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[教程] 用STM32做智能家居

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    2016-10-16 19:17
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    [LV.4]偶尔看看III

    发表于 2016-9-8 16:22:01 |显示全部楼层
    机智云硬件大赛作品展示

    3.智能家居云控制套件的硬件设计
    3.1智能家居硬件设计的总体要求
    本设计由多个模块构成,涉及互联通网信、高频电路、传感器、弱电控制强电等技术,整个设计的成功运行依赖硬件电器部 分的稳定性。要设计出稳定、可行的电气系统要满足:
    1.主控芯片和它的外设传感器分开供电,给主控芯片一个独立的稳压电路,保证
      主控芯片的电源稳定性。
    2.设计电路时做好强弱电的分离工作,防止外部强电影响系统的稳定性。
    3.主控系统与继电器进行连接时要做光电隔离,防止电涌造成主控系统死机。
    4.为主控系统配置后备电源,防止电源意外断开造成单片机运行数据的丢失。

    3.2硬件供电电路
       整个智能家居云控制套件中由智能网关、插座、红外转发器等多个小系统组成,每个小系统工作在不同的环境下,小系统中又有不同的芯片和传感器。电源的设计对智能家居云控制系统格外主要,要根据系统所在的环境选择不同的电源输入,子系统得到电源后还要根据电路中芯片、传感器的电源需求选择不同的稳压电路。

    3.2.1 220V-5V整流稳压电路
       智能家居云控制套件中的电灯控制模块、插座控制模块、红外电器遥控模块、语音模块最终都会安装在86型通用暗盒中,所以最方便最直接的方式就是直接从220V市电中取电,此时需要把220V的交流电整流降压成模块所需要的5V直流电,整流稳压模块电路图如下图3.1 所示:
    本机采用的是现成的交流电转直流电降压模块,这是一款微型5V-700ma隔离开关电源模块,具有温度保护、高低压隔离、短路保护及过流全保护,电压的输入范围在85V-265V交流电之间,可以使模块准确得输出直流5V电源,体积小巧。可以完美的焊接在PCB板上。

    3.2.2 AMS1117.5.0 稳压电路
       智能网关中的时钟电路和彩色触控屏都是在5V电压下工作,需要选择合适的稳压电路把智能网关电源输入端的9V电源稳压成5V。AMS1117-5.0是一个正向低压降稳压器。芯片内内部集成过热保护和限流电路,具有1%的精度,广泛应用于小型移动设备。它的原理图如下图3.2所示 :

    为了对电路进行蓄能和消除旁路的高频噪声,本设计在稳压芯片的输出端接入钽电容作为去耦电容。时钟电路和触控屏均为数字电路,所以采用数字电路中典型的0.1uf去耦电容,它对噪声有较好的去耦效果。同时还在稳压芯片的输出端接上电源指示灯,用1K的电阻对指示灯电路进行限流,防止过流损坏LED灯。

    3.2.3 AMS1117-3.3稳压电路
    智能家居控制器中的MCU、NRF24L01、WiFi模块都需要在3.3V的电压下工作,这些通信模块和MCU都是系统中的核心,对电源的稳定性非常高。本设计选用AMS1117系列稳压芯片中的3.3V。它的原理图如下图3.3所示:

        由于这些核心元件对电源的稳定性都很高,本设计在稳压芯片的输入端和输出端都加入钽电容作为去耦电容,以此消除旁路中的高频噪音。也同样在芯片的3.3V输出端和GND之间加入发光二极管电路,用来观察供电情况。

    3.2.4 TP4056充电管理电路
       门窗开合警报模块是粘贴在门窗上,本设计在之前的方案对比中选择了单节锂电池作为模块的供电电源。为了保证电池与电路板的稳定性和模块外壳的一致性,要把电池固定在电路板后封装在亚克力外壳内。这样就只能用充电管理电路给锂电池充电了,实际使用中,把手机充电器的插口插到模块的Micro USB中就可以了。它的原理图如下图3.4所示:

    在充电时,红色发光二极管会亮起表示充电状态,充满时绿色发光二极管会亮起。本设计在官方电路的基础上加上下载口和电源开关,使模块下载程序时不必取下锂电池。更方便的下载程序。

    3.3主控芯片电路
    3.3.1 智能网关的主控芯片电路
        智能网关的控制芯片选择的是:STM32F103ZET6,它要与WiFi模块和NRF24L01无线通信模块通信,读取触控屏的参数,最后把这些数据进行拟合和打包发送。这个芯片是整个系统的核心。它的核心电路图如下图3.5所示:

    3.3.2 插座、灯座等子系统的主控芯片电路
       为了考虑编程时的统一性,在考虑插座、灯座等五个子系统的总体需求后,我把所有子系统的单片机型号都统一为STC15W408AS。主控芯片在子系统中把来自智能网关的控制指令进行解析,然后再转换成实际指令去控制电灯、插座、MP3模块等外设。这款单片机是内置晶振的,并不需要外部起振电路,在下载程序时选定晶振频率便可。它的核心电路图如下图3.6所示:

    3.4无线通信电路
    3.4.1 HF-PB100 WiFi模块电路
        智能家居云控制套件要想实现云控制就必须要连接到互联网,其中最方便最简洁的方式就是采用WiFi连接的方式。所有手机端的操控指令都要通过WiFi模块的转发才能到达子系统。本设计中采用的WiFi模块的型号是: HF-PB100,它支持802.11b/g/n无线标准,支持USART/SPI/GPIO数据通信接口,针对智能家居这种低流量低频率的数据传输领域作了专门优化。本设计的主控芯片与WiFi模块采用串口的方式进行数据交互,把主控芯片的TXD、RXD分别与WiFi模块的RXD、TXD相连。它的原理图如下图3.7所示:

    3.4.2 NRF24L01无线通信模块电路
    智能网关控制套件与下属的五个子系统都依靠无线通信模块进行数据交互,所有的控制指令都依靠无线通信模块传输到子系统上。本设计所用的无线通信模块是NRF24L01,它要用3.3V供电,通信引脚都可以直接和普通的5V单片机IO口直接相连,可用普通的IO口模拟SPI来控制。当单片机IO口电流超过10mA时需要串联电阻分压。本设计的主控芯片IO口电流少于10mA,所以直接将NRF24L01无线通信模块的引脚连接到主控芯片的IO口上。

    3.5其他控制应用电路
    3.5.1 DS1302时钟电路
           智能家居云控制套件中是具有定时开关灯的功能,此时就需要给主控芯片提供一个参考时间作为对比。这样,主控芯片判断到定时时间到了的时候就可以控制电灯和插座的动作了。本设计采用的是DS1302时钟电路,为模块配备了3.3V的纽扣电池作为后备电池,这样时钟电路在智能网关控制系统断电的时候就不会停止计时,导致每次都要调整时间。DS1302时钟芯片采用三线SPI接口与主控芯片进行通信,通信时需要在三个引脚上加上1K的上拉电阻,否则将无法正常通信。DS1302时钟电路原理图如下图3.9所示:

    3.5.2 MP3模块电路
       语音模块在门窗意外打开时发出警报声和平时用作音乐播放的,它在接收到主控芯片的串口指令时需要根据指令的内容播放/暂停歌曲、切换歌曲等。它是一个成品模块,与主控芯片进行串口通信,采用直流5V的供电方式,其中的SPK1-,SPK1+引脚接到扬声器上。模块的原理图如下图3.10所示:

    3.5.3 继电器控制电路
          电灯控制模块和插座控制模块接收到电源通断指令时最终都要依靠主控芯片控制继电器控制电路来完成动作。本设计的继电器的通断是通过控制S9015来实现的,在继电器线圈两端并联一个IN4007二极管续流,防止继电器失电时产生的电动势损坏三极管。考虑到线圈的驱动电流比较大,为了防止继电器对主控芯片造成干扰,采用了一个光耦开关对继电器和MCU进行光电隔离。当IO口输出“1”时,继电器得到电而闭合。当IO口输出“0”时,继电器就因为断电而断开。继电器的电路原理图如下图3.11所示:

    3.5.4 红外发射管电路
       红外电器遥控模块在接收到来自智能网关的遥控指令时,需要通过主控芯片将遥控指令翻译成38KHz载波调制的红外信号。红外发光二极管在少于20mA的电流下工作。为了适应不同的工作电压,需要在回路中串联限流电阻。本设计用一个S9015三极管驱动发光二极管,在发光二极管的基极串联一个1K的电阻,然后又加上一个1K的上拉电阻来保证驱动电路的稳定性。考虑到红外发光二极管的发光角度局限,在模块的不同方向均放置了一个发光电路,保证红外信号的覆盖性。红外发射管的电路原理图如下所示:

    3.5.5 干簧管电路
        门窗开合警报模块依靠检测粘贴在门框上的磁铁来检测门的开合状态的,只要模块检测到磁铁,干簧管就闭合,IO口输出低电平。模块检测不到磁铁,IO口输出高电平。在干簧管上串联一个1K的限流电阻,在IO口与GND之间串联一个1nF的滤波电容。干簧管的电路原理图如下图3.14所示:

    3.5.6 OLED显示屏电路
    本设计在每个模块上都设置了OLED模块的电路。OLED 屏是一种可控亮度的自发光屏幕。可以在上面显示文字、字符,操作方便,功能丰富,在调试程序的过程中占据重要的位置。模块与单片机进行SPI通信,用单片机模拟SPI总线非常方便。模块电路的原理图如下图3.15所示:




    图3.1 220V-5V整流稳压电路图


    图3.2 AMS1117.5.0 稳压电路图



    图3.3 AMS1117-3.3稳压电路图



    图3.4 TP4056充电管理电路图



    图3.5 STM32F103ZET6 最小系统电路图



    图3.6 STC15W408AS最小系统电路图



    图3.7 WiFi模块电路图



    图3.8 NRF24L01无线通信模块电路图

    3.9.png (32.88 KB, 下载次数: 4)

    图3.9 DS1302时钟电路图



    图3.10 mp3模块电路图



    图3.11 继电器控制电路图



    图3.12 红外发射管电路图



    图3.13 干簧管电路图



    图3.14 OLED显示屏电路



    持续更新中,敬请期待~
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