分类：电子论文 时间：2021-12-04 热度：607
摘要：结合电子设计课程的教学案例，介绍了一种单火线遥控触摸开关的设计方法。首先分析了单火线供电的工作原理，然后对智能开关设计中的关键技术如触摸检测、射频遥控编解码、遥控配对等进行了深入研究。在此基础上，围绕PIC16F690单片机进行了软硬件设计。实验结果证明所设计的单火线遥控触摸开关触摸检测灵敏，检测距离可达到5mm;射频遥控稳定可靠，可实现20m窗墙控制，为单火线智能开关设计提供了示范。将该设计过程作为教学案例引入课堂，与实际应用接轨，在培养学生解决工程问题能力的同时也培养了其创新意识。
关 键 词：单火线取电;触摸检测;射频编解码;遥控配对;智能开关
随着科技日益进步，智能家居越来越广泛地走进了人们的生活。目前市场上各类智能家居产品很多，大学生群体也对此产生了浓厚兴趣，在各类电子设计竞赛中，智能家居作品如智能台灯、智能加湿器、智能窗帘等经常出现。根据这一时代背景，电子科技大学开设了“现代一体化电子设计实验”课，在实验内容上围绕智能开关的设计制作展开。通过实验，学生将最终设计出能实际使用的智能开关作品，增强其成就感。学生在实验中不但可以学习电路知识、掌握电子设计技能，还能充分激发自身创造力，设计出更多创意作品。常见的智能开关通过整流以获取控制器所需的直流电压，因此供电需要火线与零线双线，而传统的机械开关采用单火线连接，即有两个接线端子，一个端子接火线，另一个端子接到灯的一端，开关并未直接与零线相连[1−2]。为解决重新布线的难题，本课程设计的智能开关采用单火线供电，与传统86盒机械开关兼容，无须重新布线，可根据不同应用需求实现1、2、3路灯光触摸、遥控通断。
1单火线供电电路设计
本文设计的单火线供电电路结构如图1所供电电路有两个端子，一端接在火线(或零线)上，另一端接到负载LED灯泡上，借助灯泡的另外一端接到零线(或火线)上。在220V的电压下，灯泡、双向晶闸管以及供电电路共同分压，其中单片机利用晶闸管驱动电路实现晶闸管的导通或者关断，最终达到控制灯泡亮灭的目的。
在灯泡熄灭的状态下，因为静态功耗的存在，电路中存在微弱的电流，即会有小电流流经灯泡，灯泡两端所分的电压小至几伏，而供电电路两端的电压就会很大，在M2半波整流结束后，220V的交流电被分为两路，分别加载到Q1的集电极和基极，施加的基极电流，会经过R3、R4使得Q1导通。其中的一个自激振荡电路分别由Q1、R5、C3、D4、N2组成。当基极电流导通Q1时，集电极一端的电流会升高，此时上正下负的电压会出现在变压器初级线圈N1处，然后经过耦合，会在N2处感应产生上正下负的电压，进而加载到Q1的基极，导致其基极电压上升，同时，集电极电流也随之增加，N1、N2的端电压相继升高，然后Q1基极电压再次上升，因正反馈的存在会使得Q1饱和导通，此刻，基极电流是由N2上的感应电压产生，并给C3充电，此时电容的机型是左负右正。Q1基极的电压是由C3负端所加，会使得Q1处的基极电流降低，让其不再是饱和导通状态，而是处于放大状态。在基极电流和集电极电流降低的情况下，Q1会在正反馈机制下变成截止状态。N1两端电压在Q1导通状态下是上正下负，此时D6处于截止状态，而负载的电源由C5维持。因为N1中的电流无法在Q1截止时跃变，所以其电流方向会保持不变，即N1两端的电压状态为上负下正，从而导通D6，此时N1中的能量通过D6给负载供电，而C5处于充电状态。D6的导通和截止状态与Q1的状态相反，会让N2端电压状态处于上负下正，此时D4导通，C3上的电压得以释放，并且N2、D4会对其反向充电。该反向充电电流会通过D4到达Q1的基极，致使其再次导通，集电极电流和基极电流会继续变大。在正反馈机制作用下，Q1饱和导通。由此，自激振荡状态可以持续存在于电路之中，并且由DC/DC稳压后为单片机提供直流电源[3−8]。
当灯亮时，双向晶闸管导通，灯上电压接近220V，此时，电路并非由自激振荡电路供电，而是有交流电经过C1、稳压管D3、灯泡后，加在晶闸管驱动电路上的整流桥上，整流后通过电源旁路、D7及R6直接供电。
综上，无论负载灯泡是否点亮，本电路均可为单片机提供稳定的直流电源，并可由单片机控制灯的亮灭，实现了单火线供电。电路中的压敏电阻和保险丝，分别起过压保护与短路保护的作用。
在供电电路的设计中，学生需了解常见开关电源的工作原理，了解开关电源设计标准，学习电源稳压、滤波、防反接、浪涌保护等常用电路设计知识，改进参考电路以达到电源设计规范。本实验有助于培养学生遵守行业规范和标准的意识，同时有助于积累电路设计经验。
2电容触摸按键电路设计
触摸按键的结构主要分为表层接触玻璃或者亚克力板，中层铜电极，底层PCB基板。两个相邻的铜片之间会产生自然寄生电容Cp，当手指触摸玻璃表面时，将产生一个pF级的触摸电容Cf，其一极为紧贴玻璃下表面的电极，另一极是玻璃上表面的手指(通过人体接“地”)，如图2所示。由于铜片-玻璃-手指-地之间产生电容Cf，该电容与电路对地的自然寄生电容Cp并联，所以当手指接近焊盘时总电容将变大[9−11]。
为了检测触摸信号，本文结合PIC16F690单片机内部资源，设计了松弛振荡器，其电路如图3所示。当触摸引起电容Cs变化时，振荡器的RC时间常数增加，振荡器频率将减小，通过单片机检测这一频率变化可间接检测到触摸信号。
松弛振荡器是一个自激RC振荡器，它使用2个带SR锁存的比较器来改变感应电容器Cs的充放电方向，充放电速率由RC时间常数来确定，工作原理如表1所示。
其中，C1+是单片机内部信号，等于(2/3)VDD[12]，是电容Cs的电压上限;C2+由外围电路决定，本文设定为(1/4)VDD，即电压下限，并联旁路电容滤波以确保电压下限稳定。值代表了单片机引脚C2OUT的电平状态，它不仅驱动振荡器，而且还连接到T1的时钟输入T1CKI。利用T0提供周期固定的时基，固定时间内，读取T1的值，与前一个读数进行比较，完成对按钮的一次扫描。如果T1的当前计数值明显变低，那么表明电容增加，频率下降，于是就检测到有按钮按下。为了提高检测精准度，采用滑动平均值法来排除偶然误差。
基于以上原理，本文围绕PIC16F690单片机展开了3路触摸按键检测的软硬件设计，并设计了LED灯用以指示相应按键的触摸信号，实验测试如图4所示。当手指在按键上方晃动但不触摸到按键表面时，3个按键指示灯均为绿色，表明未检测任何触摸信号;当手指触摸到某个按键时，相应红色指示灯亮起，表明系统检测到了相应触摸信号，有效触摸检测距离约为5mm;当手指远离触摸按键表面，红色灯熄灭，绿灯恢复常亮，表明系统检测到触摸信号消失。测试结果表明触摸按键系统工作稳定，达到了预期触摸检测效果。
电容触摸按键电路设计中，学生需实现触摸信号检测的基本功能，同时需通过对比实验找出影响检测灵敏度、稳定性的因素，进而提出改进措施。本实验能够让学生深入体会电容式按键较传统按键的便捷性和稳定性，同时明确对内部电路原理，包括振荡器等结构的认知。实验注重引导学生发现问题、分析问题，并提出解决问题的方法，有助于培养其解决工程问题的能力。
3无线遥控电路设计
目前常见的无线通信技术有WiFi、蓝牙、Zigbee和射频等。其中，射频通信具有成本低、绕射能力强、传输距离远、功耗低等优点，目前已广泛应用在数据量低、成本敏感的智能家居场合[13]。本课题采用433MHz射频通信实现无线遥控，射频发射电路如图5所示。该电路为振荡放大电路，其中振荡器(OSC)的1、4引脚分别为振荡输入与输出，2、3引脚与外壳相接并接地，L1与C2保证高频交流不影响直流电源。DOUT与单片机IO引脚连接，当DOUT为低电平，IC6基极无电流流过，集电极与发射极之间相当于断开，电路无信号发出;当DOUT为高电平，IC6集电极与发射极导通，R25将433MHz的震荡放大并向外传输。因此，该电路可以将DOUT上的电平状态以调幅的方式发射出去。电路采用12V发射器电压，理论上可以实现高达800m的传输距离。但在实际使用中，发射电路体积限制了发射器无法安装天线，只能通过延长遥控器电路板上的走线(图5中L1与IC5集电极之间的导线)充当天线，加上穿墙等因素，在家庭中使用的无线遥控，传输距离一般不超过20m[13]。
相关期刊推荐：《实验科学与技术》(双月刊)创刊于2003年，是电子科技大学和四川省高教学会主办、西南六省、市、自治区高校实验室工作研究会协办的学术性、技术性科技期刊，是全国高校实验室工作研究会的会刊之一。设有：实验技术、计算机网络技术应用、实验教学体系探索与创新、实验教学、实验室建设与管理、大学生园地、仪器设备的研制与改进等栏目。
射频接收模块采用H3V4F解调模块，该模块通过ANT引脚连接的弹簧天线，可以响应空间中的433MHz射频信号，其信号输出端口DAT引脚与接收端单片机IO相连。当未检测到有用信号时，DAT输出杂乱的噪声信号;当检测到有用信号时，该引脚还原发射端DOUT上的电平状态，如图6所示。
图6中，上方波形为H3V4F模块DAT引脚接收到的信号，下方波形为发送端DOUT脚输出信号，两信号表现出良好的一致性，为实现无线遥控编解码奠定了坚实基础。在无线遥控电路设计中，学生需了解433MHz射频通信的基础知识，思考通信距离受哪些因素影响，改进电路设计，实现通信距离的提升。
4软件编解码设计
通常433MHz无线传输可以搭配一组专用的编码和解码芯片(PT2262和PT2272)使用，但是这组芯片不能编程，按键与输出的配对由电路决定，难以实现按键与开关自由、灵活配对。为此，本文基于PIC16F690单片机展开了PT2262/2272软件编解码设计，可以灵活方便地配对地址码、设置通信报文，无须改变硬件电路。软件编解码设计模块能够让学生学习到编解码策略，包括无线编码的格式和信息传递过程等知识。
PT2262编码时每个码位取3个值：0、1、f，相同位数下大大提高了编码范围。数据“0”对应两个窄脉冲，数据“1”对应两个宽脉冲，数据“f”对应一个窄脉冲和一个宽脉冲[14]，编码方式如图7所示。
根据这种通信协议我们展开了软件编解码。编码由发射器实现，每次发送的数据帧由同步位、地址位和数据位组成。发送数据时，单片机IO端口先输出360μs的高电平，之后输出9720μs低电平作为同步头;紧接着发送8位地址位，以1440μs作为一个周期，高电平360μs、低电平1080μs为窄脉冲，高电平1080μs、低电平360μs为宽脉冲，以宽窄脉冲的组合来表示每个码位，8位地址用于开关匹配，理论上最多可以实现38路开关的控制;最后发送4位数据位，用于按键匹配。为了提升遥控的准确性，每次按下按键，发射器循环发送4次同一帧信息。每帧信息约45ms，4次约180ms，与人的最快按键速度接近。
解码时，利用单片机电平变化中断及电平状态检测第一个下降沿的到来，开始计时，当电平由低变高时，停止计时，记录下低电平持续时间T0，若T0在同步头低电平允许误差范围内，则同步头解码成功，否则解码失败，重新进入同步头检测状态。同步头解码成功后，立即进入脉冲高电平宽度检测并开始计时，当电平由高变低时，停止计时，记录下高电平持续时间T1，若T1在脉冲高电平宽度允许误差范围内，则脉冲有效，若连续成功解码两个脉冲，则可译出一个码位;依次循环，连续解码24个脉冲，完成8位地址码、4位数据码的解码，进而实现对一帧数据的解码。解码期间若出现无意义脉冲，则当前数据帧解码失败，重新开始同步头检测，开始新的数据帧检测。实验证明，采用对高低电平计时的编解码策略，解码精度高、误码率低，抗干扰能力强。
5遥控配对及控制程序设计
本文设计的遥控触摸开关硬件包括主控电路、触摸检测电路和遥控发射电路，电路板正反面如图8所示。主控电路可同时控制3路照明设备的通断，并能实时接收触摸信号与射频控制信号[15];触摸按键与3路负载设备一一对应;遥控器按键可发出射频信号，并且各个按键可与各路开关自由配对。用户通过配对操作，可以将遥控器的按键与任意一路开关建立对应关系。
遥控配对实现过程如下：长按触摸键(3s以上为长按，否则为短按)，蜂鸣器发出提示音，进入相应开关配对模式，主控电路单片机进入等待状态，此时按遥控发射电路上的任意按键，发出射频遥控信号，当主控电路单片机接收到格式正确的遥控信号后，将该信号存入EEPROM以掉电保护，之后蜂鸣器发出配对成功提示音，退出等待，完成该路开关与该按键的配对。在等待状态下，若短按触摸键，则退出配对模式，保持原有配对关系不变;若长按触摸键，则删除原有配对关系后退出配对模式，此后任何按键都不能控制该开关。
配对成功后，当再次接收到射频信号，解码后与EEPROM中存储的数据对比，将与之匹配的开关状态翻转，实现遥控通断;若检测到触摸按键信号，则相应开关状态翻转，实现触摸控制通断。遥控、触摸均可控制灯泡亮灭，控制流程如图9所示。
经实验测试，单火线遥控触摸开关性能稳定，工作可靠，能有效实现遥控、触摸控制3路开关的通断;触摸按键灵敏，有效触摸检测距离可以达到5mm;遥控距离远，可以达到20m穿墙效果，误码率低。至此，单火线遥控触摸开关设计完成。
实验课程中，学生需自主设计触摸检测、遥控收发、按键匹配等控制程序，并结合硬件完成调试。该设计软硬结合，迭代优化，整个过程能较好地锻炼学生的电子设计能力。6实验结果将单火线遥控触摸开关硬件电路安装于传统86盒中，负载接3路5W的LED灯(AC220V供电)，实验平台如图10所示。经测试，触摸按键工作稳定，检测距离大于等于5mm(开关盒玻璃面板厚5mm)，能灵敏控制3路开关的通断;遥控按键有效控制距离可达到20m(穿过两道玻璃墙)，空旷环境遥控距离可达到30m;灯泡点亮个数为1、2、3时，工作电流分别为14.88mA、21.5mA、26.04mA;当3路灯泡同时熄灭时，待机电流约为0.12mA，LED灯无频闪现象;当负载采用3W节能灯管，灯管熄灭时，会出现轻微频闪现象，但不易察觉。——论文作者：刘洋，李德杰，黎典
文章名称：一种单火线遥控触摸开关电路设计
