智慧家庭設(shè)計攻略：你不可不知的電路圖合集

　　【一、家居控制】

　　基于開關(guān)電源的無線智能家居控制系統(tǒng)電路模塊設(shè)計

　　針對目前智能家居結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高昂等的缺點，利用開關(guān)電源和單片機設(shè)計了一種無線智能家居系統(tǒng)。它將控制指令由遙控器通過無線方式發(fā)進到控制器上的無線模塊，再由無線模塊將指令解析給單片機，通過由單片機控制的開關(guān)電源來控制繼電器的開和關(guān)，從而達到智能化控制家電電源開關(guān)的目的。

　　2.1 無線發(fā)送模塊設(shè)計

　　發(fā)送模塊主要由HS1527(＄1056.0000)無線發(fā)碼芯片、聲表面濾波器、指示燈及濾波電路等組成，發(fā)送模塊作為遙控器來操作，電路圖如圖2所示。當按下不同的按鍵K時，發(fā)碼芯片就會通過天線發(fā)出不同的編碼，編碼經(jīng)過天線發(fā)送到接收模塊由接收模塊將編碼交由控制模塊解析處理，發(fā)送模塊供電電壓12 V，由電池供電。

　　圖2 發(fā)送模塊主要電路

　　2.2 無線接收模塊設(shè)計

　　無線接收模塊由兩部分組成，供電部分由LNK304DN(＄0.5040)及外圍電路組成，該電路可將220 V交流電壓轉(zhuǎn)換成直流5 V電壓，分別給接收模塊和控制模塊的處理器供電，電路圖如圖3所示。

　　圖3 控制器供電電路

　　無線接收部分主要由解碼芯片SYN500R、晶振和外圍電路組成超外差接收模塊，接收模塊負責(zé)接收來自發(fā)送模塊的編碼，然后將編碼交由處理器處理，處理器處理后通過放大器將信號放大，然后控制繼電器的開和合，接收部分電路圖如圖4所示。

　　圖4 無線接收電路

　　2.3 控制模塊設(shè)計

　　控制模塊主要由處理器單片機、繼電器和外圍元件組成開關(guān)電源，con端接入交流照明電，AC-L和AC-N分別接入交流電火線和零線，OUT端連接負載，此系統(tǒng)可以控制多路負載，實驗中該控制模塊連接了一個繼電器控制一路負載，控制模塊電路圖如圖所示。

　　電子發(fā)燒友網(wǎng)技術(shù)編輯點評：目前的智能家居無線遠程控制技術(shù)還處于不斷發(fā)展完善中，在實際應(yīng)用中也遇到了一些問題。例如受當前無線網(wǎng)絡(luò)信號的干擾、傳送帶寬方面和穩(wěn)定性的限制，使得諸如高質(zhì)量活動圖像傳輸?shù)纫恍└邔哟蔚墓δ軕?yīng)用仍比較難以實現(xiàn)，但隨著我國通信網(wǎng)絡(luò)的逐步建成，這些制約都將會被突破，家居智能化以及無線遠程控制技術(shù)將會得到更大的發(fā)展。


——本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)2014年12月《智慧家庭特刊》“EE DESIGN(＄9.9900)”欄目

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　　智能家居系統(tǒng)電路設(shè)計

　　科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，借助飛速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)，人們可以足不出戶地縱覽全球。為了適應(yīng)信息化的需求，科研機構(gòu)將智能化的理念引入小區(qū)管理，并進一步引入家庭，從而產(chǎn)生了智能家居的概念。將手機通信和以太網(wǎng)通信技術(shù)引入智能家居的設(shè)計，恰好利用了現(xiàn)有的良好的通信條件，使在外的業(yè)主能及時了解家中的安全，提高業(yè)主的安全感，而且通過手機實時控制家電，提高了業(yè)主生活的舒適度。

　　串行端口電路：家電控制板采用串口與XSBase270實驗箱進行通信，其采用了經(jīng)典的兼容RS-232標準的MAX232(＄2.0686)芯片作為串口的電平轉(zhuǎn)換芯片。電路的連接如圖2-4所示：

　　圖2-4　家電控制板串行接口電路

　　其中2腳RxD為接收引腳，3腳TxD為發(fā)送引腳，GND為信號地引腳。一般情況下普通串口只接這幾個引腳；特殊的串口，如藍牙串口除接上述的三個腳之外，還接了DSR引腳和CTS引腳，是因為藍牙串口的數(shù)據(jù)流輸出采用這兩個腳的信號控制；而其他引腳是跟MODEM相關(guān)的。在智能家居系統(tǒng)中，家電控制板接普通串口，GSM模塊接藍牙串口。RS-232信號相對于信號地而言，在正負電平之間擺動。發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送端輸出的正電平在+5V到+15V之間，負電平在-5V和-15V之間。無數(shù)據(jù)傳輸時，線上為TTL電平。接收器典型的工作電平在+3V~+12V與-3V~-12V。由于發(fā)送電平和接收電平的差僅為2~3V左右，所以其共模抑制能力差，加上雙絞線的分布電容，信號傳輸距離最大為15m，最高速率為20kb/s。MAX232(＄2.0686)包含2個驅(qū)動器、2個接收器和一個電壓發(fā)生器電路，提供TIA/EIA-232-F電平。該器件符合TIA/EIA-232-F標準，每一個接收器將TIA/EIA-232-F電平轉(zhuǎn)換成5V TTL/CMOS電平。每一個發(fā)送器將TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換成TIA/EIA-232-F電平。

　　家電控制電路

　　圖2-7 模擬家電控制電路

　　家用電器控制的接口電路如圖2-7 所示，K1～K4 為繼電器，分別控制四路家電的閉合和斷開，Q1～Q4 為繼電器線圈電流驅(qū)動，電路由單片機的P1口進行控制，DD1～DD4 發(fā)光二極管用于顯示某路控制電路的工作情況，主要為了調(diào)試電路而設(shè)置。

　　傳感器接口電路

　　圖2-8 傳感器接口電路圖

　　煙霧、煤氣泄漏、紅外等這些傳感器的報警信號通過光電耦合接入單片機的P2 口，如圖2-8 所示，在傳感器沒有報警信號時，光電耦合芯片處于截止狀態(tài)，與之相接的單片機端口為低電平；當傳感器有報警，傳感器輸出高電平，此時光電耦合芯片導(dǎo)通，與之相接的單片機端口為高電平，由單片機對報警信號進行采集并做出相應(yīng)處理。

　　電子發(fā)燒友網(wǎng)技術(shù)編輯點評：這是基于Windows CE.net 5.0嵌入式操作系統(tǒng)，以使用Intel XScale270為CPU的ARM10嵌入式實驗箱為硬件基礎(chǔ)，以Visual Studio 2005和Delphi為軟件開發(fā)平臺的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。設(shè)計融合了嵌入式系統(tǒng)、通訊、單片機、軟件開發(fā)等學(xué)科的知識。

　　智能家居中紅外遙控電路模塊的設(shè)計

　　如圖所示為系統(tǒng)遙控發(fā)射原理圖，P1.0 口為按鍵輸入口；P2.0 口為紅外發(fā)射端口，用于輸出38kHz 載波編碼，脈沖經(jīng)9013（NPN）放大然后由紅外發(fā)射管輸出；第9 腳為單片機的復(fù)位腳，采用RC 手動復(fù)位電路；18、19 腳接晶振。

　　紅外發(fā)射電路圖

　　圖4紅外發(fā)射電路圖

　　紅外接收電路模塊

　　一般的紅外接收頭主要由集成電路外加阻容元件，紅外線接收管及濾波光片等組成，電路設(shè)計相對繁瑣，在實際應(yīng)用中不方便。而紅外遙控接收頭SM0038 集紅外接收管，前置放大解調(diào)等于一體，無外部電路，體積小，密封性好，靈敏度高，應(yīng)用簡單，用小功率紅外發(fā)射管發(fā)射信號接收距離達35 米，并且價格低廉。它僅有三條管腳，分別是電源正極、電源負極以及信號輸出端，其工作電壓在5V 左右，接收頻率為38kHz，它的主要功能包括放大，選頻，解調(diào)幾大部分，要求輸入信號需是已經(jīng)被調(diào)制的信號。從而使電路達到最簡化，靈敏度和抗干擾性都非常好，是一個接收紅外信號的理想裝置。如圖5 所示：

　　接收電路及調(diào)光電路

　　接收電路和調(diào)光電路的實現(xiàn)均是通過繼電器實現(xiàn)的，給每一個繼電器串聯(lián)一個電阻，構(gòu)成一個回路，本電路將四個繼電器回路并聯(lián)，連接在P0 口上，當四個繼電器均閉合時，燈最亮，當三個繼電器工作時，燈較亮，當兩個繼電器工作時燈次亮，當一個繼電器工作時，燈最暗，當四個繼電器都不工作時，燈泡處于關(guān)閉狀態(tài)。接收電路圖如圖6 所示：

　　電子發(fā)燒友網(wǎng)技術(shù)編輯點評：選擇的是51 系列的AT89C51(＄3.7875)芯片，AT89C51(＄3.7875)是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS 8 位微處理器。該器件采用ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8 位CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL 的AT89C51(＄3.7875) 是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。AT89C51(＄3.7875) 是一個低功耗高性能單片機，40 個引腳，32 個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含2 個外中斷口，2 個16 位可編程定時計數(shù)器，2 個全雙工串行通信口，AT89C51(＄3.7875) 可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。

　　【二、通信 傳輸】

　　用于藍牙低功耗室內(nèi)燈光能源采集電路設(shè)計

　　此系統(tǒng)參考設(shè)計與現(xiàn)有解決方案之間有高度差異，這種設(shè)計不含電池，因此免去了電池更換、電池充電的麻煩，并且節(jié)省了與電池維護相關(guān)的成本。此解決方案還確保了不存在與安裝相關(guān)的限制，只要存在普通室內(nèi)照明即可。此外，也沒有 ON/OFF 開關(guān)；整個負載連接和斷開均由電源管理 IC 處理，因此確保了此解決方案具有自我管理能力。

　　能量接收電路設(shè)計

　　CC2541(＄2.3625)藍牙低能量電路設(shè)計

　　經(jīng)優(yōu)化的太陽能電池 （Cymbet），適用于室內(nèi)照明環(huán)境，通過可管理太陽能電池的高效直流/直流升壓轉(zhuǎn)換器/充電器，實現(xiàn)超低功耗，從低輸入源實現(xiàn)持續(xù)能量收集：VIN ≥ 80mV（典型值），超低靜態(tài)電流：電源管理 IC 的 Iq 小于330nA（典型值），而 BLE 芯片為 1uA，冷啟動電壓：VIN ≥ 330mV（典型值），可編程的動態(tài)最大功率點跟蹤 （MPPT）。

　　電子發(fā)燒友網(wǎng)技術(shù)編輯點評：在短距離低功率無線領(lǐng)域，似乎藍牙技術(shù)的地位已經(jīng)不容置疑。但在功耗和成本成為主要約束的情況下，應(yīng)用就受到了限制，較高的功耗使其應(yīng)用不能使用功率極小的鈕扣電池。此外，越來越多的智能產(chǎn)品要求裝置和設(shè)備之間要能夠?qū)崿F(xiàn)無線協(xié)作，以現(xiàn)行的藍牙技術(shù)。

　　智能家居專用STM32(＄20.3400) 以太網(wǎng)開發(fā)板電路設(shè)計

　　本文檔介紹的是一款基于STM32(＄20.3400) ENC28J60(＄2.3200)以太網(wǎng)開發(fā)板。作為終端，采集房間內(nèi)的溫濕度、聲音、光線等信號，并通過以太網(wǎng)發(fā)送出去。接收端可以為一樣的終端，也可以是PC，甚至是一個簡單的安卓APP?？梢宰鳛橹悄芗揖拥膶W(xué)習(xí)開發(fā)板。STM32(＄20.3400) ENC28J60(＄2.3200) 以太網(wǎng)開發(fā)板整個電路采用STM32(＄20.3400)F103RBT6（STM 32F103RBT6數(shù)據(jù)手冊）作為主控制芯片，以太網(wǎng)芯片ENC28J60(＄2.3200)S和NRF24L01(＄1.4400)（NRF24L01(＄1.4400)數(shù)據(jù)手冊）無線模塊實現(xiàn)無線通訊。

　　功能模塊包括：TM32開發(fā)板最小系統(tǒng)、電源模塊、LCD1602液晶顯示模塊NRF24L01(＄1.4400)無線模塊、ENC28J60(＄2.3200)以太網(wǎng)模塊等。

　　原理圖展示：

　　電子發(fā)燒友網(wǎng)技術(shù)編輯點評：以太網(wǎng)構(gòu)成智能家居的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，不僅可以避免重新布線的麻煩，同時可以提供可觀的數(shù)據(jù)吞吐能力，并且可以平滑過渡與互聯(lián)網(wǎng)相連接。依據(jù)以太網(wǎng)這些優(yōu)點，提出一個基于STM32(＄20.3400) ENC28J60(＄2.3200)以太網(wǎng)終端的解決方案，滿足了智能家居遠程控制的基本需求。

　　【三、家居安防】

　　智能家居安防無線監(jiān)控報警系統(tǒng)電路設(shè)計

　　無線監(jiān)控報警系統(tǒng)主要由GSM短信模塊、監(jiān)控者手機和智能監(jiān)控模塊組成，GSM模塊主要提供系統(tǒng)和用戶之間的通信信道。智能監(jiān)控模塊及其外圍電路可實現(xiàn)對周圍數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控，如果監(jiān)控對象正常的話就繼續(xù)循環(huán)監(jiān)測，如果出現(xiàn)問題，微控制器即采用AT命令通過GSM短信模塊發(fā)送短信息給監(jiān)控者，監(jiān)控者也可用短信息的命令形式去設(shè)置以微控制器為核心的智能模塊，以及發(fā)送短信消息查詢命令和監(jiān)控情況，從而達到無線監(jiān)控的目的。

　　PT2272組成的接收電路

　　PT2262／2272配對使用可組成遙控發(fā)射和接收電路。其中PT2262組成遙控器，PT2272組成接收器，它們必須工作在同一頻段，地址編碼必須完全相同才能配對使用。發(fā)射電路用來發(fā)射3I5MHz的高頻載波，將編碼后的地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼隨同載波一起發(fā)射出去，接收電路將發(fā)射電路發(fā)射出的信號有效地接收過來，經(jīng)過放大后，再送入解碼電路解碼后，變成所需的電信號。當解碼芯片PT2272接收發(fā)送過來的信號時，VT腳輸出一個正脈沖，經(jīng)9014取反后向單片機產(chǎn)生一個中斷請求，CPU接到中斷信號后讀取PT2272芯片的內(nèi)容，與此同時，相應(yīng)的數(shù)據(jù)腳也輸出高電平。如果發(fā)送端按鍵一直被按住，編碼芯片也會連續(xù)發(fā)射。當發(fā)射機沒有按鍵按下時，PT2262不會與電源連通，所以315MHz的高頻發(fā)射電路不工作。PT2272組成的接收電路設(shè)計圖見圖2。

　　PT2272解碼芯片分為鎖存輸出和非鎖存輸出。后綴數(shù)字n表示有n路并行的控制通道，當采用n路并行數(shù)據(jù)時，對應(yīng)的地址編碼應(yīng)該是位。地址輸入端，有三種狀態(tài)可供選擇：懸空、接電源、接地；數(shù)據(jù)輸出端，只有兩種狀態(tài)可供選擇：接電源、接地。本次設(shè)計選用PT2272-M4，即采用非鎖存輸出、地址碼8位、數(shù)據(jù)碼4位。

　　圖2 PT2272及射頻接收模塊組成的接收電路

　　TC35模塊

　　TC35主要由GSM基帶處理器、GSM 無線模塊、電源模塊、閃存、ZIF連接器、天線接口6部分組成，共有40個引腳， 通過一個ZIF 連接器引出。這40個引腳可以劃分為5類， 即電源、數(shù)據(jù)輸入／輸出、SIM 卡、音頻接口和控制。第1～14腳為電源部分， 其中1～5為電源電壓輸入端Vbatt+，6～10為電源地GND， 11、12充電引腳，13對外輸出電壓，14為ACCU—TEMP接負溫度系數(shù)的熱敏電阻；24～29為SIM 卡引腳；33～40為語音接口用來接電話手柄；15、30、31和32腳為控制部分；16～23位數(shù)據(jù)輸入／輸出。TC35模塊及其外圍設(shè)計電路圖見圖3。

　　使用TC35這個模塊時需要注意以下幾點：（1）模塊上電10ms后（電池電壓須大于3V），為使之正常工作，必須在15腳（IGT）加時長至少為100ms的低電平信號，且該信號下降沿時間小于1ms。啟動后，15腳的信號應(yīng)保持高電平。（2）SIM引腳中的CCIN引腳用來檢測SIM卡支架中是否插有SIM卡。當插入SIM卡，該引腳置為高電平時，系統(tǒng)方可進入正常工作。（3）TC35的SYNC引腳有兩種工作模式，一種是指示發(fā)射狀態(tài)時的功率增長情況，另一種是指示TC35的工作狀態(tài)。本模塊使用的是后一種功能，即當LED熄滅時，表明TC35處于關(guān)閉或睡眠狀態(tài)；當LED為“600ms亮/600ms熄”時，表明SIM卡沒有插入或TC35正在進行網(wǎng)絡(luò)登錄；當LED為“75ms亮/3s熄”時，表明TC35已登錄到網(wǎng)絡(luò)，處于待機狀態(tài)。

　　本文系統(tǒng)介紹了無線監(jiān)控報警系統(tǒng)的工作原理、總體設(shè)計框圖，對系統(tǒng)的內(nèi)部組成部分——電源、單片機、PT2272、TC35進行了闡述，并給出了PT2272和TC35的具體設(shè)計電路圖。這篇文章是針對家庭安全設(shè)計的一款無線監(jiān)控報警系統(tǒng)，也可用于其它場合。借助最可靠、最成熟的GSM移動網(wǎng)絡(luò)，直接將警情以短消息（短消息是全球移動通信系統(tǒng)中最簡便的數(shù)據(jù)通信方式。隨著短消息業(yè)務(wù)的日益完善，短消息已具備承載重要數(shù)據(jù)信息的能力）的形式反映到用戶手機顯示屏上，具備可靠性強、體積小和功耗低等特點。

　　電子發(fā)燒友網(wǎng)技術(shù)編輯點評：介紹了一種家居安防無線監(jiān)控報警系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計方法，它以SM89516A單片機為核心，通過控制由解碼芯片PT2272、射頻接收模塊組成的接收電路，對感應(yīng)器采集到的報警信息進行處理，通過控制TC35模塊以GSM短消息的方式實現(xiàn)合法用戶手機與監(jiān)控報警系統(tǒng)之間的指令與數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。該報警器具有現(xiàn)場警笛報警和無線報警功能。

　　智能電話遠程家電控制系統(tǒng)電路設(shè)計

　　提出了通過遠程電話實現(xiàn)智能家電控制系統(tǒng)的一種實現(xiàn)方案。介紹了家電和電話之間的控制接口電路， 討論了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件。智能家電是將計算機通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與數(shù)字技術(shù)，以簡單精巧的形式融入到傳統(tǒng)家電中，使家電具備智能化和信息網(wǎng)絡(luò)功能。智能家電的產(chǎn)生和發(fā)展將對傳統(tǒng)家電、計算機和通信業(yè)產(chǎn)生深遠影響。

　　雙音多頻信號解碼電路

　　DTMF 雙音多頻信號解碼電路是目前在按鍵電話、程控交換機及無線通信設(shè)備中廣泛應(yīng)用的集成電路。雙音多頻信號是一組由高頻信號與低頻信號疊加而成的組合信號，本系統(tǒng)采用HT9170作為DTMF 信號的解碼核心器件，如圖2 所示。

　　HT9170 是一個具有數(shù)字解碼和濾波功能的雙音多頻信號接收器，通過三次濾波和兩次數(shù)字解碼電路將DTMF 信號輸入轉(zhuǎn)換為四位并行二進制碼數(shù)字信號輸出。芯片內(nèi)有一個內(nèi)置的放大電路對輸入信號進行調(diào)整。其預(yù)置濾波電路可將350Hz ～400Hz 信號濾掉，再通過低通濾波電路和高通濾波電路將信號分解為低頻信號和高頻信號。利用數(shù)字計數(shù)的方法對16 種DTMF 輸入進行解碼，并產(chǎn)生4bit 的代碼輸出。當HT9170 接收到遠端用戶發(fā)送的DTMF 信號時，其DV 引腳被置成高電平，同時DTMF 信號被送至內(nèi)部電路進行解碼，將OE 腳置成高電平后，其D0～D3 腳輸出四位并行二進制數(shù)據(jù)，DTMF 輸入與解碼輸出對應(yīng)關(guān)系如表1 所示，其中Z為高阻態(tài)。輸出的四位并行二進制數(shù)據(jù)直接與單片機的P0. 0～P0. 3 連接，讀入至單片機處理。

　　振鈴檢測與上線P離線開關(guān)電路

　　電話被呼叫時，交換機發(fā)來振鈴信號。振鈴為連續(xù)的正弦波，電壓有效值50V ±12 V ，振鈴周期約為5 秒。為避免用戶呼叫系統(tǒng)時產(chǎn)生的高壓振鈴信號對DTMF 信號解碼電路產(chǎn)生危害，在系統(tǒng)待機及振鈴時，DTMF 信號解碼電路應(yīng)處于離線狀態(tài)。只有在系統(tǒng)檢測到振鈴并自動摘機后，DTMF 信號解碼電路才處于上線狀態(tài) 。

　　系統(tǒng)拋棄了一些復(fù)雜的，兼容性差的芯片，取而代之的是得到廣泛應(yīng)用并且控制簡單的DTMF 雙音頻解碼芯片和單片機，識別率高，并且技術(shù)成熟，使得系統(tǒng)可以在復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定工作。此外，可以通過進一步的高級菜單設(shè)計與驅(qū)動電路設(shè)計來完善控制單元，增加控制家電的運作時間、風(fēng)速等級等復(fù)雜操作，使遠程家電控制方式更加智能化。

　　電子發(fā)燒友網(wǎng)技術(shù)編輯點評：介紹的電話遠程智能家電控制系統(tǒng)以標準程控交換信令作為系統(tǒng)控制命令，實現(xiàn)對家用電器等設(shè)備的遠程控制。廣泛應(yīng)用并且控制簡單的DTMF 雙音頻解碼芯片和單片機，識別率高，實現(xiàn)方案制作簡單、投資低，此外由于價格低、使用方便等特點而便于推廣。

　　【四、家庭保健】

　　睡眠呼吸暫停癥監(jiān)視電路設(shè)計

　　每年因為睡眠呼吸疾病死去的人不在少數(shù)，很恐怖吧。這就是睡眠呼吸暫停癥，一般在診斷患者是否罹患睡眠呼吸暫停癥是指患者在睡眠中出現(xiàn)呼吸暫停和低，通氣的總次數(shù)超過每小時5 次。如何保證家里的睡眠呼吸暫停癥患者安全睡眠呢？本文將介紹一種無線型睡眠呼吸暫停癥監(jiān)視系統(tǒng)電路設(shè)計。

　　生理參數(shù)測量計

　　心跳變化使用的感測組件為光傳感器，主要利用人體心臟收縮時血管中的血流量及血氧濃度會因此而產(chǎn)生變化。本系統(tǒng)采用光耦合器（CNY70(＄0.5376)）利用光反射法偵測血管末端血流量的變化。音頻信號接收器主要是接收睡眠時因呼吸道阻塞所產(chǎn)生的鼾聲，本系統(tǒng)采用電容式音頻接收器作為信號接收的主要組件，利用接收音波壓力改變振動膜的位移量，使振動膜與鋁質(zhì)外殼間的電容CT 隨著音波強弱改變電容量，再經(jīng)FET 完成阻抗的轉(zhuǎn)換產(chǎn)生RECM，使REXT 和RECM 的分壓改變，得到不同的輸出。圖1 為音頻接受器內(nèi)部架構(gòu)及動作原理。

　　圖1 音頻接受器內(nèi)部架構(gòu)及動作原理

　　呼吸傳感器的工作原理是利用呼吸時胸腔會產(chǎn)生起伏而拉動臥式可變電阻因而產(chǎn)生電阻值的改變。

　　生理信號感測電路

　　心跳變化時，傳感器所測量到的信號，包含有直流偏壓（DC Offset）、心跳變化的信號、呼吸及肌肉顫動、60Hz 及高頻的噪聲，其中心跳變化的信號為所需的信號，其它信號一律視為噪聲，因此分別采用硬件的前置濾波電路及軟件兩種處理方式，以消除不同的噪聲對測量所造成的影響。前置濾波電路主要特點是可以減輕軟件程序進行數(shù)字信號處理所需的運算量及時間，避免造成信號處理過程中延遲情形。圖2 為心跳感測電路。

　　呼吸感測電路

　　利用呼吸時胸腔的起伏拉動臥式可變電阻改變電阻值因而產(chǎn)生的電壓變化，經(jīng)由信號放大電路、比較電路，即可判斷呼吸的情形。圖3為呼吸感測電路。

　　CPU 及顯示電路

　　圖4 所示為本系統(tǒng)CPU 及顯示電路。CPU 是使用盛群半導(dǎo)體股份有限公司所生產(chǎn)的HT46R24 微控制器，其中由Port A 及Port C 驅(qū)動15*4 中文顯示型LCD，作為生理參數(shù)數(shù)據(jù)的顯示，Port B 為生理參數(shù)及定時器的輸入端，而Port D 則經(jīng)過MAX232(＄2.0686) 準位轉(zhuǎn)換做串行傳輸。

　　生理參數(shù)測量計之程序如下：在生理參數(shù)測量時為了避免讀取到身體翻轉(zhuǎn)時的錯誤信號，利用多重讀取的方式加以避免，在信號變化時連續(xù)讀取，且每次讀取間加入一段時間延遲，再經(jīng)過比對讀取的信號是否相同，此方式可降低信號讀取時的錯誤率。處理完成后的生理參數(shù)資料存放于微控制器的緩存器，并通過中文型LCD 顯示所測量到的生理參數(shù)。藍牙無線模塊傳輸方面，主要將儲存在微控制器內(nèi)部緩存器的生理參數(shù)數(shù)據(jù)通過RS-232 串行傳輸與個人計算機間做數(shù)據(jù)通訊。

　　電子發(fā)燒友網(wǎng)技術(shù)編輯點評：在設(shè)計單芯片微控制器時，必須以時間軸為基準，測量各項生理參數(shù)，才能于重建時找出各個生理參數(shù)間的關(guān)系。為了使生理參數(shù)測量計的體積小型化， 必須選擇低消耗電量及體積較小的組件，并使用微控制器使整體電源消耗最小化。藍牙無線傳輸模塊為低功率消耗且高安全性的無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。

　　【五、智能照明】

　　通用照明應(yīng)用的可調(diào)光LED 驅(qū)動器電路設(shè)計

　　近年來，世界上多個國家制定政策以分階段淘汰白熾燈泡。熒光燈及緊湊型熒光燈（CFL）的能效比白熾燈高，但含劇毒物質(zhì)汞，存在環(huán)保顧慮。相比較而言，具備環(huán)保優(yōu)勢、近年來成本穩(wěn)步下降的高亮度白光LED 技術(shù)已經(jīng)快速改進，適合于白熾燈泡替代等LED 通用照明應(yīng)用。LED 通用照明應(yīng)用覆蓋寬廣功率范圍，低至3 W 到15 W 的LED 住宅照明，中等功率有如15 W至75 W 的商業(yè)及建筑物裝飾性照明，高至75 W 到250 W 的戶外及基礎(chǔ)設(shè)施照明，典型照明產(chǎn)品有如MR16/GU10 燈、E27/A19 燈泡、鎮(zhèn)流器、筒燈、T8 燈管、街燈等。

　　在低功率LED 通用照明應(yīng)用方面，可以采用的LED 驅(qū)動器包括NCL30000(＄0.6000)、NCL30002(＄0.7425)、LV5011、LV5012、LV5026(＄0.9720) 及NCL3008x 系列等。中等功率LED 通用照明應(yīng)用中可以采用NCL30000(＄0.6000) 及NCL30001(＄1.2600) 等單段式功率因數(shù)校正LED 控制器；功率更大的應(yīng)用可以采用NCL30051(＄1.6625) 和NCP1910(＄1.0875) 這樣的高能效組合控制器。對于中大功率LED 通用照明應(yīng)用而言，設(shè)計人員還可以根據(jù)應(yīng)用需求選擇傳統(tǒng)的兩段式（PFC 段 + DC-DC 轉(zhuǎn)換段）LED 驅(qū)動方案。其中，NCL30000(＄0.6000) 及NCL30002(＄0.7425) 均是單段式功率因數(shù)校正（PFC）、支持TRIAC 調(diào)光的LED 驅(qū)動器。安森美半導(dǎo)體開發(fā)了基于NCL30000(＄0.6000)/2 的非隔離可調(diào)光、高功率因數(shù)（PF） A 型燈、GU10降壓LED 驅(qū)動器參考設(shè)計，其電路圖如圖4 所示。

　　圖4：基于NCL30000(＄0.6000)/2 的非隔離、TRIAC 可調(diào)光A 型燈/GU10 降壓LED 驅(qū)動器參考設(shè)計。

　　LV5011、LV5012 及LV5026(＄0.9720) 均支持TRIAC 調(diào)光。其中，LV5026(＄0.9720) 集成了外部泄能控制電路，LV5011 則在LV5026(＄0.9720) 的基礎(chǔ)上集成了功率MOSFET。LV5012 除了內(nèi)置啟動高壓MOSFET，還內(nèi)置TRIAC 穩(wěn)定功能。

　　圖5：支持TRIAC 調(diào)光的LV5026(＄0.9720)、LV5011 及LV5012 應(yīng)用電路圖。

　　NCL3008x 系列目前包括NCL30080(＄0.3500)、NCL30081(＄0.3920)、NCL30082(＄0.3920) 和NCL30083(＄0.4340) 等器件，是安森美半導(dǎo)體新推出的高能效準諧振控制器，用于低功率LED 照明應(yīng)用。這系列器件中，NCL30081(＄0.3920)和NCL30083(＄0.4340) 支持分步調(diào)光（5 步調(diào)光），而NCL30082(＄0.3920) 支持模擬、數(shù)字PWM 及TRIAC 調(diào)光。NCL30081(＄0.3920) 和NCL30083(＄0.4340) 的分步調(diào)光功能，使LED 照明燈具能夠使用標準壁式開關(guān)就可進行5步調(diào)光。這種調(diào)光驅(qū)動方案可直接使用標準壁式開關(guān)，無需改造照明基礎(chǔ)設(shè)施，成本具有優(yōu)勢。

　　圖7：基于NCL30082(＄0.3920) 的可調(diào)光低功率LED A 型燈設(shè)計。

　　電子發(fā)燒友網(wǎng)技術(shù)編輯點評：隨著智能化的普及，LED 照明也得到迅速發(fā)展。本文分析了通用照明LED 驅(qū)動器面臨的挑戰(zhàn)，簡要介紹各種功率等級的LED 通用照明應(yīng)用的驅(qū)動器方案，并著重介紹了可調(diào)光的LED 驅(qū)動電路設(shè)計，以推動LED 通用照明發(fā)展及迎接LED 智能照明時代的來臨。

　　【六、能源管理】

　　智能用電的家庭能源管理儀表電路設(shè)計

　　隨著中國城市化進程的推進，經(jīng)濟的發(fā)展，能耗總量呈持續(xù)增長的態(tài)勢，因此能源管理勢在必行。對工礦企業(yè)、建筑樓宇的能源管理，依賴于對能源信息的數(shù)采集及分析。除電能外，其它種類能耗也需要采集，如水、氣等。目前大部分的水表、氣表，其信息遠傳方式為脈沖輸出，并不適合能源管理系統(tǒng)的直接采集需求，因此很難將非電量的能耗信息融入能源管理系統(tǒng)?，F(xiàn)有的脈沖采集器是針對老式機械式電度表開發(fā)的產(chǎn)品，完成電能脈沖到電度數(shù)的數(shù)字轉(zhuǎn)化，但不能將水量、氣量等轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的數(shù)字當量。

　　信號采集

　　三相交流電壓、電流信號采集：基于成本、內(nèi)部空間和0.5 級精度設(shè)計的綜合考慮，電壓信號采樣選用電阻網(wǎng)絡(luò)分壓的方式，電流信號采樣選用電流互感器加電阻取樣的方式，并都采用二極管BAV199(＄0.0234) 作箝位保護。

　　外部輸入脈沖信號采集

　　對脈寬為80ms±20ms 的三路外部輸入脈沖信號進行計數(shù)（對于脈寬不在此范圍之內(nèi)的信號作為雜波濾脈沖輸出接口為光耦隔離型，脈沖波形為標準方波，脈沖寬度為80ms±20ms，硬件原理如圖所示。

　　電子發(fā)燒友網(wǎng)技術(shù)編輯點評：本文提出了一種新穎的帶脈沖計量的能源管理儀表。采用TERIDIANEnergy Meter IC 71M6533(＄5.0540)，利用其片內(nèi)高精度22 位Δ-ΣADC 和獨立的32 位計算引擎，利用一系列開發(fā)工具，結(jié)合豐富的電表設(shè)計經(jīng)驗，完成了儀表開發(fā)。對比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集器，具有成本低、精度高、直觀易讀、安裝簡潔、組網(wǎng)方便等優(yōu)點。


——本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)2014年12月《智慧家庭特刊》“EE DESIGN(＄9.9900)”欄目

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