家庭电路设计原理精选(九篇)

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第1篇：家庭电路设计原理范文

关键词：UDF；DVD；系统设计

中图分类号：TN946.5 文献标志码：A

1概述

近年来，随着第二代可重记录、可重写入、大容量碟片的发展，传统的适应第一代的文件系统ISO-9660越来越显得不适应新一代的碟片发展趋势以及电脑业与娱乐工业（如DVD行业）的发展。因此一些企业开发自己的标准来完成对数据的访问、存储和散布，这样一来使得从一种格式向另一种格式传递数据就显得很困难。UDF支持大容量数据的存储、可以节省文件的存储空间、支持UniCode character、支持长文件名、具有更好的数据交互性等特点。将UDF技术要用到DVD系统中被认为是实现家庭娱乐与PC之间一体化的最有效方式。因此，本文以凌阳SPHE 8203H微处理器为核心设计了基于UDF的DVD系统，促进家庭娱乐系统与PC机的一体化发展。

2 DVD系统整体设计

本DVD系统包含了微处理器（凌阳的SPHE 8203H）、Flash、SDRAM、Loader以及音视频接口等。在设计中，电源使用了一般DVD机的供电模块，接入220V交流电源，经过电平转换，可以同时为CPU、Loader以及音频模块提供1.8V、5V以及12V电压。微处理器通过伺服模块与碟片进行数据交互，读取其中的信息并将其播放出来，DVD系统的整体框图如图1所示。

3 系统硬件设计

3.1 微处理器电路的设计

本系统采用凌阳SPHE 8203H作为系统微处理器，此款芯片共有126Pin，集成度高，功能齐全，扩展性好，支持USB2.0、支持Card、支持CD Ripping、支持文件拷贝、支持DVB、支持5.1声道、支持HDMI等。

3.2 电源电路设计

电源采用的是DVD机的供电设备，输入标准的220V市电，输出±12V和+5V直流电压，经过AMS1085电源芯片，电平转换后，输出给系统中的微处理器、SDRAM、FLASH模块上所需的1.8V和3.3V电源，其中±12V输出给音频电路部分使用。

3.3 Memory模块电路设计

本DVD系统中，由于程序的总体比较大，处理的信息较多，因此在主IC加入Flash，用来存储程序和一些信息。为了使系统在运行时能够更快速、实时性更高，我们加入了一块SDRAM芯片。

3.4 视频模块电路设计

系统中，由于对视频的解码部分以内嵌至微处理器中，因此视频电路主要是控制硬件的工作方式（半电流还是全电流模式）和视频滤波的作用。

4 UDF模块程序设计

本DVD系统平台所使用的程序是单线程的，系统在状态机的模式下运行，通过polling（）函数检测状态的改变，然后将系统的状态变量更改为当前状态，然后进入当前状态的循环，等待系统状态的再次改变。系统的整体框架如图2所示。

5 系统搭建与调试

5.1 系统搭建

本DVD系统平台主要由DVD系统板、电源、Loader、TD小板构成，通过排线和扁排线链接，通过TD小板与PC机相连，可用于程序的下载和串口调试。将各个模块通过铜柱和螺丝固定在一块塑料板上，防止期间的短路并且方面测试等操作。在调试时还需要一台电视机和PC机，如图3所示。

5.2 系统调试

将里面已经烧有程序的Flash放入搭建好的系统平台，上电运行，看是否会出现开机Logo，若出现，则说明系统工作正常，否则要检查Flash和SDRAM两部分电路是否有问题。经测试，系统可以正常工作。

结语

本文详细介绍了以凌阳SPHE 8203H微处理器为核心的系统硬件平台的搭建过程和一些具体指标的测试，介绍了UDF在DVD系统中的程序设计流程和具体实现，以及系统调试。测试显示该系统具有支持大容量数据的存储、更好的数据交互性等特点，促进家庭娱乐系统与PC机的一体化发展。

参考文献

第2篇：家庭电路设计原理范文

关键词:红外遥控; 功能复用; 软件解码; 开关控制

中图分类号:TP29文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)15-0163-03

Principle and Design of Intelligent Infrared Teleswitch

XIANG Yan1, YU Bing-xiong2, La Li-yi3

(1. Guandong Institute of Science and Technology, Zhuhai 519090, China;

2. School of Phiysics & Telecommunication Engineering, South China Normal University, Guangzhou 510006, China;

3. Raoping Gongtian Vocational School, Chaozhou 515700, China)

Abstract: The principle and design of an intelligent infrared teleswitch are introduced. The teleswitch is designed on the basis of AVR signal chip computer, can identify and remember the infrared signal coding emitted by the common remote controller, and can compare the received infrared signal with the data stored in the E2PROM by the single chip microcomputer to achieve the control of the on-off of the teleswitch and the multiplexing function of the controller. The system using the capacitance step-down DC power has the quality of simple structure, small size, light weight, and is safe and reliable for the household appliances.

Keywords: infrared teleswitch; function multiplex; software decoding; switch control

0 引 言

红外遥控是当前使用最为广泛的通信和控制手段之一,由于其结构简单、体积小、功耗低、抗干扰能力强、可靠性高及成本低等优点而广泛应用于家电产品、工业控制和智能仪器系统中[1]。然而市场上的绝大部分遥控器都是针对各自特定的遥控对象设计的,不能直接应用于通用的智能仪器研发及其更一般的控制场合[1-3]。通常情况下,一般家庭所使用的电视机、空调、VCD/DVD等家用电器都使用了红外遥控器,而这些红外遥控器都是针对各自产品所设计的,从而导致了一般家庭中拥有数个遥控器,那么,能否将这些遥控器的功能进行复用,进而减少遥控器的数量,使遥控器的功能更加强大,就显得十分必要了。

电源开关广泛应用于家庭、工厂、仓库、以及办公室等场所。传统的机械式电源开关存在接触电阻大、易磨损、可靠性低以及寿命短等缺点[4],特别是当家用电器的遥控器繁多的情况下,如果能借助这些遥控器设计开关用于代替传统的机械式电源开关,不仅节约了成本,而且操作方便。使用电视机等家用电器的遥控器实现开关操作,安装和代换都很方便,可以用它代换家居中非常普及的墙壁开关,从而提高遥控器在家电领域的实用价值。

1 工作原理

智能红外遥控开关主要由红外接收、放大整形、微控制器、开关控制以及降压电源等模块组成,其原理框图如图1所示。

图1 原理框图

智能红外遥控开关的功能是将常见家用电器的遥控器,如电视机、VCD/DVD等,由用户任意指定一个按键作为这个红外遥控开关的控制键。使用时,用户按下智能红外遥控开关的“学习”按键,然后再对准遥控开关的红外接收头按下遥控器上指定的这个开关控制按键,遥控器发出的红外编码信号经过红外接收头接收后,再经过放大整形,输入到微控制器,微控制器通过内置的E2PROM记住遥控器这个指定按键的编码。那么,用户下次使用时,当按下遥控器这个指定按键后,其发出的红外编码信号同样经过红外接收头,放大整形后输入到微控制器,由微控制器发出控制信号控制开关控制模块里面继电器的导通与断开,进而控制输出电压的通断。

为了保证对各种用电器实现遥控开关控制,那么控制信号就一定要稳定、安全。为此,在传输过程中要使各模块间的通信信号足够强,这就要求电路的电源能够独立给电路各部分供电。因此,红外遥控开关还必须拥有降压电源模块。

2 电路设计

硬件电路设计包括电源电路的设计和解码电路的设计两部分。电源电路是为解码电路提供电源而设计的,除了要求电压稳定外,还要求其体积小,成本低。解码电路要求能对红外编码进行可靠地接收,同时要能够稳定地控制继电器的开关。

2.1 电源设计

考虑到解码电路的功耗很小,所以电源的设计采用电容降压式电源。它比变压器电源和开关电源的设计要简单得多,而且体积小、成本低,适合作为遥控开关的电源。电源设计的原理图如图2所示。MC2为降压电容器,D1为半波整流二极管,D2在市电的负半周时给MC2提供放电回路,ZD1是5.1 V稳压二极管,R1为关断电源后MC2的电荷泄放电阻。

图2 电源电路

电容降压式电源是利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制最大工作电流。当交流电压为220 V,频率为50 Hz的工作条件下,电容器MC2在电路中的容抗XC(单位:Ω)为:

XC=12πfC=12×3.14×50×1×10-6=3 18471

流过电容器MC2的充电电流IC(单位:mA)为:

IC=UXC=2203 18471=69.08

第3篇：家庭电路设计原理范文

（延安大学物电学院，陕西延安716000）

摘要：采用NE555 定时器设计一种自动晾衣杆控制电路，其利用光传感器或温度传感器将天气变化的状态输入NE555内，通过NE555内部的单稳态触发器动作来控制电动机的正转（即上升）或反转（下降）；利用光敏三极管将光照强度控制输入，从而控制三极管的导通或截止，以此来驱动外部机械装置，实现收衣服和晾衣服的功能。该自动晾衣杆的电路设计具有成本低、反应快、能耗小、寿命长、可靠性好等特点。

关键词 ：NE555；自动晾衣杆；时基电路；光敏三极管

中图分类号：TN702?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）20?0104?03

Design of clothes?aired pole system based on time?base circuitSHI Yanmei

（College of Physics & Electronic Information，Yan’an University，Yan’an 716000，China）

Abstract：A control circuit of automatic clothes?aired pole was designed by adopting NE555 timer. The state of weatherchanges is input into NE555 by opto?sensor or temperature sensor. The foreward rotation（up） or reversion rotation（down）ofthe motor is controlled by the action of monostable trigger inside the NE555. The input is controlled by illumination intensity ofthe phototriode，and so the breakover or cut?off of the triode is controlled for driving the external mechanical device and achievethe functions of clothes collection or clothes hanging . The circuit design of this automatic clothes?aired pole has the characteris?tics of low cost，quick reaction，low energy consumption，long lifetime and high reliability.

Keywords：NE555；automatic clothes?aired pole； time base circuit；photo transister

0 引言

晾衣杆，从远古时期就一直存在，远古时期的人们将晾晒的东西，直接就挂在树枝上，这就是最早时期的“晾衣”。随着时间的推移，人类不断文明，发展。近代的人们就地取材，一般是用绳子、木棍或竹竿简单的搭起来，便成了简单的晾衣杆。这种传统的晾衣方式其弊端是不方便、占用的空间比较大，即不美观又不实用。20世纪80年代不锈钢的出现，不锈钢管材料出众的性能和漂亮的外观人们纷纷淘汰了简易晾衣杆，在阳台上安装了由不锈钢焊接成的固定晾衣杆。由于需要焊接和切割，一般的家庭都没有这些设备，80年代后期就有小作坊在生产不锈钢晾衣杆。90年代我国经济的飞速发展，城市建设如火如荼的进行着，高楼大厦如雨后春笋般的涌出，晾衣杆的需求量也不断的加大，再加上人们对环境要求的不断提高，有些小作坊生产厂家们开始加大投资，引进新型材料自己研发设计，生产出自动升降晾衣杆。自动升降晾衣杆方便，美观、人性化，性能优越，价格又大众化。2000年后期，市场开始有了比较高端的智能电动晾衣杆，可遥控，有带烘干功能，甚至带有紫外线杀菌功能。而自动晾衣杆与其他智能家居产品配套使用，更可以体会现当今生活的快捷方便，使得社会各成员都切实感受到科技带来的生活新体验。

在21 世纪的今天，晾衣杆成为生活中的必须品，广泛的应用于学校、家庭、宾馆等；随着人们的物质水平的提高，人们对晾衣杆的要求也越来越高，从而自动晾衣杆也应运而生，智能化、自动化等电器设备正在人们生活中占据越来越重要的地位；

“晾衣杆”通常分为手动、电动两种[1]。手动较为普及，电动还未普及推广。高端的智能电动晾衣杆一般采用单片机控制，由于技术和价格关系，在市场占有率比较低，目前还没有新的晾衣杆能撼动自动升降晾衣杆的霸主地位。在许多方式的自动控制中，光控是一种比较经济、方便、简单的控制方式，该装置可以在晴雨天自动收衣物，也可远程控制，相比传统的晾衣方式，有诸多的优点[2]。因此，采用价格低廉的555 定时器和光控元件等设计了一种自动晾衣杆电路。

1 自动晾衣杆设计思想及工作原理

1.1 设计思想

利用555 定时器工作于单稳态触发电路来实现对晾衣杆电机的控制。整个控制电路由光控电路、555定时器、电源电路以及一些外围器件组成。其设计方框图图如图1所示。

NE555光控自动晾衣杆电路是利用自然光线自动控制晾衣杆的上升与下降的家用自动控制装置。当夜晚到来时，变暗的光线通过控制电路使晾衣杆下降；天亮后，光线通过控制电路使晾衣杆上升。自动晾衣杆主体，用丝杠实现传送，端点的微动开关，可以防止衣架传送到边界后，受阻负载加重烧毁电机的危险。具体为，衣架抵达端点后，触动微动开关经处理，可控制电动机的驱动，即在抵达边界后，使电动机停止。

1.2 NE555时基电路及其工作原理

NE555（Timer IC）为8脚时基集成电路，最早是20世纪由Signetics Corporation，在当时是惟一非常快速且商业化的Timer IC[3]。NE555 的作用范围很广，但一般多应用于单稳态多谐振荡器及无稳态多谐振荡器[4]。NE555的内部等效电路如图2所示。

当控制端5脚没有外加控制电压或直流电路时，比较器CA1的反相输入端的基准电压（又称阈值电平）Vth1=2 VCC 3 ，其同相输入端6脚为阈值触发电压输入端；比较器CA2的同相输入端的基准电压（又称触发电压）Vth2=VCC 3 ，其反相输入端2脚为触发电压输入端。两电压比较器输出控制R?S触发器工作状态，触发器设置复位端4 脚，该端低电平时，电路优先复位，输出端3 脚为低电平[5]。

当比较器CA1的6脚输入的阈值电压V6>Vth1时，若此时比较器CA2的触发端2脚不加触发信号时，V2>Vth2，输出端3脚为低电平“0”。而且，此后即使阈值电压V6下降致V6<Vth1，亦能维持上述状态不变。当2脚输入一个触发信号，使V2<Vth2时，触发器翻转，输出端变为高电平“1”，输出电压为电源电压的2 3 。而且此状态维持不变，不受2脚电位V2上升的影响，直到6脚阈值电压V6再次大于Vth1时，电路才再次翻转，输出端再次变为低电平“0”。当复位端4脚为低电平“0”时，输出端为低电平[6]。

2 自动晾衣杆电路设计

利用NE555时基电路工作于单稳态触发器的状态下来实现晾衣杆的自动控制。所设计的NE555光控自动晾衣杆电路原理图如图3所示。

整个自动晾衣杆电路由光控电路、直流电动机正反转驱动和延时控制电路等组成。为了方便操作，电路中还有手动操作开关。光敏三极管V1与晶体管V2组成光控电路。早晨到来时，光照增强，V1 导通，使V2 的基极为低电平，这一低电平加至IC1 的Pin2 脚，使IC1 的Pin3脚输出高电平。这时V2 处于截止状态，它的集电极输出高电平，这一高电平加至IC2 的Pin2 脚，使IC2 的Pin3脚为低电平[7]，使电动机M正转，使晾衣杆上升。当电动机上升到位时，IC1又由暂态转为稳态，起Pin3脚恢复为低电平，使电动机M停止转动。当夜晚到来后，光照减弱，V1的内阻增大，它的集电极与V2的基极为高电平，V2导通，集电极为低电压加至IC2 的Pin2 脚，使IC2 的Pin3脚输出高电平。此时，V2 基极的高电平加至IC1 的Pin2脚，使IC1的Pin3脚为低电平，使电动机反转，晾衣杆下降，当到位时，单稳态触发器恢复为稳态，IC2 的Pin3脚变为低电平，电动机M停转。控制电路中对电动机的停止是通过单稳态电路的延时控制部分来实现的。由于IC1与IC2组成的电路是单稳态电路，它的暂稳态延时时间由RP1，RP2 与C1，C4 来决定的。在电路调整过程中，当晾衣杆上升或是下降至接近一端时，分别调节RP1 或RP2，使单稳态电路的延时结束，使电动机停转。

S1～S3为手动开关。采用手动控制时，应将S3关断，使光控电路失效。按动S1时，IC1触发翻转，电动机M正转，使晾衣杆上升；按动S2时，IC2触发翻转，电动机M反转，使晾衣杆下降。

3 结语

采用NE555时基集成电路设计了一种光控自动晾衣杆电路，利用环境光线的照射来实现自动晾衣杆的上升与下降。系统电路由光控电路、NE555组成的单稳态触发器电路和电源电路等组成，通过焊接、安装和调试，该电路能比较好地自动控制晾衣杆，与采用单片机等自动晾衣杆电路相比，该自动晾衣杆控制电路具有制作简单、实用性强、成本低、反应快、能耗小、寿命长、可靠性好等特点。

参考文献

[1] 潘清明，丁左武.防雨、防暴晒、夜晚能自动收缩的智能晾衣架设计[J].机电产品开发与创新，2007（6）：71?81.

[2] 林若波，李锡丰.晴雨智能晾衣架的设计[J].电子技术，2006，33（6）：27?32.

[3] 阎石.数字电子技术基本[M].5版.北京：清华大学出版社，2012.

[4] 周晓珏.一种由555 定时器实现的双音报警电路[J].数字技术与应用，2012（2）：98?99.

[5] 张友汉.电子线路设计应用手册[M].福州：福建科学技术出版，2000.

[6] 陈有卿.555时基集成电路原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2006.

[7] 黄继昌.电子元器件应用手册[M].北京：人民邮电出版社，2004.

[8] 刘远社.基于555 时基电路的电容式传感器测量电路[J].西南民族大学学报：自然科学版，2015（3）：338?340.

[9] 刘钰琼.连接控制组合国产化设计：555时基电路的应用[J].硅谷，2014（22）：19?21.

第4篇：家庭电路设计原理范文

关键词：电子日历 单片机 时钟芯片 可控温式

中图分类号：TH714 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2015）04-0011-01

在这个电子系统应用很广泛的领域，为了能够使大家使用方便快捷的方式去享受生活，设计人员在最小的空间里实现最多的功能，以此来提高系统的速度与可靠性。比如银行、酒店、公交车等一些公共场所随处可见的电子日历。让大家更舒适、更便捷的体会生活，本文具体介绍和说明可控温车载电子日历的设计。

一、可控温车载电子日历的方案选择

1.整机设计方案的选择

电子日历的设计与实现方案主要有两种选择，一个是利用单片机编程来控制实现，另一个是利用数字电路而实现。利用数字电路来实现虽然在硬件各方面连接比较简单，但是实现数字电路一定要运用移位寄存器存储对字符数据，而后串行输入进数码像管之上，不仅仅如此，还需要相当一部分的扩展电路才能得以实现，并且设计出来的数字电路成本高、灵活性比较差且不容易调试。

2.温度传感器的选择

温度传感器采用DS18B20，因为DS18B20采用的是单线接口的方式，它连接微处理器时只要一根线就可以实现双向的通讯；它可以更宽的适应电压范围；且支持多地点组网测温；价格也比较低廉；另外在使用过程中它不需要任何的外部元件，全部的传感元件和转换电路均集成在一个譬如三极管的集成电路之内。

3.时钟芯片的选择

时钟芯片采用DS12887时钟，因为DS12887芯片是一种性能很高的时钟芯片，它可以自动的对秒、分、时、日、周、月、年进行计数，并且精度很高，因为其自带晶体震荡器及电池，所以它可以在没有外部电源的情况下工作10年。另外它能够计算出2100年前的秒、分、时、日、周、月、年七种日历信息。

4.单片机芯片的选择

硬件核采用89S51芯片，因为AT89S51芯片是一个具有较低功耗、较高性能CMOS 8位的单片机，单片内含有4k Bytes ISP的能够反复擦写一千余次的只读Flash程序存储器，存储器件采用的是ATMEL公司的非易失性、高密度存储技术制造的，芯片内集成了通用的ISP Flash存储单元和八位中央处理器，作为功能强大的微型计算机――AT89S51能够为很多嵌入式的控制应用系统提供性价比很高的解决方案，另外还因AT89S51是现如今市场上的主流产品，它的价格也相对较低。

二、可控温车载电子日历的硬件设计

1.可控温车载电子日历电路的组成

电路主要由时钟芯片、CPU（AT89S51）、键盘、驱动电路、温度采集、显示电路组成。其中键盘调整可以对显示的内容进行切换及对时间进行调整。

2.可控温车载电子日历系统的硬件概述以及整机的工作原理

可控温车载电子日历的设计采用的CPU功耗低，性能高的CMOS 8位单片机AT89S51芯片；时钟芯片采用的是Dallas公司（美国达接斯半导体公司）推出的串行接口DS12887实时时钟芯片，是由CMOS技术制成的，它具有时钟芯片备份锂电池和内部晶振；LED灯显示部分采用了四个共阴型数码像管，显示采用的是动态扫描并行输出方式；驱动电路采用了ULN2003芯片。整机的工作原理：首先初始化时钟芯片DS12887，其次是CPU通过时钟芯片读出时间和日期信息，并从温度传感器处采集到温度送至驱动电路从而到达LED显示，其中键盘调整可以调整时间，调整时间时它的更改值写入到DS12887，同时允许DS12887时钟芯片更新时间并读出时间送LED显示，时间和温度值交替着显示在数码像管上。

3.数码像管显示电路设计的选择及工作原理

数码像管显示电路设计选择的是LED数码像管动态扫描，LED显示数码像管价格相对适中，显示数字是最合适的，并且其采用动态扫描法连接单片机时，占用的单片机口线比较少。

LED显示器的工作原理：数码像管显示电路采用的是LED动态显示方式，就是轮流一位一位的点亮显示器的每个位（扫描），对LED显示器的每一位来讲，间隔一段时间进行点亮一次。利用人的视觉暂留效应能够看到整个显示过程，但是首先要保证扫描速度够快，字符才不会闪烁。LED显示器的亮度不但与间隔时间和点亮时间的比例相关，还与导通电流相关。适当调整电流和时间的参数，便可以实现相对高和稳定的亮度显示。

三、可控温车载电子日历的软件系统设计

可控温车载电子日历的软件设计是采用单片机汇编语言程序设计来实现的。目前采用汇编语言程序来开发系统是非常高效、方便、易懂的。主程序主要是实现显示的初始化和调用各个子程序工作的功能，读取时间的子程序主要是实现初始化，时间信息的采集和显示段码的存取。在显示刷新子程序中采用LED动态显示方式，每从显示缓冲区中取出一个段码再由译码器送出，相应位码由ULN2003送出，轮流交替显示。

参考文献

[1]李光飞等.单片机课程设计实例指导.北京航空航天大学出版社.2004.

[2]孙进生.电子产品设计实例教程.冶金工业出版社.2001.

[3]李忠波.电子技术.机械工业出版社.2002.

第5篇：家庭电路设计原理范文

关键词：ZigBee协议; 光伏发电; 智能防盗; GSM网络

中图分类号：TN911-34 文献标识码：A 文章编号：1004-373X(2011)21-0183-03

Application of Photovoltaic Power Generation and ZigBee Wireless

Network in Intelligent Anti-theft System

CHAI Wei-lu, NIU Yi-bo, SONG Yun-tao

(School of Information Engineering， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001, China)

Abstract：

The application of photovoltaic power generation and ZigBee protocol in intelligent anti-theft system is introduced. To achieve the purpose of alarm, the infrared sensor was used to detect body temperature, the signal was transmitted to host computer via wireless sensor network by using low power 2.4G chip JF24C, the alarm signal was sent after the computation and was transmitted to people by GSM network and video monitoring. It is mainly for houses, shops and banks to ensure property security. The system with photovoltaic power and household power source, is more environmental and stable for low carbon and energy saving, and has high security.

Keywords： ZigBee communication protocol; photovoltaic power generation; intelligent anti-theft; GSM network

基金项目：教育部资助的郑州大学“大学生创新性实验计划”立项项目:光伏红外远程家庭智能防盗系统

随着社会的发展和人民生活水平的提高，人们对于生活环境的安全性要求日益提高。安全可靠的报警系统已经开始进入商场、店铺、银行等重要单位或公共场合，甚至有些家庭也安装了报警系统。报警系统在保障公共、个人财产安全的同时，其性能之好坏也愈发显得重要。目前市场上的热释电红外报警系统功能较为单一，不能更好地起到安全防护的作用，不能更好地应付诸如断电等突况。本文介绍的光伏红外远程报警系统把光伏电源与家用电源相结合、报警与录像监控相结合，再加上ZigBee 无线热点传输技术，不仅拥有了比普通报警器更强的反破坏能力，还有环保低碳的特点。

1 总体设计方案

光伏红外远程报警系统总体设计图如图1所示。

1.1 电源提供模块

(1) 光伏电源为各个无线设备提供电力，为有线设备提供辅助电力。

(2) 家用电源连接变压装置以及蓄电池构成供电电源。

1.2 红外传感模块

无线热释电红外传感器利用菲涅尔透镜以提高传感器的灵敏度，并使传感器的检测范围具有指向性，并连接到红外传感信号处理电路，再接到报警控制主机的数字接口。无线传感器固定在隐蔽位置，和光伏电源蓄电池相连，通过无线通信芯片将信号传到主控机上。多个红外线应装置组成一个红外线感应网络，通过无线传感网络程序综合处理外界信号。

1.3 GSM模块

模块采用无线拨号传输模块，由报警控制主机通过RS 232串口连接手机拨号器，按预定程序拨出用户手机号码。

1.4 录像与报警存储模块

摄像机大容量硬盘存储的嵌入式监控DVR模块，里面可以配置大容量硬盘作为前端存储介质,实现超长时长监控。多个摄像头存储图像真实性好，保留全部录像信息。为实现弱电控制强电，当报警控制主机发出信号时，通过继电器开关控制DVR模块,摄像头自动开启或关闭录像。当系统工作时，报警控制主机会发出指令使警铃报警，LED指示灯同时亮红灯；当系统休眠时，警铃不报警，LED指示灯亮绿灯。

2 电路设计

2.1 主控电路

单片机采用ATMEL公司的AT89S52，它内部集成256 B程序运行空间,8 KB FLASH存储空间，支持最大64 KB外部存储扩展，时钟频率可以设置在0～33 MHz之间，片内资源有4组32个I/O控制端口、3个16位定时器、8个向量两级中断结构、软件设置在低能耗模式、还有看门狗和断电保护等。主控电路如┩2所示。

它在4~5.5 V宽电压范围内正常工作，功耗低，同时还支持计算机并口下载。AT89S52有多种封装，本设计中采用的是DIP-40的封装。

2.2 光伏发电与家庭供电接口电路

主机采用太阳能电池和家用220 V电源的双供电方式。当有家用电时，通过直流低压继电器巧妙断开太阳能电池；当家用电断开时，太阳能电池充当电源。

太阳能电池通过太阳能智能充电器连接太阳能板，充电器在阳光充足时为电池充电，充满电池时自动断开充电。在充足太阳是充电电流能达到1 A以上,完全满足电路需要。

2.3 GSM网络接入电路

本系统使用的是西门子公司的TC35系列GSM芯片TC35i与GSM2/2兼容、双频(GSM900/GSM1800)、RS 232数据接口，TC35i由供电模块(ASIC)、闪存、ZIF连接器、天线接口等六部分组成。该模块及射频电路和基带与一体，向用户提供标准的AT命令接口，为数据、语音、短消息和传真提供快速、可靠、安全的传输。

2.4 ZigBee协议无线通信电路(从片)

从片电路主要基于2.4 GHz双向无线传输模块JF24C。该模块以较小的体积实现了告诉数据传输功能，速率最高可达1 Mb/s，并具有快速跳频，向前纠错，CRC等功能。通过控器的信号，将信息通过电磁波的形式发射出去，临近的芯片控制相应的JF24CJ进行数据的接收，从而实现信息的传递。ZigBee电路设计模块如图3所示。

2.5 电源电路及报警、录像监控电路

光伏电源和录像监控控制电路如图4所示。

报警电路采用一个简单高效的三极管放大电路，连接蜂鸣器或者可以选用大功率100 dB以上的报警铃。录像监控电路采用弱电控制强电的直流继电器，线圈端接单片机，直流电流端接DVR。

3 软件设计

4 实验结果

在室内模拟了该装置的工作环境，太阳能电池板暴露在室外(温度24 ℃)14时阳光直射下，采用三个从片相互协调实现信号检测与数据传输功能。

将蓄电池接到室内电源插座上，打开主控制器开关，LED界面显示“welcome to zzu”英文字符，报警电话号码(1503819****)设定完毕后，直接转入工作模式。当靠近从片1约3.5 m时，从片1发出报警信号并发送到最近的从片2，从片2检测到报警信号后又转发到主机上。当主机接收到报警信号后，显示器显示出“TERMINAL 1”字样，并控制GSM模块向1503819****拨打电话。与此同时，报警器发出报警，摄像机实现录像的功能，并将数据存储起来。将蓄电池接到太阳能板上，断开室内电源,重复以上动作，实现了同样功能。经过30次实验，报警成功率为28次，无误报。

5 结 论

经过实地测试，该系统的报警成功率为93%，能够较为准确地实现报警功能。

该系统是ZigBee协议与光伏发电在家庭防盗系统中的一次尝试性的成功应用，预期上述两种技术将在智能家庭领域有更广阔的前景。

参考文献

［1］刘涛.单片机语言C51典型应用设计［M］.北京：人民邮电出版社，2005.

［2］童长飞.C8051F系列单片机开发与C语言编程［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2005.

［3］钱晓捷.微机原理与接口技术：基于IA-32处理器和32位汇编语言［M］.4版.北京：机械工业出版社，2008.

［4］瞿雷，刘盛德，胡咸斌，等.ZigBee技术及应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2007.

［5］张晓健，王光耀.电子设备的太阳能供电［J］.电子世界，2004(2)：62.

［6］张旭鹏，杨胜文，张金玲.太阳能电池发电应用前景分析［J］.21世纪建筑材料，2010(1)：50-52.

［7］罗维平，吴雨川，向阳.避雷装置在光伏并网发电系统中的应用［J］.武汉科技学院学报，2008，21(9)：33-37.

［8］卢鸣，王萍，郭艳.多路热释电红外智能检测报警装置［J］.微处理机，2006，27(6)：107-109.

［9］杨波，张兴敢.基于PIC单片机的被动式红外报警系统的设计［J］.电子测量技术，2008，31(1):53-55.

作者简介：

柴维路 男,1989年出生，河南浚县人。主要研究方向为机器人智能小车。

第6篇：家庭电路设计原理范文

关键词：台灯 双灯头 音乐播放 可调光开关

中图分类号：F21 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）02（c）-00-02

目前，市场上的台灯大多是普通照明台灯，照明负载主要为日光灯、白炽灯、LED灯，功能单一，很难满足人们现在多样化的需求。而且，现在近视是困扰大部分人，尤其是学生群体的一个普遍问题，主要原因之一就是在使用台灯时，由于有手影的产生而使光线亮度减弱，使用者容易产生视觉疲劳造成的。该设计针对现有台灯存在的问题，对其进行优化，设计出了具有音乐播放和调节光线强度功能的双灯头台灯。

1 设计思路

本设计主要是以家庭用台灯为主体，增加了音乐播放功能，且外置USB接口，可以对音乐文件进行传输；为消除手影的产生，采用了双灯头设计，并且利用旋钮可调光开关，使其可以调节光线的强弱程度；该设计的照明负载为白炽灯，使用者可以根据自己的需要选择或更换不同功率的灯泡，不仅贴近消费者，而且延长了台灯的使用寿命，这样的设计更加人性化，更加符合现代家庭消费理念。

2 台灯的整体构造

图1 双灯头音乐可调光台灯电路图

本作品设计电路如图1所示：主要由外接电源、音乐播放器电路、台灯照明电路三部分组成。外接电源电路中的稳压电路，保证了音乐播放器电路与台灯照明电路的正常工作，且音乐播放器电路与台灯照明电路采用并联的连接方式，在工作的同时互不影响。

2.1 双灯头开关可调光设计原理解释

2.1.1 白炽灯泡的选择

为了实现可调节灯光亮暗的效果，采用旋钮式可调光开关来控制电路中电流来调节灯光的亮度。根据调查，在了解了市面上各种类型的照明灯发光原理之后，本设计选择白炽灯作为照明负载。LED灯使用低压电源，供电电压在6～24 V之间，LED驱动都是恒流驱动，改变LED灯两端的电压会烧坏LED灯珠或使其不能正常工作；日光灯其两端的工作电压为220 V，灯管是由镇流器、启辉器触极、灯丝、双金属片构成，但其体积较大，长度较长，适用于室内空间面积较大的照明使用，而且由于日光灯的发光原理，当用调光开关改变日光灯两端的电压时，其光线亮度基本不改变，即日光灯只有亮或不亮两种状态。

白炽灯在其两端可加载0～220 V电压，只要灯丝温度超过2000 ℃，灯丝就处于白炽状态，发出光亮，而且温度越高，亮度就会越亮，且发出的灯光稳定，不会有频闪出现。当改变白炽灯两端工作电压时，白炽灯的亮度也会发生改变，符合调光的原理。且白炽灯市场上价格低，易于更换，灯光柔和，能为广大使用者带来

便利。

2.1.2 双灯头设计

现阶段市面上的台灯大都以单灯头照明为主，但单灯头照明台灯在使用时，不管从哪个方向进行照明，都会有手影产生，为使用者的学习、工作带来不便。基于此，本作品设计采用了独特的双灯头照明台灯设计。

双灯头照明台灯是在原单灯头照明台灯的电路内并联一个照明电路，使两个照明灯头可以协同工作且互不影响，达到消除部分手影的目的。当打开一个照明灯头开关时，由于光的直线传播，不管台灯是放在使用者的左方、右方、还是前方时，都会由于手的遮挡作用而产生手影，因此容易使使用者产视觉疲劳。此时，打开另外一个照明灯头，此照明灯头的光线向四周发出，可以照射到第一个照明灯头产生的阴影区，减弱手影的作用效果，增加使用者工作区的亮度，从而可以消除一部分的手影，为工作者带来方便。

2.1.3 旋钮式可调光开关设计

如图2所示，台灯照明电路的两个照明设备由两个旋钮式可调光开关控制调节灯光亮度，满足使用者不同的需求。

如图2，以开关一为例：当开关处于1位置时，电路处于断开状态，白炽灯无法正常工作。当其以顺时针方向转动至位置2时，台灯的电路与总电路接通，台灯开始工作。在位置2时，接入电路中的滑动变阻器的阻值最小，所以此时通过电路的电流最大，白炽灯内的钨丝温度可很快达到2000 ℃以上，发光发热正常工作，此时灯光最亮。随着滑片顺时针的旋转，接入电路中的阻值逐渐增大，流过灯丝的电流逐渐减小，温度和热度也有所降低，所以灯光的亮度较前面有所下降。当滑片旋转至3位置时，灯光到达最暗的亮度。若使用者想关闭台灯，可反方向调整至位置1即可。开关二的工作原理与开关一的相同。

白炽灯一、二是分别用开关一、二进行控制的，此设计的目的是：通过调节两旋钮式开关，可以达到不同的亮度，以满足使用者在不同时间、不同地点的不同需求，也有效地保护了使用者的

视力。

图2 台灯照明可调光电路

2.2 音乐播放器的构造

音乐播放器是软件和硬件的结合，乐曲中不同的音符，实质就是不同频率的声音。通过单片机产生不同频率的脉冲信号，经过放大电路，由蜂鸣器放出，就产生了美妙和谐的乐曲。根据各音阶频率算出定时器定时常数，根据节拍给出该音阶持续的时间，最终实现播放简单乐曲的功能。在本设计中，音乐播放器主要由：（1）单片机模块。（2）晶振电路模块。（3）复位按键模块。（4）音频功率放大器模块。（5）按键模块。（6）电源的电路设计。（7）LED显示电路设计，如图3所示。

硬件电路是由晶振电路、显示电路、控制电路等接到单片机上构成，如图3所示的总体电路。其核心器件采用单片机，进行系统控制；晶振电路为单片机提供时间信号，为音乐的播放节拍控制提供基本时间单位；通过控制电路实现音乐播放的选曲、暂停、播放和复位等功能；经发生电路发出美妙的音乐；由显示电路显示出正在播放的曲目。

3 作品测试与展望

本作品设计集实用功能与娱乐功能为一体，设计独特大方、实用、人性化。双灯头的设计区别于以往市场上单灯头的设计，简单新颖、美观大方，巧妙地利用光学、电学原理，消除了工作写字时手影的干扰。而可调亮度的开关集控制开关与调控亮度为一体，根据使用者需求的不同而控制光线的强弱，不仅为学习工作提供了便利，还节约了电能资源。而最具亮点的设计，是设计者能够融入播放音乐的功能（音乐外放及USB充电接口），让使用者在工作劳累之余，可尽情享受音乐带来的舒适。这一人性化的设计，避免了戴耳机听音乐时，耳机对人耳朵和大脑带来的伤害，还有一定的助眠作用。因此，综合看来，此台灯的推广设计，具有实用价值和市场

前景。

参考文献

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[3] 汪明添.电子元器件[M].北京：北京航空航天大学出版，2008.

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[6] 黄颍辉，王岗岭.台灯调光电路的制作[J].现代技能开发，2003（1）：86.

第7篇：家庭电路设计原理范文

【关键词】Zigbee；智能家居传感器网络

1.系统的总体结构设计

本智能家居系统主要由三部分构成：Zigbee无线家庭内网、嵌入式智能网关和外网。整个家庭无线网络就是一个由若干个Zigbee终端节点和协调节点组成的无线局域网。根据应用功能不同，Zigbee节点可分为三类：安防节点、控制节点、采集节点。家庭智能网关接收用户从远程通过GSM或Internet网络发来的查询或控制信息，经过处理将其转发给Zigbee协调器，协调器根据信息中地址信息把指令信息转发给Zigbee终端节点，实现对家庭内的电气设备或传感器信息的监测和控制。当然，智能家居控制器可根据传感器采集到的环境信息，对家中的电器和照明装置进行智能化的控制。通过智能网关的语音识别模块，用户也可在本地对电气设备进行语音开关控制。图1.1为智能家居系统的架构图。本文重点对基于Zigbee的无线家庭网络部分做出深入的研究及设计实现。

2.系统硬件设计

本无线家庭网络采用星型组网结构，由协调节点和终端节点组成。

2.1 终端节点硬件设计

根据应用和功能的不同，终端节点可分为采集节点、安防节点和控制节点[1]。采集节点主要用来检测家庭环境数据以及发送RF数据，它不接收协调节点发送的控制命令，但接收查询命令。例如温湿度检测、光照检测、烟雾检测等。安防节点主要对家庭中具有安全隐患的数据进行采集，例如红外线入侵检测等，该节点不接收协调节点发送的控制/查询指令，以门限触发的方式发送报警信息。控制节点主要通过Zigbee网络实现家电的控制，主要是接收协调节点的控制命令，返回查询命令的反馈值以及执行控制命令的状态值。主要包括：窗帘控制、照明灯控制以及万能遥控器控制等。

系统采用模块化的结构设计，每个Zigbee终端节点均包括Zigbee模块和控制接口部分。Zigbee模块主要负责Zigbee信号的无线收发，实现基于Zigbee网络与Zigbee协调器的数据通信。不同类型终端节点的Zigbee模块电路相同，而不同类型终端节点的接口电路却略有区别。模块通过引出通用接口，来支持智能终端功能的设计。通用接口主要包括JP1、JP2、JP3、JP4四个通用接口，其中的JP1、JP2口连接CC2430芯片，而JP3、JP4口连接传感器以及家电设备，因此需要设计JP3、JP4与家电设备之间的信息传输硬件电路。

（1）安防节点部分接口电路设计

当有人在防区内走动时，就会造成红外热辐射能量的变化。PIR传感器将感应活动人体与背景物体之间辐射能量变化并转换其为电信号。由外壳和菲涅耳透镜、PIR红外传感器、专用IC（WT8072）等电路组成热释电红外线感应器。原理图如下所示：当有人非法入侵时，WT8702的10脚（TRLAC）输出高电平，此电平信号接到JP3的P0.1脚。电路如图2.1所示。

（2）控制节点部分接口电路设计

为实现电动窗帘控制功能，系统选择L6203作为电机的功率驱动芯片，其中的IN1、IN2、ENABLE口与JP3的P0.0、P0.1、P0.4口连接，并选择B1电机作为控制节点的执行器，执行接收到的控制命令。电路图如图2.2所示。

（3）采集节点部分接口电路设计

与控制节点不同的是，传感器节点不需要添加中间电路，只需要将其I/O口与JP3连接即可，设计中采用SS-168型联网型烟雾报警器，烟雾传感器节点电路如图2.4所示。

2.2 协调节点设计

本设计针对智能家居系统硬件应该具有易开发、低功耗、低成本的特点，协调节点和终端节点均采用CC2430射频芯片作为Zigbee芯片，CC2430是无线SOC（System On Chip）设计，系统所需的一般电路都已集成在芯片内部，只需简单电路就能实现信号收发功能[2]。

协调节点是智能家居无线家庭网络的核心，负责建立和维护网络，并通过串口向智能网关发送终端节点上传来的数据信息，同时将控制中心传达的命令发送到相应的终端节点，具体结构如图2.5所示。与终端节点的不同之处在于协调节点不包含家电控制模块和信号采集模块。协调器节点在硬件平台上扩展了RS232串口，用于和家庭智能网关相连。

3.系统软件设计

3.1 Zigbee家庭网络配置

协调节点和终端节点通信的前提条件就是协调节点在空闲信道建立新的网络。因此在协调节点中需写入基于zigbee协议的无线网络配置程序。协调节点网络建立和配置过程如图3.1所示。节点上电后进行系统初始化，协调节点通过扫描空闲信道尝试建立一个新的网络。射频单元从当前频带的第一个信道开始检查该信道是否为空闲信道，若有另一个Zigbee网络处于该信道，协调节点将收到其反馈数据，并认为此信道已被占用，然后它会切换到下一个信道并重复该过程直到没有接收到任何反馈数据为止。一旦找到某个信道为空，它开始监听该信道并建立了网络。协调节点完成建网后，便开始监听网络请求并随时响应终端节点的入网请求[3]。

当收到终端节点的入网请求信号时，则发送信号来响应该节点的入网请求，同时更新地址邻接表。

3.2 终端节点入网设计

终端节点在程序下载时，就已经确定其网络组号以及节点序列号。因此，终端节点上电系统初始化之后，它会根据其网络组号需找该网络组所在的信道，一旦确定网络组所存在的信道后，发送入网请求并等待协调节点的入网响应信号，若在等待时间段内没有收到协调节点的入网响应信号，该节点将会重复上述入网过程，一直到接收到协调节点的入网响应信号为止。由于协调节点在接收终端节点入网时，会更新地址邻接表，因此，终端节点发送的入网请求的数据帧应该包含其网络组号以及序列号[4]。终端节点入网流程如图3.2所示。

3.3 终端节点软件流程设计

可以把家庭网络中的所有终端节点功能分为网络通信功能和设备操作功能两部分。协调节点的主要功能是网络通信和路由，相对于协调节点，终端节点的网络通信功能更简单。本系统中，采集节点需定时采集家庭环境数据并发送到协调节点，且同时它要监测网络中有没有发给它的查询信息，并接收处理。采集节点工作流程图如图3.3所示。

控制节点需接收控制命令来控制家电设备的工作状态，它的主要通信功能是RF消息接收功能。要使终端节点能够完成其功能，就必须在网络通信功能与设备操作功能之间建立连接，即需要在应用程序和网络通信功能之间建立接口。在程序中，通过定义相关的应用协议来实现。而安防节点，其设备操作相对简单，只需定时采集家庭环境中的安防数据即可。控制节点接收到不同的代码代表对该电气设备的不同操作，并将这些操作转换成电气设备能识别的命令，通过中间电路发送到家电设备。安防节点和控制节点工作流程图如图3.4所示。

4.结语

针对当前智能家居系统建设对于用户侧通信的需求，本文提出了基于ZigBee技术的家庭无线内网组网方案，该方案可使智能家居系统获得可靠的本地通信，对于智能家居系统的建设与发展具有重要意义。

参考文献

[1]吴却，廖力清.一种基于Zigbee的智能家居无线传感器网络的设计[J].桂林航天工业高等专科学校学报，2010，15 （4）：439-441.

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[3]杨浩杰，韩秀玲.一种智能家居监控系统的设计[J].微型电脑应用，2011，27（2）：49-51.

第8篇：家庭电路设计原理范文

随着夏季的到来，各种蚊虫频繁活动给人们带来不少烦恼：它会传染很多种疾病、致人奇痒难忍、影响人们睡眠等等。为了对付蚊子，多少人搅尽了脑汁！在人蚊大战中，试验采用了各种的手段，研制了许多驱蚊灭蚊药物和器具，从原始的稻草熏蚊到各种传统的盘状蚊香、蚊香片、灭蚊喷雾液、超声波驱蚊器等，经过不断探索与研究，利用现代电子技术来解决这一问题，有了效果较好的电热驱蚊器（电热蚊香）、电子灭蚊拍（简称电蚊拍）、灭蚊灯和灭蚊磁场发生器等“新式武器”；目前市场上琳琅满目的灭蚊灯种类繁多，除了电功率大小和紫外荧光灯的数量不同外，其它的区别主要是在外形上。通常主要以功率和灯管数量来分类，以功率分类，灭蚊灯主要有2、3、4、5、8、10、15、20W等多种规格，其中家庭大多使用2～8W的灭蚊灯，对应的房间面积约为10～20平方米。以紫外灯管数量分类，通常可分为单管和双管型，家庭大多使用单管灭蚊灯；双管型灭蚊灯则适用于饭馆、旅店、办公室和家庭中面积较大的客厅等场合。双管型灭蚊灯的电功率多在6W以上。有些灭蚊灯还安装了吸蚊风机，当蚊子靠近灭蚊灯时就会被气流吸入灭蚊灯内，从而在一定程度上提高了灭蚊效果。在总结前人经验的基础上，结合当今世界先进的物理灭蚊技术，集光、电、空气流动等技术于一身，设计了基于单片机的家用灭蚊器。

一、硬件电路设计

灭蚊器的基本结构由单片机、LED紫光灯、高压电网、吸蚊风扇控制电路、红外探测电路、安全放电电路等电路组成。其中LED紫外灯固定在圆形塑料外壳内顶部，由塑料柱支撑，高压电网安装在LED紫外灯与风扇之间，这样当蚊虫因趋光而飞向LED紫外灯时，会被风扇转动产生的吸力吸到高压电网击毙，尸体被吸入储蚊仓，避免蚊尸粘在高压电网上，通过静电电击能够瞬间杀灭飞虫；灭蚊器工作时，如果有人靠近，红外探测电路输出信号，单片机就会发出控制信号，切断高压电网电源，接通安全放电电路，使电网上的高压迅速放点，从而保护人的安全。系统原理框图如图1所示。

1.单片机

单片机选用AT89c2051，它是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含2k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。

图1 系统原理框图

2.LED紫光灯控制电路

由8个LED紫外灯圆形排列，光源高效集中，单片机P1.1为低电平时，接通LED紫外灯的电源。

3.高压电网

高压电网上的直流高压通常为800～1500V，短路电流小于1mA，单片机P1.2输出PWM信号，通过控制电路去触发脉冲升压变压器，产生1KV的高压脉冲，在电路中接入了两只限流电阻，可以保证人身的电气安全。

4.吸蚊风扇控制电路

当单片机P1.3口低电平时，接通风扇控制电路电源，风扇使用12V直流电机。

5.红外探测电路和安全放电电路

选用两对红外二极管组成，接通电源后，探测电路输出端接到单片机P1.5口，无人时输出低电平，当有人接近时，探测电路输出高电平，这是P1.2、P1.3分别输出高电平，使高压电网断电，同时接通安全放电电路，使电网对地放电。

二、软件设计

软件采用模块化设计思想，使用C语言编程，主要包括主程序、初始化子程序、PWM子程序等。接通电源后，单片机各接口初始化P1.1、P1.2、P1.3为高电平，P1.5为低电平，延时1秒后，P1.1、P1.3输出低电平，P1.2输出PWM信号，P1.5为低电平，整个电路工作；当有人接近时，P1.5为高电平，接通放电电路，其他电路停止工作。

三、测试

焊接好电路板后，按设计要求固定LED紫外灯、高压电网、风扇以及红外二极管，在电路正常情况下，接通LED紫光灯控制电路，LED紫光灯正常点亮；然后接通吸蚊风扇控制电路，使P1.5为高电平，风扇正常转动；最后接通高压电网，使P1.5为高电平，测电网电压，在各部分电路正常后，进行联合调试，工作正常。

四、结论

本设计主要分为硬件部分和软件部分，硬件部分着重考虑硬件电路的简单性，故尽可能简化硬件电路，节省线路板的空间，达到硬件电路最优化设计。软件采用模块化设计思想，程序可读性强。通过仿真、实验验证了系统的可行，能满足设计要求，使用电子灭蚊器为我们生活带来了很多的方便，具有实际的应用前景。

参考文献：

[1]沙占友.单片开关电源最新应用技术[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2]郑国川，李洪英.实用开关电源技术[M].福建：福建科学技术出版社，2004.

[3]王德沅.电子灭蚊灯原理和故障维修[J].电子世界，2005（06）.

第9篇：家庭电路设计原理范文

关键词:无线射频芯片;收发系统;微控制器;鉴相器;环路滤波器

中图分类号:TN911文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)05-076-05

Hardware Design of Wireless RF Transceiver System

REN Xiaoli1,2,WANG Ji1,XIE Shiyi1

(1.Information School,Guangdong Ocean University,Zhanjiang,524088,China;

2.School of Electronic Engineering,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu,611731,China)

Abstract:As to the asymmetry phenomenon of current duplex communication terminal of wireless communication systems in the short-range open segment,intelligent RF transceiver dual-use hardware terminal system is designed.After the system framework is researched,the scheme of single chip microcontroller MSP430F1121 and TRF6900 as main chip is adopted,the external circuit parameters of the main function modules are calculated,then system circuit design is completed.The designed system has realized full reciprocity use of sending and receiving end,and the circuit structure is simple,it has low cost,low power consumption advantages and so on,which is widely used in wireless network terminal equipments.

Keywords:radio frequency chip;transceiver system;microcontroller;phase detector;loop filter

0 引 言

随着当今电子、计算机技术的飞速发展,射频技术作为一种无线网络通讯手段,已经在越来越多的场合上使用,并且表现出其独特的优越性。它取代了传统中错综复杂的电缆,使家庭或办公场所的移动电话、便携式电脑、打印机、复印机、键盘及其他设备实现了互联互通,将人们从无数的连接电缆中解放出来,自由方便地构成自己的个人网络。作为取代数据电缆的短距离无线通信技术,它将家庭或办公室中的各种数据和语音设备联成一个微微网,还可以进一步实现互联,形成一个分布式网络,从而在这些联接设备之间实现快捷而方便的通信联系,因此它在无线网络系统中的发展潜力巨大。

1 系统硬件组成与工作原理

射频与数字基带部分电路通过合适的方式连接起来就构成了所设计的无线射频收发应用系统的硬件电路[1],总体电路如图1所示。其中,带有箭头的表示接外加的电压,以保证电路正常工作,其工作电压为3 V。

1.1 系统主电路结构与原理

射频部分电路主要是用TRF6900收发芯片和一些元件设计成的射频收发器。TRF6900是Texas Instruments公司推出的单片射频收发器芯片,其内部集成了完整的发射电路和接收电路。它的工作频率范围为850~950 MHz,供电电压范围为2.2~3.6 V,射频输出功率高达+5 dBm,而待机模式时的电流消耗仅在0.5~5 μA之间。TRF6900采用高吞吐率16 b RISC结构,其最快速率可达8 MIPS。另外,这种收发器还具有FM/FSK调制模式,并采用三线制串行接口,因而能很方便地与微控制器相连接,可用于ISM频段内数据的双向无线传输,能够容易地对它的收发进行控制,因而基于它的应用也越来越普遍。

1.1.1 接收原理

从天线接收到的信号由LNA_IN引入TRF6900,首先经过低噪音放大器。低噪音放大器提供13 dB的增益,它有正常和低增益两种模式[2],当TRF6900接收的信号较强时,应该选择低增益模式,这样可以最大程度地减少信号的非线性失真。放大后的信号被送入混频器,混频器将信号变频到中频,再通过第一和第二级中频放大。第一级中频放大可获得7 dB的增益,用以补偿滤波器带来的损耗;┑诙级中频放大包括多个放大器,总共可获得80 dB的增益。经过两级放大后的信号,如果采用的是FM/FSK调制方式,就送入FM/FSK解调器,解调出的数据信号从DATA_OUT引出。如果是频移键控(ASK)或开关键控(OOK),则送入接收信号强度指示器(RSSI)解调,解调后的基带数据从RSSI_OUT输出。

1.1.2 发射工作原理

数字基带信号从TX_DATA引入TRF6900片内,经过直接数字频率合成器(DDS)调制到中频,再通过锁相环(PLL)倍频到射频,最后通过功率放大器放大信号后,由PA_OUT导出射频信号,再通过天线发射出去。

1.1.3 串行控制接口工作原理

串行控制接口包括CLOCK,DATA,STOBE三部分,控制着TRF6900内部所有的寄存器,包括DDS参数设定寄存器和其他的控制寄存器。在CLOCK的每一个上升沿,DATA管脚的逻辑值送入24 b的移位寄存器,当STOBE电平被抬高时,设定的参数被送入选定的锁存器。TRF6900有四个可编程的24 b控制字(A,B,C,D)。控制字A和B分别控制DDS模式0和模式1状态下输出信号频率。控制字C负责锁相环和DDS模式0的设定。控制字D负责调制和DDS模式1的设定。

1.2 数字基带部分

数字基带部分基于微型控制器MSP430F1121。通过它将外部的模拟信号转换为适合TRF6900的数字信号,再配合软件设计可以很方便地进行智能化转换。数字基带部分的硬件电路由RS 232和MSP430F1121组成,如图1所示。

MSP430F1121微型控制器是一款超低功耗、高性能的16位精简指令集MCU,主要由以下部分组成:基础时钟模块,包括1个数控振荡器(DCO)和1个晶体振荡器;看门狗定时器Watchdog Timer,可用作通用定时器;带有3个捕捉/比较寄存器的16位定时器Timer_A;2个具有中断功能的8位并行端口:P1与P2;模拟比较器Comparator_A[2]。

图1 无线射频收发系统电路

2 系统参数计算

2.1 鉴相器的参考频率

鉴相器是PPL构成锁相环中的单元模块之一,其输入的参考频率是由DDS的输出信号决定的。基于DSS技术的频率合成器能很好地满足各项指标性能,同时也使设计变得简单。鉴相器输出频率的分辨率为:

fpd=fref/224

式中:fpd是鉴相器的最小输入频率,也是DDS时钟频率fref的20,即最低有效位的权值。TRF6900 DDS累加器有24位,fpd乘以预标值N(可选择256或者512),由它可得出最小频率的步进值为:

Δf=N×fpd

累加器的输入是24位的用户串行数据(控制字),时钟基准信号作为累加器的工作时钟信号,两者决定频率的分辨率;输出是一串抽样斜坡数字脉冲,空号频率等于时钟频率。经过D/A转换后得到模拟域的正弦信号fo_DSS,它代表基准相位,即作为鉴相器的基准输入信号。DDS的最终性能主要取决于D/A转换过程中的量化误差以及滤波特性。

2.2 晶振时钟电路及频率

2.2.1 时钟电路的设计及参数计算

晶振采用并联谐振的工作方式,如图1中23~24脚电路所示。电路总的相移为360°,其中反向器提供180°的相移,R7和C22提供90°的滞后相位,晶振和电容C1也带来90°的相位滞后。并联工作的晶振是作为电感用的。

晶振接入电容补偿相移以满足振荡条件。

偏振电阻R1用于设置反相器的偏置点,典型值是VCC引脚值的二分之一。R1过小,将降低环路增益,破坏网络反馈条件,典型值是1~5 MΩ。可以观察23引脚的输出频率随电压的变化情况。如果晶振有过驱动,则增大电压后,输出频率会下降,此时应该微调电阻R2(调高)。注意,R2应该足够小,以确保振荡器在小于最小工作电压的情况下能够起振。C1和晶振的旁路电容C0及反相器的输入电容共同构成了晶振的输入电容。要提供稳定度,晶振的输入电容典型值可选择20~30 pF。

2.2.2 频率的选择

根据抽样定理可知,时钟频率fref(fref/2即为Naquist频率)对量化噪声功率、冗余信号电平以及输出频谱中由于不满足抽样定理而带来的干扰信号、时钟频率和鉴相器的参考基准频率fo_DSS(即由DSS得到的信号频率fref/fo_DSS)的比率越大,频率合成器的输出信号频谱所受到的干扰就越少。时钟频率的具体计算方法如下:

假设要使基于DDS的PLL构成的频率合成器的输出频率为906.24 MHz(与DSS得到的输出信号频率fo_DSS即鉴相器的参考基准频率要区别开来),经过256或者512分频(可选),假设为256,那么DDS的输出信号频率fo_DSS就应等于906.24/256=3.54 MHz,可得到PLL的输出频率的计算公式:

fout=N×DDS值×fref/224

=N×DSS-x×fref/224

式中:预标值N可选择256或者512,DDS_x为控制字A或B的值。

DSS频率值可通过串行口控制字编程设置,其最低有效位是20,最高有效位是223。两个最高位(23,22位)用户不可访问,系统内部自动置为0,21-0位,并由用户编程设置。其中,A字对应DDS-0即模式0的频率;B字对应DDS-1即模式1的频率;C字控制PLL、数据限制器和模式1寄存器的设置;D字控制调制方式(如频偏大小)和模式0寄存器的设置。

2.3 载波频率计算

由时钟频率经过基于DDS的频率合成器可得到VCO输出的载波频率。对于典型的25.6 MHz时钟频率,由表1可得当DDS控制字为001,000,111,0000,000,000时,可计算出的VCO输出频率即载波频率为915 MHz。

由表1可知:

DDS值=221+217+216+215+213+212+

211+210+29=2 342 400

表1 DSS控制字

223222221220219218217216215214213212

001000111011

21121029282726252423222120

111000000000

最后的VCO输出频率为:

fout=N×DSS值×fref/224

=256×2 342 400×(25.6×106/16 777 216)

=915 MHz

2.4 DSS控制字的计算

TRF6900的FSK调制是由专门的FSK频偏寄存器来完成。A,B控制字用来设置接收机和发射机的频率及信道。在应用系统的使用中,A,B控制字用来设置FSK频偏。用于FSK方式时DDS控制字的计算方法如下:

假设载波频率为915.0 MHz,频偏为20 kHz,即A字对应的VCO输出频率fout1=915.00 MHz;B字对应的VCO输出频率fout2=915.02 MHz;时钟频率fclock=fref=25.6 MHz;分频比N=256。下面计算A,B控制字:

A字对应于DDS_0值:

DDS_0= /fref

= ×224/25.6×106

=2.342 4×106(10)

=001000111011111000000000(2)

所得的二进制的DDS_0将装入A控制字中。

B字对应于DDS_1值:

DDS_1=/fref

= ×224/25.6×106

=2.342 4×106(10)

=001000111011111000110011(2)

所得的二进制的DDS_1将装入B控制字中。

2.5 本地振荡器

TRF6900的本地振荡器(LO)是锁相环PLL形式,由基于片上DDS的频率合成器、低通滤波器(LPF)和压控振荡器(VCO)构成。

2.5.1 VCO的电路设计

压控振荡器是输出信号频率随输入控制电压变化的振荡器。为了减小相位噪声,VCO电路通常由分立元件构成。

LC谐振槽路的谐振频率:

fTANK=1/

CTOTAL=C2+1/(1/CVR2)〗

谐振频率时的电感值:

L=(1/2)ZINQP)/QLOAD-ZIN〗/ 2πfQP

式中:|ZIN|为TRF6900内部振荡器的输入阻抗;

QLOAD为谐振回路的品质因数;

QP为电感的品质因数;

f为谐振频率。

2.5.2 VCO的灵敏度

变容二极管的电容大小与调谐电压成正比,VCO的灵敏度:

KVCO=Δf/ΔUUNE

式中:Δf=f1-f2,ΔUUNE=Utune1- Utune2。

2.5.3 参数计算

设计的无线收发电路工作在868～928 MHz ISM频段。假设TRF6900的VCO输出频率为880～950 MHz,调谐电压为0.3～2 V。TRF6900振荡器的输入阻抗|ZIN|即引脚13和14间的电阻大小约为1 400 Ω;谐振回路的品质因数必须大于等于10;在915 MHz时,电感的品质因数大约等于80。由公式可得:L≤10.65 nH,取L=10 nH标准值。

从方程中可知:

当f1=880 MHz时:

CTOTAL_f1=1/

3.271 pF

当fc=915 MHz时:

CTOTAL_fc=1/

3.025 1 pF

当f2=950 MHz时:

CTOTAL_f2=1/

2.807 pF

为了扩大变容二极管的调谐范围,根据以上的计算,C2可以取2.2 pF,C1可取3.3 pF。

当Utune≤0.5 V时,CVR≥6.103 pF;

当Utune≤2 V时,CVR≥1.919 pF。

设计时采用Alpha Industries的SMV1247系列变容二极管,其参数如下:

当UR=0.25 V时,CVR7.500 pF;

当UR=1.25 V时,CVR3.660 pF;

当UR=2.00 V时,CVR1.880 pF。

要注意的是因为PCB的分布电容不可预测,随工作频率变化而变化,所以在PCB调试时要进行必要的修正,这里采用经验值。

现在对上述元件参数进行验证:

对于0.25 V时的ftune,依据公式有┆CTOTAL=3.346 pF;

对于2.00 V时的ftune,有CTOTAL=2.799 pF。

由上述方程式可知,槽路的谐振频率:f1_TANK飒870 MHz,f2_TANK951 MHz。显然,能满足880～940 MHz频率调谐范围。对于满足880～940 MHz的频率调谐范围的元件参数,取L=10 nH,C1=3.3 pF,C2=2.2 pF,变容二极管为SMV1247-079。最后可得出VCO的灵敏度KVCO46 MHz/V。

2.5.4 环路滤波器的设计

(1) 计算公式

环路滤波器是一个典型的二阶低通滤波器,用于频率合成器中电荷泵电流模式。二阶元件的计算公式:

C1=(TPKPDKVCO)/N(2ζωN+ω2NTP)

(1)

C2=C1{T2-1}

(2)

R2=(1/C2)

(3)

式中:KPD为鉴相器增益(单位:A/rad),KPD=ICP/2π;

KVCO为VCO增益(单位:rad/V);

N为分频比;

ζ为阻尼比,有效范围是0

ωN为自然谐振频率(单位:rad/sec),ωN=(2×BN)/2。

(2) 设计注意事项

VCO有加速和正常两种工作模式,锁存时间都要小于250 μs。正常模式用于精确控制并保持VCO工作所需频率;加速模式利用APLL锁相环加速因子来提供快速粗调,它可以使用TRF6900软件根据需要进行调整。DSS的谐振通常在环路带宽内,不能用环路滤波器抑制,但降低环路滤波的带宽可以减小DSS谐波产生的可能性[4]。正确选择时钟基准频率能较好地抑制DSS谐波。

3 系统软件设计

软件部分主要由主程序和各个子程序组成[9]。主流程图包括两部分:一是设备初始化;二是循环部分(loop_main)设置相关的循环程序。初始化部分主要是设置端口、模式和时钟系统;循环部分(loop_main)提供RS 232和射频(RF)通信,包括校验总和的初始化。篇幅所限这里不做介绍。

4 结 语

本设计根据TRF6900收发芯片的特点和微型控制器MSP430F112的优点设计的无线数据收发系统,经过多次实验证明,其发射端能正确地将数据传送出去;同时,经TRF6900发射后,接收端也能正确接收并显示数据。系统完成了比较完善的硬件设计以及抗干扰措施,今后将继续开发系统软件,这样就可以保证系统工作的安全性和可靠性,并具有通用性,便于投入实际应用,具有广泛的市场应用价值。

参考文献

[1]吕娈.数字中频采样接收机的研究与设计[D].北京:中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心),2006.

[2]徐彤.中频接收机数字化设计中的几个关键问题[J].电讯技术,2001,39(4):21-25.

[3]易文翠,胡银全,唐丽均.基于PIC单片机的载波控制系统[J].计算机测量与控制,2006.14(12):1 635-1 637.

[4]陈建华,赵远东,吴健.VHF-UHF超低噪声放大器的设计[J].通信技术,2009(1):15-18.

[5]云振新.压控振荡器技术的回顾与展望[J].半导体技术,2004,29(7):5-9.

[6]郭文胜,申永进,要志宏.集成宽带压控振荡器的设计[J].无线电工程,2005,35(5):59-61.

[7]严杰锋.电荷泵锁相环的模型研究和电路设计[D].上海:复旦大学,2006.

[8]陈文焕,叶星宁.三阶电荷泵锁相环系统级设计与仿真验证[J].电子设计应用,2005(3):90-92.