智能灯光控制器的设计

河源技师学院 刘 川

本文介绍的是可调光智能灯光控制器的设计，控制系统包括开关执行单元、过零检测电路、电源模块、MCU和RF模块，文章阐述了智能灯光控制器的具体设计方法。该系统实现了家庭智能灯光控制，并有很好的扩展性。

1.引言

随着社会的发展，人们生活水平的提高，大家对生活品质的追求也日益增高，照明灯光是生活中不可或缺的部分。传统的灯光控制和维护手段已经远远不能适应城市现代化发展的速度，传统的方式缺少总开、总关、调光等智能控制功能，人们经常在需要全关灯时寻找各处的开关面板逐一操作关闭，且不可以调节灯的亮度，带来不便。人们希望能随心所欲地控制发光亮度，按照需要实现各种场景功能，操作简单，要求系统具有良好的扩展性和可维护性，因此，智能灯光控制系统应运而生。对于灯光控制系统的研究，将有助于推动整个智能家居系统的发展。

2.硬件电路设计

2.1 原理框图

图1 双向智能灯光控制器（可调光）原理框图

2.2 工作原理

系统工作原理框如图1,系统包括开关控制器面板和底板，底板主要包括开关执行单元，过零检测电路及电源模块。底板主要完成开关执行动作，过零检测和电源取电功能。面板主要包括RF数据接收、数据处理、按键处理、传送开关控制信号、操作提示等功能。

本系统可通过手动按键、RF遥控两种方式实现开关控制器进行打开、和关闭操作。

3.关键技术解决方案

3.1 硬件方案的选择

3.1.1 底板电路设计

在底板电路方面直接调用E度空间系列的调光底板电路。

3.1.2 面板电路设计

1）电源管理模块：

实现直流电源转换（5V转为3.3V）功能。本设计采用LC1117CLTR-3.3贴片封装线性直流电源IC,其输入电压范围为：4.25V～10V；输出电压范围为：3.267V～3.365V；输出电流最大可达到800mA。在电源输入端加二极管防止电源反接，用磁珠、钽电容、磁片电容来减小输入电源的纹波，以便得到干净电源。

2）MCU及外围电路：

主要功能为数据解析、数据处理、传送控制信号。基于以后升级和扩展考虑，其MCU选用包含8K Byte FLASH，512 Byte EEPROM,1K Byte SRAM，并支持ISP功能的集成度高、性价比高、低功耗ATMEGA8L AVR单片机（双路调光用ATMEGA16L）,其硬件资源可满足本产品的设计要求及以后系统升级用。其外围电路采用阻容复位电路；同时预留外置晶振电路。

3）RF模块

RF模块采用现有的CC1101射频模块。

4）按键电路

主要完成手动控制的功能。基于产品超薄式设计理念，并结合产品外观考虑，设计中采用贴片式轻触按键，按键压力为180g，按键寿命可达到10万次。

3.2 关键性能指标的实现

1）低功耗

本系统设计时，着重考虑产品低功耗及环保设计。在器件的选型上尽量采用低功耗且具有环保标志的元器件，例如采用低功耗接收模块和高集成度、性价比高、低功耗的ATmega8L（双路用ATmega16L）。

2）RF遥控距离

本系统设计综合考虑RF模块布局及底板对其影响，分别采用单独供电、远离干扰源、电路板淘空、模块供电加滤波电容等措施加以改善RF接收灵敏度，从而实现远距离遥控功能。

3）动作响应速度

本系统设计采用较高的工作频率，以达到最高指令处理速度，从而实现遥控与手动控制的快速响应（响应时间≤0.2S）。

4）保护电路设计

在底板加入压敏电阻、NTC来有效抑制浪涌电流，从而达到保护产品的作用。

3.3 安规设计

1）火线最小爬电距离不小于3MM。

2）高压区与低压区的最小爬电距离不小于8MM，不足8MM或等于8MM的。须开2MM的安全槽。

3）高压整流滤波的正负之间的最小安全距离不小于2MM。

3.4 电磁兼容设计

1）在电路板上每个IC上并接一个0.01～0.1μF高频电容，以减小IC对电源的影响。但应注意高频电容的布线，连线应靠近电源端并尽量粗短，否则，等于增大了电容的等效串联电阻，而这会影响滤波效果。

2）布线时应避免90°折线，并尽量减少高频噪声发射。

3）注意晶振布线。晶振与单片机引脚应尽量靠近，并用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳要接地并固定。最好在能使用低速晶振的场合尽可能选用低速晶振。

4）VCC和GND之间接电解电容及瓷片电容，以去掉高、低频干扰信号。

3.5 环境条件的实现

在元器件选型时，充分考虑到每个元器件的使用环境，能够满足以下要求：

工作温度：0～50℃

存储温度：-20～70℃

相对湿度：45%-80%

大气压：90～110kPa

3.6 可扩展性的实现方法

面板MCU板接口预留一个I/0引脚，方便以后的扩展。

3.7 超小设计的考虑

在PCB布局时，电路板上摆放元器的位置与结构配合使得产品达到超薄的效果，以便适用于市面上各种86预埋底盒的尺寸。

4.PCB布局

4.1 各PCB模块布局框图

面板元件布局如图2。

图2 面板电路布局图

4.2 各PCB模块接口定义

4.2.1 物理连接

面板与底板连接线：包括电源线和控制线。RF模块接口：包括电源线和数据通信线

4.2.2 数据通讯

数据通讯包含了上面提到的控制线和数据通信线，它们均采用单工通信方式，由MCU集中管理与维护。

4.3 PCB板设计

4.3.1 接口位置定义

面板与底板接线端子已做到符合接插件放置电路板边缘原则，以便生产安装操作及提高产能。

4.3.2 芯片布局

1）因为要与结构配合使得产品达到超薄的效果，MCU放置于电路板左下角。

2）稳压芯片既靠近电源接线端子，又靠近MCU,以达到纹波小的效果。

3）RF模块远离蜂鸣器等干扰源，以提高数据接收的灵敏度。

4.3.3 走线原则

1）高频数字电路走线在pcb设计中做到了细而短。

2）大电流信号、高电压信号与小信号之间在pcb设计中注意隔离（隔离距离与承受的耐压有关，通常情况下在2KV时板上距离2mm，在此之上则按比例算加大，例如若要承受3KV的耐压测试，则高低压线路之间的距离应在3.5mm以上，许多情况下为避免爬电，还在印制线路板上的高低压之间开槽。）

3）双面板布线时，两面导线在pcb设计中尽量做到相互垂直、斜交、或弯曲走线，避免相互平行，以减小寄生耦合；作为电路的输人与输出的走线应尽量避免相邻平行，以免发生回授，在这些导线之间加接地线起隔离作用。

4）尽可能走45度角的走线方式。

5）走线尽可能避免穿过射频模块，射频模块底下电路板做淘空处理。

6）光耦底下尽可能避免走线，以免干扰到光耦。

5.结论

本文主要介绍了灯光控制系统的硬件设计部分，整个控制系统采用了模块化设计，其主要的好处是扩充灵活，增加系统的兼容性。该控制器硬件电路设计可靠，工作情况良好。使人们可以根据自己的需求控制灯光，同时延长了灯泡的寿命并起到了节能的效果。在科技快速发展的今天，该装置有着十分广阔的社会和商业前景。