採用LPC2104的智能燈光控制器原理及設計

採用LPC2104的智能燈光控制器原理及設計
1引言隨著人們生活質量的提高，燈具已不單純是室內的基本照明工具，而且是建築裝飾的一種實用藝術品，當家裡有各式各樣的燈具之後，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生活的需要，目前燈光的控制主要還是手動形式，逐個控制所有的燈具，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，設計一個可以便捷地控制燈光、同時還提供場景組合等功能的智能化燈光系統不僅具有實用價值，而且還具有廣闊的市場前景。2設計目標設計一個智能化燈光控制器，安裝在家中的各個房間，提供無線遙控、輕觸式燈光控制、場景組合、預設存儲等豐富功能。通過手持遙控器來控制住宅內所有的燈光；通過遙控器上的場景設置按鍵，方便地設定燈光場景和迅速切換，可以通過面板上的輕觸按鈕控制燈光的開關和亮度，或者是多盞燈進入某種預設的場景，各燈光控制器通過RS485的匯流排與家庭乙太網網路終端通信實現對燈光亮度的遠程控制和查詢。
該智能化燈光控制系統分為接收外來控制信號和執行控制操作兩部分，為了接收控制信號，系統需具備無線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具有豐富的外圍介面資源，並有很高的可靠性和運算速度，非常適於該系統的設計，智能燈光控制器原理如圖1所示。

3LPC2104功能簡介LPC2104是PHILIPS公司專為嵌入式應用提供的高性價比微控制器解決方案。它採用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128KBFlash程序存儲器、16KB靜態RAM、2個UART、1個I2C串列介面、1個SPI串列介面，多達6路輸出的PWM、2個定時器，分別具有4路捕獲/比較通道、實時時鐘及看門狗定時器等，能夠與常用的外圍設備實現無縫連接，功能強大，本文以LPC2104為核心，設計結構簡單、性能穩定的智能燈光控制器。4無線數傳模塊設計4.1nRF401簡介無線通信的實現有三種方案：藍牙通信、紅外無線遙控、使用短距離無線數傳器件。對於藍牙方案，傳輸距離和器件成本是值得考慮的問題，藍牙主要用於短距離傳輸（最多10m），且成本一直偏高。紅外傳輸雖不用考慮成本問題，但從手持設備所能提供的功耗來看，它能傳輸的距離實在太近，只有幾米，且對紅外發射角度有一定要求，存在"必須保證傳輸信息的兩個設備正對，且中間不能有障礙物"等致命的缺陷，與前兩種方案相比，採用短距離低功耗的無線射頻器件nRF401是最佳選擇。
nRF401無線通信收發器集成了高頻發射/接收、PLL合成、FSK調製/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優勢，其主要技術特點有：（1）工作在國際通用的兩個頻道：433.92MHz和434.32MHz，無需進行頻道申請即可使用；（2）採用DSS+PLL頻率合成技術，外接元件僅有1個晶體振蕩器和幾個電阻電容和電感，基本無需調試就可工作，且穩定性好；（3）數字通信採用具有較高的抗干擾能力的FSK調製方式，支持直接數據輸入輸出操作，可直接與MPU的UART串列口連接；（4）有2個可選擇的工作頻道，採用半雙工工作模式，最高數據傳輸速率可達20bk/s；（5）工作電壓為2.7V-5V，待機狀態耗電僅為8μA，能滿足低功耗設備的要求。
採用nRF401器件無需進行初始化和配置，不需要對數據進行曼徹斯特編碼，並可以使用廉價的PCB天線，無需進行複雜的射頻電路設計和調試，使產品的開發應用更為便捷。
4.2nRF401與LPC2104的連接nRF401與LPC2104的連接方式有多種選擇，如GPIO、I2C、UART等，從硬體連接及通信協議最簡化的角度來看，選擇串口與無線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介面電路如圖2所示。

由圖2可見，嵌入式CPU對無線模塊的控制介面主要由5根信號線組成，分別是DIN、DOUT、TXEN、PWR_UP、CS。其中，TXEN是發送使能端，通過對TXEN置位和複位實現發送狀態和接收狀態的切換，並通過GPIO口進行控制，PWR_UP是節能控制端，利用LPC2104的一個GPIO口對其進行編程，實現無線模塊的工作模式和休眠狀態的切換；CS可進行頻道選擇，通過GPIO設置，可以利用LPC2104的UART1串口控制DIN、DOUT信號。
為了節能，nRF401大多數情況下應處於關閉狀態，無線部分硬體上是不具備自動喚醒功能的，必須通過軟體方式採用合理的通信協議以保證節能同時數據不丟失。5調光控制電路設計採用單片機I/O口灌電流的方法控制晶閘管實現開關和調光控制。用內部帶有過零檢測電路的光電耦合器MOC3041作為晶閘管的驅動器，同時能實現強、弱電的隔離。
傳統的調光方法都採用移相觸發晶閘管，控制晶閘管的導通角來控制輸出功率，不僅同步檢測電路複雜，而且在晶閘管導通瞬間會產生高次諧波干擾，造成電網電壓波形畸變，影響其他用電設備和通訊系統的正常工作，本系統中採用過零觸發晶閘管導通與關斷的時間比值來調節燈具的功率，由於過零觸發不改變電壓的波形而只改變電壓全波通過的次數，不會對電網造成污染，因此，本系統採用過零觸發方式。
MOC3041內部含有過零檢測電路，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零時，內部雙向晶閘管導通，觸發外部晶閘管導通，當MOC3041輸入引腳輸入電流為0時，內部雙向晶閘管關斷，從而外部晶閘管也關斷，其調光控制電路如圖3所示。

6無線模塊軟體設計無線模塊通過UART串口與系統相連，所以必須對UART進行初始化，LPC2104的UART串口符合RS232標準，也支持550工業標準。
LPC2104有兩個通用的非同步串列介面（UART），啟動時UART默認狀態是無法使用的，必須通過編程GPIO寄存器來使能它們。
本系統使用UART1與nRF401進行連接，UART1帶有數據機介面，16位元組接收和發送FIFO。內置波特率發生器以及包含標準的數據機介面信號。
在使用UART1時，先要設置TXD1、RXD1引腳連接方式，然後設置串口的波特率及工作模式，即可進行數據的發送和接收，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：
在操作系統環境下，系統啟動時會自動初始化串列口，所以應用程序調用串列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，為了實時監測串列口消息，在操作環境中一般單開一個串列口掃描任務，保證信息不丟失，在一個已有的工程文件的主函數中添加串列口的寄存器初始化代碼，並添加串口掃描任務，由於對無線模塊的控制還有系統的GPIO，所以掃描程序中還要包括對I/O的操作，當系統收到串口信息時，將會主動向主任務發送一個串列口信息，主任務接收到該信息將會調用響應函數，響應該消息。
7結束語無線通信模塊nRF401集發射、接收於一體，大大簡化了燈光控制器設計的複雜程度，智能燈光控制器通過RS485介面很容易組網，為實現智能家居網路化提供了方便6無線模塊軟體設計無線模塊通過UART串口與系統相連，所以必須對UART進行初始化，LPC2104的UART串口符合RS232標準，也支持550工業標準。
LPC2104有兩個通用的非同步串列介面（UART），啟動時UART默認狀態是無法使用的，必須通過編程GPIO寄存器來使能它們。
本系統使用UART1與nRF401進行連接，UART1帶有數據機介面，16位元組接收和發送FIFO。內置波特率發生器以及包含標準的數據機介面信號。
在使用UART1時，先要設置TXD1、RXD1引腳連接方式，然後設置串口的波特率及工作模式，即可進行數據的發送和接收，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：
在操作系統環境下，系統啟動時會自動初始化串列口，所以應用程序調用串列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，為了實時監測串列口消息，在操作環境中一般單開一個串列口掃描任務，保證信息不丟失，在一個已有的工程文件的主函數中添加串列口的寄存器初始化代碼，並添加串口掃描任務，由於對無線模塊的控制還有系統的GPIO，所以掃描程序中還要包括對I/O的操作，當系統收到串口信息時，將會主動向主任務發送一個串列口信息，主任務接收到該信息將會調用響應函數，響應該消息。
7結束語無線通信模塊nRF401集發射、接收於一體，大大簡化了燈光控制器設計的複雜程度，智能燈光控制器通過RS485介面很容易組網，為實現智能家居網路化提供了方便。
由圖2可見，嵌入式CPU對無線模塊的控制介面主要由5根信號線組成，分別是DIN、DOUT、TXEN、PWR_UP、CS。其中，TXEN是發送使能端，通過對TXEN置位和複位實現發送狀態和接收狀態的切換，並通過GPIO口進行控制，PWR_UP是節能控制端，利用LPC2104的一個GPIO口對其進行編程，實現無線模塊的工作模式和休眠狀態的切換；CS可進行頻道選擇，通過GPIO設置，可以利用LPC2104的UART1串口控制DIN、DOUT信號。
為了節能，nRF401大多數情況下應處於關閉狀態，無線部分硬體上是不具備自動喚醒功能的，必須通過軟體方式採用合理的通信協議以保證節能同時數據不丟失。5調光控制電路設計採用單片機I/O口灌電流的方法控制晶閘管實現開關和調光控制。用內部帶有過零檢測電路的光電耦合器MOC3041作為晶閘管的驅動器，同時能實現強、弱電的隔離。
傳統的調光方法都採用移相觸發晶閘管，控制晶閘管的導通角來控制輸出功率，不僅同步檢測電路複雜，而且在晶閘管導通瞬間會產生高次諧波干擾，造成電網電壓波形畸變，影響其他用電設備和通訊系統的正常工作，本系統中採用過零觸發晶閘管導通與關斷的時間比值來調節燈具的功率，由於過零觸發不改變電壓的波形而只改變電壓全波通過的次數，不會對電網造成污染，因此，本系統採用過零觸發方式。
MOC3041內部含有過零檢測電路，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零時，內部雙向晶閘管導通，觸發外部晶閘管導通，當MOC3041輸入引腳輸入電流為0時，內部雙向晶閘管關斷，從而外部晶閘管也關斷，其調光控制電路如圖3所示。