基于LPC2104的智能燈光控制器設計

　　1 引言

　　隨著(zhù)人們生活質(zhì)量的提高，燈具已不單純是室內的基本照明工具，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(dòng)形式，逐個(gè)控制所有的燈具，這樣不僅麻煩而且效率低下，也不符合現代舒適生活的標準。

　　因此，設計一個(gè)可以便捷地控制燈光、同時(shí)還提供場(chǎng)景組合等功能的智能化燈光系統不僅具有實(shí)用價(jià)值，而且還具有廣闊的市場(chǎng)前景。

　　2 設計目標

　　設計一個(gè)智能化燈光控制器，安裝在家中的各個(gè)房間，提供無(wú)線(xiàn)遙控、輕觸式燈光控制、場(chǎng)景組合、預設存儲等豐富功能。通過(guò)手持遙控器來(lái)控制住宅內所有的燈光;通過(guò)遙控器上的場(chǎng)景設置按鍵，方便地設定燈光場(chǎng)景和迅速切換，可以通過(guò)面板上的輕觸按鈕控制燈光的開(kāi)關(guān)和亮度，或者是多盞燈進(jìn)入某種預設的場(chǎng)景，各燈光控制器通過(guò)RS485的總線(xiàn)與家庭以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )終端通信實(shí)現對燈光亮度的遠程控制和查詢(xún)。

　　該智能化燈光控制系統分為接收外來(lái)控制信號和執行控制操作兩部分，為了接收控制信號，系統需具備無(wú)線(xiàn)接收功能和按鍵輸入面板，為了對燈具執行控制，需要設計220V調光控制電路。

　　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，非常適于該系統的設計，智能燈光控制器原理如圖1所示。

　　3 LPC2104功能簡(jiǎn)介

　　LPC2104是PHILIPS公司專(zhuān)為嵌入式應用提供的高性?xún)r(jià)比微控制器解決方案。它采用ARM公司的16位/32位RISC結構，內核是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(gè)UART、1個(gè)I2C串行接口、1個(gè)SPI串行接口，多達6路輸出的PWM、2個(gè)定時(shí)器，分別具有4路捕獲/比較通道、實(shí)時(shí)時(shí)鐘及看門(mén)狗定時(shí)器等，能夠與常用的外圍設備實(shí)現無(wú)縫連接，功能強大，本文以L(fǎng)PC2104為核心，設計結構簡(jiǎn)單、性能穩定的智能燈光控制器。

　　4 無(wú)線(xiàn)數傳模塊設計

　　4.1 nRF401簡(jiǎn)介

　　無(wú)線(xiàn)通信的實(shí)現有三種方案：藍牙通信、紅外無(wú)線(xiàn)遙控、使用短距離無(wú)線(xiàn)數傳器件。對于藍牙方案，傳輸距離和器件成本是值得考慮的問(wèn)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(wèn)題，但從手持設備所能提供的功耗來(lái)看，它能傳輸的距離實(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(gè)設備正對，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(wú)線(xiàn)射頻器件nRF401是最佳選擇。

　　nRF401無(wú)線(xiàn)通信收發(fā)器集成了高頻發(fā)射/接收、PLL合成、FSK調制/解調和多頻道切換等功能，在低成本數字通信應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(gè)頻道：433.92MHz和434.32MHz，無(wú)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(gè)晶體振蕩器和幾個(gè)電阻電容和電感，基本無(wú)需調試就可工作，且穩定性好;(3)數字通信采用具有較高的抗干擾能力的FSK調制方式，支持直接數據輸入輸出操作，可直接與MPU的UART串行口連接;(4)有2個(gè)可選擇的工作頻道，采用半雙工工作模式，最高數據傳輸速率可達20bk/s;(5)工作電壓為2.7V-5V，待機狀態(tài)耗電僅為8μA，能滿(mǎn)足低功耗設備的要求。

　　采用nRF401器件無(wú)需進(jìn)行初始化和配置，不需要對數據進(jìn)行曼徹斯特編碼，并可以使用廉價(jià)的PCB天線(xiàn)，無(wú)需進(jìn)行復雜的射頻電路設計和調試，使產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)應用更為便捷。

　　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(jiǎn)化的角度來(lái)看，選擇串口與無(wú)線(xiàn)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(jiàn)，嵌入式CPU對無(wú)線(xiàn)模塊的控制接口主要由5根信號線(xiàn)組成，分別是DIN、DOUT、TXEN、PWR_UP、CS。其中，TXEN是發(fā)送使能端，通過(guò)對TXEN置位和復位實(shí)現發(fā)送狀態(tài)和接收狀態(tài)的切換，并通過(guò)GPIO口進(jìn)行控制，PWR_UP是節能控制端，利用LPC2104的一個(gè)GPIO口對其進(jìn)行編程，實(shí)現無(wú)線(xiàn)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(guò)GPIO設置，可以利用LPC2104的UART1串口控制DIN、DOUT信號。

　　為了節能，nRF401大多數情況下應處于關(guān)閉狀態(tài)，無(wú)線(xiàn)部分硬件上是不具備自動(dòng)喚醒功能的，必須通過(guò)軟件方式采用合理的通信協(xié)議以保證節能同時(shí)數據不丟失。

　　5 調光控制電路設計

　　采用單片機I/O口灌電流的方法控制晶閘管實(shí)現開(kāi)關(guān)和調光控制。用內部帶有過(guò)零檢測電路的光電耦合器MOC3041作為晶閘管的驅動(dòng)器，同時(shí)能實(shí)現強、弱電的隔離。

　　傳統的調光方法都采用移相觸發(fā)晶閘管，控制晶閘管的導通角來(lái)控制輸出功率，不 僅同步檢測電路復雜，而且在晶閘管導通瞬間會(huì )產(chǎn)生高次諧波干擾，造成電網(wǎng)電壓波形畸變，影響其他用電設備和通訊系統的正常工作，本系統中采用過(guò)零觸發(fā)晶閘管導通與關(guān)斷的時(shí)間比值來(lái)調節燈具的功率，由于過(guò)零觸發(fā)不改變電壓的波形而只改變電壓全波通過(guò)的次數，不會(huì )對電網(wǎng)造成污染，因此，本系統采用過(guò)零觸發(fā)方式。

　　MOC3041內部含有過(guò)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(guò)零時(shí)，內部雙向晶閘管導通，觸發(fā)外部晶閘管導通，當MOC3041輸入引腳輸入電流為0時(shí)，內部雙向晶閘管關(guān)斷，從而外部晶閘管也關(guān)斷，其調光控制電路如圖3所示。

　　6 無(wú)線(xiàn)模塊軟件設計

　　無(wú)線(xiàn)模塊通過(guò)UART串口與系統相連，所以必須對UART進(jìn)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(gè)通用的異步串行接口(UART)，啟動(dòng)時(shí)UART默認狀態(tài)是無(wú)法使用的，必須通過(guò)編程GPIO寄存器來(lái)使能它們。

　　本系統使用UART1與nRF401進(jìn)行連接，UART1帶有調制解調器接口，16字節接收和發(fā)送FIFO。內置波特率發(fā)生器以及包含標準的調制解調器接口信號。

　　在使用UART1時(shí)，先要設置TXD1、RXD1引腳連接方式，然后設置串口的波特率及工作模式，即可進(jìn)行數據的發(fā)送和接收，本系統使用11.0592MHz晶體振蕩器，不適用PLL，VPB為4分頻，設置UART1波特率為9600bit/s，則除數值N=18，即12H，UART1的初始化程序如下：

　　在操作系統環(huán)境下，系統啟動(dòng)時(shí)會(huì )自動(dòng)初始化串行口，所以應用程序調用串行口資源將變得更容易，值得注意的是，應用程序往往是多任意系統，為了實(shí)時(shí)監測串行口消息，在操作環(huán)境中一般單開(kāi)一個(gè)串行口掃描任務(wù)，保證信息不丟失，在一個(gè)已有的工程文件的主函數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(wú)線(xiàn)模塊的控制還有系統的GPIO，所以?huà)呙璩绦蛑羞€要包括對I/O的操作，當系統收到串口信息時(shí)，將會(huì )主動(dòng)向主任務(wù)發(fā)送一個(gè)串行口信息，主任務(wù)接收到該信息將會(huì )調用響應函數，響應該消息。

　　7 結束語(yǔ)

　　無(wú)線(xiàn)通信模塊nRF401集發(fā)射、接收于一體，大大簡(jiǎn)化了燈光控制器設計的復雜程度，智能燈光控制器通過(guò)RS485接口很容易組網(wǎng)，為實(shí)現智能家居網(wǎng)絡(luò )化提供了方便。