基于射频技术的智能家电集中控制系统设计

袁 芳， 陈 振， 江 伟， 刘超俊

(东华理工大学核技术应用教育部工程研究中心，江西南昌 330013)

随着科技的迅猛发展和人民生活水平的提高，家中电器数量越来越多，电器控制也越来越复杂，但目前主要还是采用手动控制方式，逐个控制电器或灯具，这样不仅麻烦而且效率低下，不符合现代舒适生活的标准。

智能家居概念的引入，使得家用电器集中控制系统的发展进入了全新的阶段。集控系统可以对民用住宅、宾馆、写字楼等多电器场所的所有电器进行集中控制。智能家居系统能够对家里的电器、灯光、电源、家庭环境进行方便地控制，使人们尽享高科技带来的简便而时尚的现代生活(张建文等，2010;管小明等，2010)。

本文利用无线射频技术，设计了一款物美价廉的智能家居控制系统，可以实现各种家用电器的集中控制，既节约了成本，又具有非常好的通用性和实用性，具有广阔的市场前景。

1 系统的总体设计

基于射频技术的家电集中控制系统由单片机、调频收发模块、负载电路等组成，实现多个目标的控制。该系统主要由发送和接收两大部分组成，发送端由集中控制的遥控板、无线发送电路组成;接收端由无线接收电路、负载电路组成，可以根据控制需要，设置多个接收对象，系统整体框架图如图1所示。

首先通过按键电路确定要操作对象的地址匹配识别编码，按下后切换到遥控某一对象的状态，编码电路产生带有地址编码信息和控制状态信息的编码脉冲信号，再通过无线发送电路将该信号发射出去。

无线电接收电路将接收到的编码脉冲信号，通过解码电路进行编码地址匹配确认，确认是否为本遥控接收端编码地址。解码电路产生相应的输出信号，输出信号去控制负载电路，实现接收端调光控制、调速控制、开关控制等功能(陈良，2008)。

2 无线发送模块

2.1 无线发送电路的设计

图1 系统整体框架图Fig.1 System framework

采用8位地址码和4位数据码的PT2262芯片，编码电路PT2262的第1～8脚与单片机P1.0～P1.7连接，通过单片机的控制实现切换不同的遥控对象，芯片1～8脚的不同的“0、1、f”三种状态与接收端芯片PT2272的1～8脚对应。该部分电路主要由315 MHz无线数据发射电路和编码集成芯片PT2262组成，该无线发送电路图如图2所示。

该电路具有较宽的工作电压范围3～12 V，当电压变化时发射频率基本不变，和发送电路配套的接收模块无需调整就能稳定地接收。当电压为3 V时，传输距离约20～50 m，发射功率较小;当电压为5 V时，传输距离约100～200 m;当电压为9 V时，传输距离约300～500 m;当电压为12 V时，为最佳工作电压，具有较好的发射效果，发射电流约60 mA，传输距离可达700～800 m，发射功率约500 mW。当电压大于12 V时功耗增大，有效发射功率不再明显提高(姬五胜等，2011)。

2.2 无线发送控制电路的设计

遥控按键分为遥控对象切换键和功能控制键，遥控对象切换键主要通过按键与单片机来控制发射模块PT2262芯片的地址码引脚，使之与不同方式焊接的接收端芯片对应，从而达到控制不同遥控对象的目的。功能控制键对应发射模块的数据码，从而控制不同负载电路的各种功能。不同接收端的负载电路共用功能键，不会产生干扰。本控制系统有12路遥控对象，每种对象有4种操作功能，遥控板布局结构如图3所示。

开关键用于打开关闭遥控板电源，该键可以关闭所有控制的各路电器，遥控对象切换键主要切换各遥控对象，例如1号键代表普通灯，2号键代表2调光灯，3号键代表电风扇，4号键代表电动窗帘。功能操作区主要对选定的对象进行功能操作，各路对象共用四个功能键，例如1号对象普通灯，A键表示开，B键表示关，C、D键无操作功能;对2号对象调光灯，A键表示暗光，B键表示亮光，C键表示关，D键无功能。具体各个通道功能根据接收端控制电路来确定，可在遥控板背面对各对象的功能键进行列表说明，方便用户使用。

图2 发送电路原理图Fig.2 Circuit schematics of transmission

采用AT89S51单片机的P0口为键盘I/O口，键盘的列线接到P0口的低4位，键盘的行线接到P0口的高4位(柯国琴，2010)。列线 P0.0～P0.3分别接有4个5.1k上拉电阻到正电源+5V，并把列线 P0.0 ～P0.3 设置为输入线，行线 P0.4 ～P0.7设置为输出线。4根行线和4根列线形成16个相交点。其中前12个点作为遥控对象切换控制键，后四个点作为功能操作键 A、B、C、D，控制 P3.4～P3.7的四位数据端输出。P3.2作为INT0外部中断0的输入口，用于控制全部受控端关闭功能。

P1.0～P1.7输出八位地址编码信号，用于控制PT2262芯片的地址码，达到切换不同遥控对象的目的。P3.4～P3.7为功能操作信号输出端，通过此四位数据码可对遥控进行各种功能操作，按键控制电路如图4所示。

该系统的软件设计主要是实现按键检测控制和实现向PT2262芯片输入引脚识别信号。先从P0口的高四位输出低电平，低四位输出高电平，从P0口的低四位读取键盘状态;再从P0口的低四位输出低电平，高四位输出高电平，从P0口的高四位读取键盘状态;将两次读取结果组合起来就可以得到当前按键的特征编码。使用上述方法得到16个键的特征编码。根据按键的特征编码，查表得到按键的顺序编码。将得到的16个按键的特征编码顺序排成一张特征编码与顺序编码的对应关系表，然后用当前读得的特征编码来查表，当表中有该特征编码时，它所在的位置就是对应的顺序编码(王海涛等，2009)。

图3 遥控按键使用功能图Fig.3 Functional diagram of remote control button

当识别出的按键为1，2，3，…，12 时，单片机将P1口输出所PT2262所对应的引脚识别编码，例如当1号键按下时，P1口输出00000001，2号键按下时，P1口输出00000010，以此类推。当识别出的按键为13、14、15、16时，所对应的遥控板上的按键为A、B、C、D，此时单片机P3.4 ～P3.7 口向 PT2262 输出对应的功能操作码，例如当A键被按下时，P3.4～P3.7 口输出0001，当 B 键被按下时，P3.4 ～P3.7口输出0010。主程序流程图如图5所示。

3 无线接收模块

3.1 无线接收电路的设计

该无线接收芯片可根据实际情况不同有两种选择，若负载电路需用单片机进行控制，则使用后缀为M4(四位非锁)的PT 2272解码芯片(PT2272～M4);若直接驱动继电器进行控制，则使用L4(四位锁存)芯片(PT2272～L4)。PT2272工作电压为5 V，其中A0～A7为地址管脚，用于进行地址编码，可置为0、1、f(悬空)，在焊接时固定，但不同接收端的芯片地址引脚焊接方式不同，便于遥控发射端的识别，当接收端PT2272与发射端单片机所置的PT2262地址一致时，表示将对此接收端进行遥控，芯片解码工作，否则不解码。D0～D3为数据管脚，当地址码与PT2262一致时，数据管脚输出与PT2262数据端对应的高电平，锁存型只有在接收到下一数据时才能转换。DIN为数据信号输入端，来自接收模块输出端。OSC1、OSC2分别为振荡电阻的输入和输出端，外接电阻决定振荡频率。VT为解码有效确认端，高电平有效，接上一个发光二极管用来检测是否收到有效信号。接收部分的电路原理图如图6所示。该部分电路主要由315 MHz无线数据接收电路、解码集成芯片PT2272组成。

图4 按键控制电路Fig.4 Key control circuit

图5 主程序流程图Fig.5 Flowchart of main program

图6 无线接收电路原理图Fig.6 Schematic of wireless receiver circuit

3.2 继电器构成的开关控制电路的设计

继电器构成的开关控制电路是最常用的接收端负载电路，即用PT2272的四位数据输出端加简单的三极管放大，驱动继电器，构成四路开关，从而达到电路的开关控制。典型的应用实例为电灯开关、台灯开关以及各种简单的开关控制电路。这类的负载电路要求接收电路芯片PT2272为L(锁存)型，这样就可保证按键松开后数据端口高电平继续处于锁存状态，直到下一次数据信号到来改变其状态。电路原理图如图7所示。

3.3 可控硅调光电路的设计

可控硅调光的应用主要有双向晶闸管电路，如图8所示。主电路由电感L、双向晶闸管及灯泡组成。双向晶闸管相当于正、反向并接的2只可控硅，无论电源电压处于正半周或负半周，等效的2只可控硅总有1只导通，另外l只截止。

双向可控硅的控制信号由亮度调节R1、C1和R2、R3、R4、R5其中一个电阻以及双向二极管D1所构成的触发电路来提供。电源通过R1和R2、R3、R4、R5其中一个电阻给 C充电，通过 PT2272的数据端来接入不同阻值的 R2、R3、R4、R5，可以改变C上的电压达到可控硅控制极触发电压的时间，使晶闸管的导通角随之变化，从而改变电灯两端交流电压被“截去”部分的多与少，达到调节灯泡亮度的目的。当R2、R3、R4、R5阻值越大，晶闸管开始导通的时刻越迟，灯泡越暗。

4 结论

本文设计了基于射频技术的家电集中控制系统，该系统由无线收发模块PT2262/2272芯片构成射频发送和接收电路，发送部分主要由发送电路和无线发送控制电路组成;接收部分由接收电路和负载电路组成。在接收电路中，根据不同受控对象的实际情况，添加相应的电路，实现集中控制的目的，通过实验验证了该设计的正确性和高可靠性，而且该设计具有结构简单、价格低廉、易于普及、遥控方便的优点，具有广阔的市场应用前景。

图8 双向晶闸管构成的调光电路Fig.8 Dimming circuit constituted by two-ways thyristor

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