智慧家庭设计攻略你不可不知的电路图合集.docx
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智慧家庭设计攻略你不可不知的电路图合集
智慧家庭设计攻略:
你不可不知的电路图合集
【一、家居控制】
基于开关电源的无线智能家居控制系统电路模块设计
针对目前智能家居结构复杂,成本高昂等的缺点,利
用开关电源和单片机设计了一种无线智能家居系统。
它将
控制指令由遥控器通过无线方式发进到控制器上的无线模
块,再由无线模块将指令解析给单片机,通过由单片机控
制的开关电源来控制继电器的开和关,从而达到智能化控
制家电电源开关的目的。
2.1 无线发送模块设计
发送模块主要由 HS1527($1056.0000)无线发码芯片、
声表面滤波器、指示灯及滤波电路等组成,发送模块作为
遥控器来操作,电路图如图 2 所示。
当按下不同的按键 K
时,发码芯片就会通过天线发出不同的编码,编码经过天
线发送到接收模块由接收模块将编码交由控制模块解析处
理,发送模块供电电压 12 V,由电池供电。
图 2 发送
模块主要电路
2.2 无线接收模块设计
无线接收模块由两部分组成,供电部分由
LNK304DN($0.5040)及外围电路组成,该电路可将 220 V
交流电压转换成直流 5 V 电压,分别给接收模块和控制模块
的处理器供电,电路图如图 3 所示。
图 3 控制器供电
电路
无线接收部分主要由解码芯片 SYN500R、晶振和外围
电路组成超外差接收模块,接收模块负责接收来自发送模
块的编码,然后将编码交由处理器处理,处理器处理后通
过放大器将信号放大,然后控制继电器的开和合,接收部
分电路图如图 4 所示。
图 4 无线接收电路
2.3 控制模块设计
控制模块主要由处理器单片机、继电器和外围元件组
成开关电源,con 端接入交流照明电,AC-L 和 AC-N 分别
接入交流电火线和零线,OUT 端连接负载,此系统可以控
制多路负载,实验中该控制模块连接了一个继电器控制一
路负载,控制模块电路图如图所示。
电子发烧友网技
术编辑点评:
目前的智能家居无线远程控制技术还处于不
断发展完善中,在实际应用中也遇到了一些问题。
例如受
当前无线网络信号的干扰、传送带宽方面和稳定性的限
制,使得诸如高质量活动图像传输等一些更高层次的功能
应用仍比较难以实现,但随着我国通信网络的逐步建成,
这些制约都将会被突破,家居智能化以及无线远程控制技
术将会得到更大的发展。
——本文选自电子发烧友网 2014
年 12 月《智慧家庭特刊》“EE DESIGN($9.9900)”栏目
更多关于智能家居设计技巧与精华请下载相关特刊。
智能家居系统电路设计
科学技术发展迅速,借助飞速发展的网络和信息技
术,人们可以足不出户地纵览全球。
为了适应信息化的需
求,科研机构将智能化的理念引入小区管理,并进一步引
入家庭,从而产生了智能家居的概念。
将手机通信和以太
网通信技术引入智能家居的设计,恰好利用了现有的良好
的通信条件,使在外的业主能及时了解家中的安全,提高
业主的安全感,而且通过手机实时控制家电,提高了业主
生活的舒适度。
串行端口电路:
家电控制板采用串口与 XSBase270 实
验箱进行通信,其采用了经典的兼容 RS-232 标准的
MAX232($2.0686)芯片作为串口的电平转换芯片。
电路的
连接如图 2-4 所示:
图 2-4 家电控制板串行接口电路
其中 2 脚 RxD 为接收引脚,3 脚 TxD 为发送引脚,
GND 为信号地引脚。
一般情况下普通串口只接这几个引
脚;特殊的串口,如蓝牙串口除接上述的三个脚之外,还
接了 DSR 引脚和 CTS 引脚,是因为蓝牙串口的数据流输出
采用这两个脚的信号控制;而其他引脚是跟 MODEM 相关
的。
在智能家居系统中,家电控制板接普通串口,GSM 模
块接蓝牙串口。
RS-232 信号相对于信号地而言,在正负电
平之间摆动。
发送数据时,发送端输出的正电平在+5V 到
+15V 之间,负电平在-5V 和-15V 之间。
无数据传输时,线
上为 TTL 电平。
接收器典型的工作电平在+3V~+12V 与-
3V~-12V。
由于发送电平和接收电平的差仅为 2~3V 左右,
所以其共模抑制能力差,加上双绞线的分布电容,信号传
输距离最大为 15m,最高速率为 20kb/s。
MAX232($2.0686)包含 2 个驱动器、2 个接收器和一个电压
发生器电路,提供 TIA/EIA-232-F 电平。
该器件符合
TIA/EIA-232-F 标准,每一个接收器将 TIA/EIA-232-F 电平
转换成 5V TTL/CMOS 电平。
每一个发送器将 TTL/CMOS 电
平转换成 TIA/EIA-232-F 电平。
家电控制电路 图 2-7 模拟家电控制电路
家用电器控制的接口电路如图 2-7 所示,K1~K4 为
继电器,分别控制四路家电的闭合和断开,Q1~Q4 为继
电器线圈电流驱动,电路由单片机的 P1 口进行控制,
DD1~DD4 发光二极管用于显示某路控制电路的工作情
况,主要为了调试电路而设置。
传感器接口电路 图 2-8 传感器接口电路图
烟雾、煤气泄漏、红外等这些传感器的报警信号通过
光电耦合接入单片机的 P2 口,如图 2-8 所示,在传感器
没有报警信号时,光电耦合芯片处于截止状态,与之相接
的单片机端口为低电平;当传感器有报警,传感器输出高
电平,此时光电耦合芯片导通,与之相接的单片机端口为
高电平,由单片机对报警信号进行采集并做出相应处理。
电子发烧友网技术编辑点评:
这是基于 Windows
CE.net 5.0 嵌入式操作系统,以使用 Intel XScale270 为 CPU
的 ARM10 嵌入式实验箱为硬件基础,以 Visual Studio 2005
和 Delphi 为软件开发平台的智能家居系统的设计与实现。
设计融合了嵌入式系统、通讯、单片机、软件开发等学科
的知识。
智能家居中红外遥控电路模块的设计
如图所示为系统遥控发射原理图,P1.0 口为按键输入
口;P2.0 口为红外发射端口,用于输出 38kHz 载波编码,
脉冲经 9013(NPN)放大然后由红外发射管输出;第 9 脚
为单片机的复位脚,采用 RC 手动复位电路;18、19 脚接
晶振。
红外发射电路图 图 4 红外发射电路图
红外接收电路模块
一般的红外接收头主要由集成电路外加阻容元件,红
外线接收管及滤波光片等组成,电路设计相对繁琐,在实
际应用中不方便。
而红外遥控接收头 SM0038 集红外接收
管,前置放大解调等于一体,无外部电路,体积小,密封
性好,灵敏度高,应用简单,用小功率红外发射管发射信
号接收距离达 35 米,并且价格低廉。
它仅有三条管脚,分
别是电源正极、电源负极以及信号输出端,其工作电压在
5V 左右,接收频率为 38kHz,它的主要功能包括放大,选
频,解调几大部分,要求输入信号需是已经被调制的信
号。
从而使电路达到最简化,灵敏度和抗干扰性都非常
好,是一个接收红外信号的理想装置。
如图 5 所示:
接收电路及调光电路
接收电路和调光电路的实现均是通过继电器实现的,
给每一个继电器串联一个电阻,构成一个回路,本电路将
四个继电器回路并联,连接在 P0 口上,当四个继电器均闭
合时,灯最亮,当三个继电器工作时,灯较亮,当两个继
电器工作时灯次亮,当一个继电器工作时,灯最暗,当四
个继电器都不工作时,灯泡处于关闭状态。
接收电路图如
图 6 所示:
电子发烧友网技术编辑点评:
选择的是 51
系列的 AT89C51($3.7875)芯片,AT89C51($3.7875)是一种
带 4k 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压,高性能
CMOS 8 位微处理器。
该器件采用 ATMEL 高密度非易失存
储器制造技术制造,与工业标准的 MCS-51 指令集和输出
管脚相兼容。
由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在
单个芯片中,ATMEL 的 AT89C51($3.7875) 是一种高效微
控制器,为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价
廉的方案。
AT89C51($3.7875) 是一个低功耗高性能单片
机,40 个引脚,32 个外部双向输入/输出(I/O)端口,同
时内含 2 个外中断口,2 个 16 位可编程定时计数器,2
个全双工串行通信口,AT89C51($3.7875) 可以按照常规方
法进行编程,也可以在线编程。
【二、通信 传输】
用于蓝牙低功耗室内灯光能源采集电路设计
此系统参考设计与现有解决方案之间有高度差异,这
种设计不含电池,因此免去了电池更换、电池充电的麻
烦,并且节省了与电池维护相关的成本。
此解决方案还确
保了不存在与安装相关的限制,只要存在普通室内照明即
可。
此外,也没有 ON/OFF 开关;整个负载连接和断开均
由电源管理 IC 处理,因此确保了此解决方案具有自我管理
能力。
能量接收电路设计 CC2541($2.3625)蓝牙低
能量电路设计
经优化的太阳能电池 (Cymbet),适用于室内照明环
境,通过可管理太阳能电池的高效直流/直流升压转换器/充
电器,实现超低功耗,从低输入源实现持续能量收集:
VIN
≥ 80mV(典型值),超低静态电流:
电源管理 IC 的 Iq
小于 330nA(典型值),而 BLE 芯片为 1uA,冷启动电
压:
VIN ≥ 330mV(典型值),可编程的动态最大功率点跟
踪 (MPPT)。
电子发烧友网技术编辑点评:
在短距离低功率无线领
域,似乎蓝牙技术的地位已经不容置疑。
但在功耗和成本
成为主要约束的情况下,应用就受到了限制,较高的功耗
使其应用不能使用功率极小的钮扣电池。
此外,越来越多
的智能产品要求装置和设备之间要能够实现无线协作,以
现行的蓝牙技术。
智能家居专用 STM32($20.3400) 以太网开发板电路设
计
本文档介绍的是一款基于 STM32($20.3400)
ENC28J60($2.3200)以太网开发板。
作为终端,采集房间内
的温湿度、声音、光线等信号,并通过以太网发送出去。
接收端可以为一样的终端,也可以是 PC,甚至是一个简单
的安卓 APP。
可以作为智能家居的学习开发板。
STM32($20.3400) ENC28J60($2.3200) 以太网开发板整个
电路采用 STM32($20.3400)F103RBT6(STM 32F103RBT6
数据手册)作为主控制芯片,以太网芯片
ENC28J60($2.3200)S 和 NRF24L01($1.4400)
(NRF24L01($1.4400)数据手册)无线模块实现无线通讯。
功能模块包括:
TM32 开发板最小系统、电源模块、
LCD1602 液晶显示模块 NRF24L01($1.4400)无线模块、
ENC28J60($2.3200)以太网模块等。
原理图展示:
电子发烧友网技术编辑点评:
以太
网构成智能家居的数据传输网络,不仅可以避免重新布线
的麻烦,同时可以提供可观的数据吞吐能力,并且可以平
滑过渡与互联网相连接。
依据以太网这些优点,提出一个
基于 STM32($20.3400) ENC28J60($2.3200)以太网终端的
解决方案,满足了智能家居远程控制的基本需求。
【三、家居安防】
智能家居安防无线监控报警系统电路设计
无线监控报警系统主要由 GSM 短信模块、监控者手机
和智能监控模块组成,GSM 模块主要提供系统和用户之间
的通信信道。
智能监控模块及其外围电路可实现对周围数
据的采集和监控,如果监控对象正常的话就继续循环监
测,如果出现问题,微控制器即采用 AT 命令通过 GSM 短
信模块发送短信息给监控者,监控者也可用短信息的命令
形式去设置以微控制器为核心的智能模块,以及发送短信
消息查询命令和监控情况,从而达到无线监控的目的。
PT2272 组成的接收电路
PT2262/2272 配对使用可组成遥控发射和接收电路。
其中 PT2262 组成遥控器,PT2272 组成接收器,它们必须
工作在同一频段,地址编码必须完全相同才能配对使用。
发射电路用来发射 3I5MHz 的高频载波,将编码后的地址
码、数据码、同步码随同载波一起发射出去,接收电路将
发射电路发射出的信号有效地接收过来,经过放大后,再
送入解码电路解码后,变成所需的电信号。
当解码芯片
PT2272 接收发送过来的信号时,VT 脚输出一个正脉冲,
经 9014 取反后向单片机产生一个中断请求,CPU 接到中断
信号后读取 PT2272 芯片的内容,与此同时,相应的数据脚
也输出高电平。
如果发送端按键一直被按住,编码芯片也
会连续发射。
当发射机没有按键按下时,PT2262 不会与电
源连通,所以 315MHz 的高频发射电路不工作。
PT2272 组
成的接收电路设计图见图 2。
PT2272 解码芯片分为锁存输出和非锁存输出。
后缀数
字 n 表示有 n 路并行的控制通道,当采用 n 路并行数据
时,对应的地址编码应该是位。
地址输入端,有三种状态
可供选择:
悬空、接电源、接地;数据输出端,只有两种
状态可供选择:
接电源、接地。
本次设计选用 PT2272-
M4,即采用非锁存输出、地址码 8 位、数据码 4 位。
图 2 PT2272 及射频接收模块组成的接收电路
TC35 模块
TC35 主要由 GSM 基带处理器、GSM 无线模块、电源
模块、闪存、ZIF 连接器、天线接口 6 部分组成,共有 40
个引脚, 通过一个 ZIF 连接器引出。
这 40 个引脚可以划
分为 5 类, 即电源、数据输入/输出、SIM 卡、音频接口
和控制。
第 1~14 脚为电源部分, 其中 1~5 为电源电压
输入端 Vbatt+,6~10 为电源地 GND, 11、12 充电引
脚,13 对外输出电压,14 为 ACCU—TEMP 接负温度系数
的热敏电阻;24~29 为 SIM 卡引脚;33~40 为语音接口
用来接电话手柄;15、30、31 和 32 脚为控制部分;16~
23 位数据输入/输出。
TC35 模块及其外围设计电路图见图
3。
使用 TC35 这个模块时需要注意以下几点:
(1)模块
上电 10ms 后(电池电压须大于 3V),为使之正常工作,必
须在 15 脚(IGT)加时长至少为 100ms 的低电平信号,且
该信号下降沿时间小于 1ms。
启动后,15 脚的信号应保持
高电平。
(2)SIM 引脚中的 CCIN 引脚用来检测 SIM 卡支架
中是否插有 SIM 卡。
当插入 SIM 卡,该引脚置为高电平
时,系统方可进入正常工作。
(3)TC35 的 SYNC 引脚有两
种工作模式,一种是指示发射状态时的功率增长情况,另
一种是指示 TC35 的工作状态。
本模块使用的是后一种功
能,即当 LED 熄灭时,表明 TC35 处于关闭或睡眠状态;
当 LED 为“600ms 亮/600ms 熄”时,表明 SIM 卡没有插入或
TC35 正在进行网络登录;当 LED 为“75ms 亮/3s 熄”时,表
明 TC35 已登录到网络,处于待机状态。
本文系统介绍
了无线监控报警系统的工作原理、总体设计框图,对系统
的内部组成部分——电源、单片机、PT2272、TC35 进行了
阐述,并给出了 PT2272 和 TC35 的具体设计电路图。
这篇
文章是针对家庭安全设计的一款无线监控报警系统,也可
用于其它场合。
借助最可靠、最成熟的 GSM 移动网络,直
接将警情以短消息(短消息是全球移动通信系统中最简便
的数据通信方式。
随着短消息业务的日益完善,短消息已
具备承载重要数据信息的能力)的形式反映到用户手机显
示屏上,具备可靠性强、体积小和功耗低等特点。
电子发烧友网技术编辑点评:
介绍了一种家居安防无
线监控报警系统的硬件电路设计方法,它以 SM89516A 单
片机为核心,通过控制由解码芯片 PT2272、射频接收模块
组成的接收电路,对感应器采集到的报警信息进行处理,
通过控制 TC35 模块以 GSM 短消息的方式实现合法用户手
机与监控报警系统之间的指令与数据接收和发送。
该报警
器具有现场警笛报警和无线报警功能。
智能电话远程家电控制系统电路设计
提出了通过远程电话实现智能家电控制系统的一种实
现方案。
介绍了家电和电话之间的控制接口电路, 讨论了
系统结构及硬件。
智能家电是将计算机通信网络技术与数
字技术,以简单精巧的形式融入到传统家电中,使家电具
备智能化和信息网络功能。
智能家电的产生和发展将对传
统家电、计算机和通信业产生深远影响。
双音多频信号解码电路
DTMF 双音多频信号解码电路是目前在按键电话、程
控交换机及无线通信设备中广泛应用的集成电路。
双音多
频信号是一组由高频信号与低频信号叠加而成的组合信
号,本系统采用 HT9170 作为 DTMF 信号的解码核心器
件,如图 2 所示。
HT9170 是一个具有数字解码和滤
波功能的双音多频信号接收器,通过三次滤波和两次数字
解码电路将 DTMF 信号输入转换为四位并行二进制码数字
信号输出。
芯片内有一个内置的放大电路对输入信号进行
调整。
其预置滤波电路可将 350Hz ~400Hz 信号滤掉,再
通过低通滤波电路和高通滤波电路将信号分解为低频信号
和高频信号。
利用数字计数的方法对 16 种 DTMF 输入进
行解码,并产生 4bit 的代码输出。
当 HT9170 接收到远端
用户发送的 DTMF 信号时,其 DV 引脚被置成高电平,同
时 DTMF 信号被送至内部电路进行解码,将 OE 脚置成高
电平后,其 D0~D3 脚输出四位并行二进制数据,DTMF
输入与解码输出对应关系如表 1 所示,其中 Z 为高阻态。
输出的四位并行二进制数据直接与单片机的 P0. 0~P0. 3 连
接,读入至单片机处理。
振铃检测与上线 P 离线开关电路
电话被呼叫时,交换机发来振铃信号。
振铃为连续的
正弦波,电压有效值 50V ±12 V ,振铃周期约为 5 秒。
为
避免用户呼叫系统时产生的高压振铃信号对 DTMF 信号解
码电路产生危害,在系统待机及振铃时,DTMF 信号解码
电路应处于离线状态。
只有在系统检测到振铃并自动摘机
后,DTMF 信号解码电路才处于上线状态 。
系统抛弃
了一些复杂的,兼容性差的芯片,取而代之的是得到广泛
应用并且控制简单的 DTMF 双音频解码芯片和单片机,识
别率高,并且技术成熟,使得系统可以在复杂环境下稳定
工作。
此外,可以通过进一步的高级菜单设计与驱动电路
设计来完善控制单元,增加控制家电的运作时间、风速等
级等复杂操作,使远程家电控制方式更加智能化。
电子发烧友网技术编辑点评:
介绍的电话远程智能家
电控制系统以标准程控交换信令作为系统控制命令,实现
对家用电器等设备的远程控制。
广泛应用并且控制简单的
DTMF 双音频解码芯片和单片机,识别率高,实现方案制
作简单、投资低,此外由于价格低、使用方便等特点而便
于推广。
【四、家庭保健】
睡眠呼吸暂停症监视电路设计
每年因为睡眠呼吸疾病死去的人不在少数,很恐怖
吧。
这就是睡眠呼吸暂停症,一般在诊断患者是否罹患睡
眠呼吸暂停症是指患者在睡眠中出现呼吸暂停和低,通气
的总次数超过每小时 5 次。
如何保证家里的睡眠呼吸暂停
症患者安全睡眠呢?
本文将介绍一种无线型睡眠呼吸暂停
症监视系统电路设计。
生理参数测量计
心跳变化使用的感测组件为光传感器,主要利用人体
心脏收缩时血管中的血流量及血氧浓度会因此而产生变
化。
本系统采用光耦合器(CNY70($0.5376))利用光反射
法侦测血管末端血流量的变化。
音频信号接收器主要是接
收睡眠时因呼吸道阻塞所产生的鼾声,本系统采用电容式
音频接收器作为信号接收的主要组件,利用接收音波压力
改变振动膜的位移量,使振动膜与铝质外壳间的电容 CT 随
着音波强弱改变电容量,再经 FET 完成阻抗的转换产生
RECM,使 REXT 和 RECM 的分压改变,得到不同的输出。
图 1 为音频接受器内部架构及动作原理。
图 1 音频接
受器内部架构及动作原理
呼吸传感器的工作原理是利用呼吸时胸腔会产生起伏
而拉动卧式可变电阻因而产生电阻值的改变。
生理信号感测电路
心跳变化时,传感器所测量到的信号,包含有直流偏
压(DC Offset)、心跳变化的信号、呼吸及肌肉颤动、60Hz
及高频的噪声,其中心跳变化的信号为所需的信号,其它
信号一律视为噪声,因此分别采用硬件的前置滤波电路及
软件两种处理方式,以消除不同的噪声对测量所造成的影
响。
前置滤波电路主要特点是可以减轻软件程序进行数字
信号处理所需的运算量及时间,避免造成信号处理过程中
延迟情形。
图 2 为心跳感测电路。
呼吸感测电路
利用呼吸时胸腔的起伏拉动卧式可变电阻改变电阻值
因而产生的电压变化,经由信号放大电路、比较电路,即
可判断呼吸的情形。
图 3 为呼吸感测电路。
CPU 及显
示电路
图 4 所示为本系统 CPU 及显示电路。
CPU 是使用盛
群半导体股份有限公司所生产的 HT46R24 微控制器,其中
由 Port A 及 Port C 驱动 15*4 中文显示型 LCD,作为生理
参数数据的显示,Port B 为生理参数及定时器的输入端,
而 Port D 则经过 MAX232($2.0686) 准位转换做串行传
输。
生理参数测量计之程序如下:
在生理参数测量时
为了避免读取到身体翻转时的错误信号,利用多重读取的
方式加以避免,在信号变化时连续读取,且每次读取间加
入一段时间延迟,再经过比对读取的信号是否相同,此方
式可降低信号读取时的错误率。
处理完成后的生理参数资
料存放于微控制器的缓存器,并通过中文型 LCD 显示所测
量到的生理参数。
蓝牙无线模块传输方面,主要将储存在
微控制器内部缓存器的生理参数数据通过 RS-232 串行传输
与个人计算机间做数据通讯。
电子发烧友网技术编辑点评:
在设计单芯片微控制器
时,必须以时间轴为基准,测量各项生理参数,才能于重
建时找出各个生理参数间的关系。
为了使生理参数测量计
的体积小型化, 必须选择低消耗电量及体积较小的组件,
并使用微控制器使整体电源消耗最小化。
蓝牙无线传输模
块为低功率消耗且高安全性的无线数据传输设备。
【五、智能照明】
通用照明应用的可调光 LED 驱动器电路设计
近年来,世界上多个国家制定政策以分阶段淘汰白炽
灯泡。
荧光灯及紧凑型荧光灯(CFL)的能效比白炽灯高,
但含剧毒物质汞,存在环保顾虑。
相比较而言,具
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- 智慧 家庭 设计 攻略 不可 不知 电路图
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