智能家居網(wǎng)關(guān)模塊電路設(shè)計(jì)集錦

> 看完這么多智能家居網(wǎng)關(guān)模塊電路設(shè)計(jì)后，是不是創(chuàng)意爆棚呢？機(jī)會(huì)來了，趕緊參加物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新應(yīng)用設(shè)計(jì)大賽，贏取iPhone 6吧！

　　TOP1 消防指示燈智能網(wǎng)關(guān)監(jiān)控系統(tǒng)接口電路

　　電路原理：SCK、MISO、MOSI 分別是SPI 接口的時(shí)鐘信號(hào)、主站輸入信號(hào)、主站輸出信號(hào)。定義STC12 的SPI 接口工作在從站方式，STC11 作為SPI 主站。由于STC11 單片機(jī)沒有SPI 功能， 必須用軟件模擬SPI 主站功能， 這里僅將STC11 作為字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹修D(zhuǎn)站， 不進(jìn)行信息幀的校驗(yàn)、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換。監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)出指令經(jīng)STC11 的串口接收， 通過SPI 發(fā)送至STC12 進(jìn)行處理。STC11 再通過SPI 接收返回信息， 然后通過串口發(fā)送至監(jiān)控計(jì)算機(jī)。設(shè)計(jì)中，STC12 通過在SPI_TX 引腳的輸出下降沿，告知STC11 啟動(dòng)模擬SPI 主站功能， 從STC12 的SPI 接口寄存器中讀取一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。

　　TOP2 嵌入式智能家居系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)模塊電路

　　工作原理：裝置工作原理，分為遠(yuǎn)程控制模塊、主控制器、從控制器和控制電路四大部分。遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)和手機(jī)分別通過Internet網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)與具 有Windows CE平臺(tái)的主控制器相連接進(jìn)行通信。主控制器和從控制器通過串口分別與藍(lán)牙模塊相連接，通過藍(lán)牙傳輸進(jìn)行通信。從控制器直接與控制電路相連接，通過控制電 路對(duì)家用電器進(jìn)行控制，如圖是關(guān)于nRF0433的無(wú)線收發(fā)模塊電路的設(shè)計(jì)。

　　這是一個(gè)共發(fā)射集放大電路，調(diào)整基極偏置，當(dāng)輸入模擬信號(hào)，晶體管集電極電流隨模擬信號(hào)強(qiáng)度變化而變化，于是，LED的輸出光功率也隨模擬信號(hào) 而變化。采用此電路的改進(jìn)形式，電路采用5V直流工作點(diǎn)，設(shè)計(jì)R1=30Ω，R2=2KΩ。發(fā)射端與信號(hào)源之間接一個(gè)隔值電容Cf=10uF，由于 LM386的增益可以達(dá)到200，為了減小發(fā)射端信號(hào)的幅度（否則信號(hào)幅度太大，在接收端難以調(diào)節(jié)至不失真），電容Cf和地之間接一個(gè)Rb=100Ω的電 阻。由于ICQ要達(dá)到20mA左右，由R1和R2偏置計(jì)算可知射極所接的電阻為幾十歐左右，設(shè)計(jì)為Re1=20Ω，Re2=52Ω，并且在Re2上并聯(lián)一 個(gè)隔直電容Cef為100uF。

　　TOP3 智能網(wǎng)關(guān)紅外遙控接收電路

　　所有紅外遙控器的輸出都是用編碼后的串行數(shù)據(jù)對(duì) 38kHz～40kHz的方波進(jìn)行脈沖幅度調(diào)制而產(chǎn)生的。如果直接對(duì)已調(diào)波進(jìn)行測(cè)量，而其脈寬只有20多微秒，由于單片機(jī)的指令周期是微秒級(jí)，會(huì)產(chǎn)生很大 的誤差。因此，先要對(duì)已調(diào)波進(jìn)行解調(diào)，對(duì)解調(diào)后的波形進(jìn)行測(cè)量。將CX20106或一體化紅外接收頭解調(diào)出的遙控編碼脈沖直接連入SM8952AC25P 單片機(jī)的INT0和T0腳，定時(shí)器T0和T1都初始化為定時(shí)工作方式1，T0的GATE位置位。每次外部中斷首先停止定時(shí)，記錄T0、T1的計(jì)數(shù)值，然后 將T0、T1的計(jì)數(shù)值清零，并重新啟動(dòng)定時(shí)。T0的值即為高電平脈寬，T1～T0的值為低電平脈寬。T0、T1與紅外編碼信號(hào)脈寬的對(duì)應(yīng)關(guān)系并且存儲(chǔ)到外 部?jī)?chǔ)蓄器24C256中等待發(fā)送調(diào)用。

　　紅外遙控發(fā)送電路

　　遙控信號(hào)的還原是通過SM8952AC25P的T2特殊輸出口進(jìn)行二進(jìn)制脈沖碼的高電平與低電平的調(diào)制輸出，其中調(diào)制為利用單片機(jī)特殊功能進(jìn)行內(nèi)部調(diào)制 這也是本設(shè)計(jì)的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)，調(diào)制后的信號(hào)如圖3.5-2驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光管工作。該設(shè)計(jì)的硬件電路相對(duì)簡(jiǎn)單，因此系統(tǒng)的調(diào)試重點(diǎn)在軟件上。

　　TOP4 智能家居電源穩(wěn)壓電路

　　由于系統(tǒng)單元電路較多對(duì)且對(duì)5V電 源的要求比較高，其中TC35模塊的突發(fā)耗電電流峰值可達(dá)2.5A，故外加的穩(wěn)壓器件必須達(dá)到足以提供TC35和其他電路額定電流的條件。采用了開關(guān)電源 芯片LM2576完成從12V到5V的轉(zhuǎn)換，作為對(duì)TC35終端和其他5V單元的供電。必須特別注意的是，如圖由LM2576芯片完成開關(guān)電源轉(zhuǎn)換需要大 功率的電感（100uH）和電容，以提高儲(chǔ)能的能力，達(dá)到單元電路的耗電需求。LM2576為5.0V3A開關(guān)電源穩(wěn)壓器。

　　本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還涉及到傳感器信號(hào)采集與信號(hào)放大，其中放大器等部分需要用到±12V電源，因此根據(jù)設(shè)計(jì)要求增加了7812/7912三端穩(wěn)壓IC提供 的±12V電源，如圖由220V的交流電經(jīng)交流變壓器T降壓，變成12V交流電，低壓交流電再經(jīng)過全橋整流變成脈動(dòng)直流17V左右為三端穩(wěn)壓提供電源，脈 動(dòng)直流電經(jīng)4700u電解電容和0.1u瓷片電容濾波，送到穩(wěn)壓塊輸入端，進(jìn)行穩(wěn)壓，然后由三端穩(wěn)壓輸出端輸出±12V直流電壓，±12V直流電再由 2200u和0.1u電容進(jìn)行濾波，輸出比較穩(wěn)定的±12V直流電壓，給模塊供電源。

　　TOP5 安全智能家居網(wǎng)關(guān)監(jiān)控系統(tǒng)

　　PCF8563是低功耗的CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷芯 片，它提供一個(gè)可編程時(shí)鐘輸出，一個(gè)中斷輸出和掉電檢測(cè)器，所有的地址和數(shù)據(jù)通過CI2 總線接口串行傳遞。最大總線速度為400Kbits/s，每次讀寫數(shù)據(jù)后，內(nèi)嵌的字地址寄存器會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生增量。 PCF8563實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片的工作電路如下：

　　其中，OSOI為振蕩器輸入，OSOC為振蕩器輸出，/INT為中斷輸出（開漏；低電平有效），ssV接地，SDA為串行數(shù)據(jù)I/O，SCL為串行時(shí)鐘輸入，CLKOUT為時(shí)鐘輸出（開漏）， DDV為正電源。

　　檢測(cè)電路

　　集成比較器LM311的3號(hào)端恒輸入5V電壓，由于傳感器輸出電流與室內(nèi)煤氣（煙霧）濃度成比例關(guān)系，即I=kC（I為傳感器輸出電流，C為室內(nèi)煤氣濃 度，k為比例常數(shù)），故可通過傳感器和電位器1R將濃度轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸入到LM311的2號(hào)端（即V=kC*1R） 。電壓比較器可將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成二值信號(hào)。LM311是一種通用的集成比較器，開環(huán)增益低，失調(diào)電壓大，共模抑制比??；但其響應(yīng)速度快，傳輸延遲時(shí)間短， 而且可以直接把高電平信號(hào)輸入給單片機(jī)。 由以上分析可知，可以調(diào)節(jié)電位器的阻值來調(diào)節(jié)室內(nèi)報(bào)警濃度的上限制。

　　報(bào)警電路

報(bào)警電路如下圖所示

　　當(dāng)輸入端P1.0有信號(hào)輸入時(shí)，晶體管Q7基極產(chǎn)生電流，此時(shí)晶體管導(dǎo)通，在+5V電壓下，蜂鳴器工作；當(dāng)輸入端P1.0沒有信號(hào)輸入時(shí)，此時(shí)由于Q7基極無(wú)電流，晶體管截止，蜂鳴器停止工作。

　　DTMF發(fā)送電路 在此可以采用現(xiàn)成的DTMF芯片，但是如果采用專門的芯片就得還得加上附加電路，使成本又上升。鑒于C8051F340的內(nèi)部有四個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，可以利用這一內(nèi)部資源，采用脈寬調(diào)制—PWM實(shí)現(xiàn)DTMF通信。單片機(jī)PWM DTMF通信原理圖如下：

　　TOP6 智能家居系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)無(wú)線收發(fā)模塊電路

　　家庭網(wǎng)關(guān)是嵌入式智能家居系統(tǒng)的核心部件，所設(shè)計(jì)的無(wú)線收發(fā)模塊電路是家庭網(wǎng)關(guān)的一部分。單片RF收發(fā)芯片nRF0433組成的無(wú)線收發(fā)模塊電 路的原理和設(shè)計(jì)方法，所設(shè)計(jì)的無(wú)線收發(fā)模塊電路工作在433MHzISM頻段，數(shù)據(jù)速率9600bit/s，靈敏度高達(dá)-105dBm，最大發(fā)射功率達(dá) 10mW，電源電壓215～515V，工作電流31～47mA。

　　天線輸入/輸出，當(dāng)nRF0433是接收模式時(shí)，ANT1（引腳16）和ANT2（引腳15）引腳端提供射頻輸入到低噪聲放大器LNA;當(dāng) nRF0433為發(fā)射模式時(shí)，從功率放大器提供射頻輸出到天線。天線連接到nRF0433是差動(dòng)形式，在天線通道推薦的負(fù)載阻抗是400Ω。在印制板 （PCB）上差動(dòng)回路天線如應(yīng)用電路印制板圖所示。功率放大器輸出級(jí)由差動(dòng)結(jié)構(gòu)的2個(gè)集電極開路的晶體管組成，電源VDD到功率放大器必須通過集電極負(fù)載 供電。當(dāng)連接差動(dòng)回路天線到ANT1/ANT2引腳端，電源VDD將通過回路天線的中心供電。 單端天線連接到nRF0433時(shí)，使用差動(dòng)到單端匹配網(wǎng)絡(luò)。單端天線也可以使用8:1射頻變壓器連接到nRF0433，工作在433MHz。射頻變壓器的 原邊必須有一個(gè)中心抽頭，用于電源VDD供電。 連接在RF-PWR（引腳11）端和+5V之間的電阻R3設(shè)置輸出功率。射頻輸出功率可以設(shè)置到+10dBm。輸出功率、芯片消耗電流與電阻R3的關(guān)系 （負(fù)載阻抗400Ω）。 引腳FILT（引腳4）和FILT2（引腳3）外接PLL回路濾波器，PLL回路濾波器是外接的單端2階濾波器， 對(duì)于VCO電路外接22nH（433MHz）電感在VCO1（引腳5）和VCO2（引腳6）引腳端之間是必須的。電感使用高質(zhì)量的片式電感最大誤 差±3%。 晶體振蕩器需要通過引腳XC1（引腳1）和XC2（引腳20）外接晶振，晶振的特性要求是：并聯(lián)諧振頻率f=41000MHz，并聯(lián)等效電容 Co=5pF，晶振等效串聯(lián)電阻R=150Ω，全部負(fù)載電容，包括印制板電容CL=14pF，nRF0433可以使用微控制器的晶體振蕩器。

　　TOP7 物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)設(shè)電源電路

　　該網(wǎng)關(guān)設(shè)備采用220V交流供電，電源模塊直接采用成型穩(wěn)定的品牌幵關(guān)電源。該開關(guān)電源輸出5V電壓，供應(yīng)板上弱電部分的電源需求。弱電部分為三塊：核心板、擴(kuò)展板和RS485接口板。這三部分的電源各自獨(dú)立設(shè)計(jì)，互相隔離，避免了互相干擾。

　　擴(kuò)展板電源設(shè)計(jì)核心板上的電源主要有5V和3.3V兩種。5V電源的耗電單位對(duì)電源的要求較低，可以直接使用開關(guān)電源提供的5V電源。由于核心板是搭載在 擴(kuò)展板上的，核心板沒有單獨(dú)的電源接口，因而核心板的電源也從擴(kuò)展板上的5V電源接口引入。在擴(kuò)展板上5V電源接口的入口處還引入了開關(guān)和保險(xiǎn)絲，以方便 設(shè)備的幵關(guān)和過流保護(hù)。3.3V供電的部分采用LM1117-3V3對(duì)5V電源進(jìn)行穩(wěn)壓，電路原理圖如圖。

　　TOP8 智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)日歷電路圖

　　基于ARM9的物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)3.3系統(tǒng)日歷電路設(shè)計(jì)智能網(wǎng)關(guān)需要一個(gè)準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，以保證系統(tǒng)走時(shí)準(zhǔn)確，并能在掉電時(shí)正常計(jì)時(shí)。選用了 PCF8563日歷芯片，可以在初次啟動(dòng)后，保證系統(tǒng)時(shí)間的準(zhǔn)確性，為了保證斷電重啟時(shí)無(wú)需重新配置時(shí)間，為該日歷芯片配置了鈕扣電池。電路原理如圖 3.6所示

　　通過I2C總線與控制器通信。它僅需提供電源和32.758KHZ的晶體振蕩電路即可以正常工作。電池電路中，D1和D2導(dǎo)通二極管。在外接電源工作 時(shí)，D1導(dǎo)通，D2的作用是防止電池漏電。當(dāng)外接電源停止時(shí)，D2導(dǎo)通，DI的作用是防|1：電池通過電源電路流失電能。C65、C66對(duì)RTC電源進(jìn)行 濾波。

　　TOP9 嵌入式智能網(wǎng)關(guān)硬件無(wú)線收發(fā)電路圖

　　一個(gè)基于IEEE802.15.4的CC2430無(wú)線收發(fā)模塊，主要用來完成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間、節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線通信。核心部分是一個(gè)CC2420射頻收發(fā)器，它完全支持ZigBee組網(wǎng)協(xié)議，具備傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)和低功耗等優(yōu)點(diǎn)。

　　主要特征如下：

　　工作頻帶范圍是2.4～2.4835GHz; 采用IEEE802.15.4規(guī)范要求的DSSS（直接序列擴(kuò)頻方式）;

　　數(shù)據(jù)速率達(dá)250kbps，碎片速率達(dá)2Mchip/s，接收靈敏度高（-94dBm），鄰道抗干擾能力強(qiáng)（39dB），超低電流消耗;

　　低電壓供電（2.1～3.6V），內(nèi)部集成VCO、LNA、PA及電源穩(wěn)壓器。 CC2420通過簡(jiǎn)單的四線（SI、SO、SCLK、CS）與SPI接口相連。可以通過調(diào)制解調(diào)控制寄存器的控制位配置成不同的發(fā)射和接收模式，通常工作在緩沖模式。

　　如圖5所示，它的外圍電路器件簡(jiǎn)單，主要包括晶振電路、天線及阻抗匹配電路、接口電路和引腳的去耦濾波電路等。射頻輸入/輸出匹配電路主要用來匹配芯片的輸入/輸出阻抗，使其輸入/輸出阻抗為50，同時(shí)為芯片內(nèi)部的PA和LAN提供支流偏置。