(zhǔn),也支持550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

          lpc2104有兩個通用的異步串行接口(uart),啟動時uart默認(rèn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(shí)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(dāng)系統(tǒng)收到串口信息時,將會主動向主任務(wù)發(fā)送一個串行口信息,主任務(wù)接收到該信息將會調(diào)用響應(yīng)函數(shù),響應(yīng)該消息。

          7 結(jié)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(shè)計的復(fù)雜程度,智能燈光控制器通過rs485接口很容易組網(wǎng),為實(shí)現(xiàn)智能家居網(wǎng)絡(luò)化提供了方便。



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