基于射频技术的无线开关设计

何钧锋，郭吉如

（河南科技学院新科学院 电气工程系，河南 新乡 453003）

0 引 言

无线开关的问世，解决了家居装修的很多问题，实现了按照用户需求安装开关，并可根据生活需要灵活移动位置。基于射频技术的无线开关拥有控制距离远、抗干扰能力强以及对传播方向要求不高等特点，在采用PT2262芯片的基础上，利用单片机实现编码。本设计采用超再生接收电路，设计成本低、功耗小且灵敏度高，同时采用软件实现PT2262的解码。该设计相较于其他设计，灵活性和性价比较高。

1 硬件设计

1.1 设计框图

无线射频遥控由发射部分和接收部分组成。发射部分由编码电路和射频发射电路组成；接收部分由电源电路、射频接收电路、解码电路、继电器电路以及负载电路组成。发射器框图如图1所示，接收器框图如图2所示。

图1 发射器框图

图2 接收器框图

1.2 发射部分

1.2.1 编码电路

编解码电路的实现有两种。一种是硬件编解码，利用芯片PT2262/PT2272实现编解码[1]。但是，PT2272解码时，发射端和接收端必须采用相同的地址编码，这样接收端才能在有效的通信距离内接收到发射端的信号，因此限制了无线收发设备的应用。另一种是通过按键由单片机进行编解码。两种方案各有优缺点：单片机解码速度快、使用方便、可解码多种编码、配置灵活且发射端地址对其没有影响，但速度较慢；编解码芯片具有可靠性高、集成度高以及功耗低等优点，但灵活性小、可控性差且耗时长。本设计采用单片机通过软件编程实现编解码，既保留了编解码芯片的优点，又实现了单片机编解码的优点[2]。

1.2.2 射频发射电路

射频发射电路一般选择通信频率为315 MHz或433 MHz的公开频道，其中多采用433 MHz的通信频道。因此，本设计采用315 MHz的接收天线作为信号接收电路[3]。利用射频发射电路放大芯片PT2262上DOUT引脚的编码数据，经调制后发射出去[4-5]，射频发射电路如图3所示。其中：Q2、Y1、R7、L1、C5、C2以及C3构成315振荡电路；Q3和R8控制电路的起振与停振，实现不同宽度的高频脉冲发射；不同宽度的脉冲组合被定义为数据同步码、0码以及1码。

图3 射频发射电路

1.2.3 存储电路

因为要实现一个遥控器控制多个用电设备或多个遥控器控制一个用电设备，所以为了方便接收器可以识别每个遥控器，需要每个遥控器有唯一的ID。此外，接收器还需记忆所有能遥控它的遥控器ID，因此本设计采用AT24C02存储芯片，其储存电路如图4所示。

图4 存储电路

1.3 接收部分

1.3.1 电源电路

单片机的工作电压为5 V，但接收器中安装电池不太方便，因此将接收器直接接在控制前端。需要将家用220 V的交流电经变压器、桥式整流、滤波以及稳压器LM7805转换为5 V的直流电，其中电容C12起滤波作用。电源电路如图5所示。

图5 电源电路

1.3.2 射频接收电路

315 MHz的无线数据接收模块包括超再生式接收模块和超外差式接收模块两种。其中，超再生电路成本低、功耗小且灵敏度可调，但其稳定性、选择性以及抗干扰能力均较差。超外差式接收模块频率稳定且抗干扰能力强，但存在灵敏度低、价格远高以及出现“信号阻塞”等缺点。针对成本问题，设计选择超再生电路。射频接收电路如图6所示。

图6 射频接收电路

1.3.3 解码电路

解码电路如图7所示，其中P1.0～P1.5为输出端，P1.7为接收输入端[3]。

1.3.4 继电器电路和负载电路

负载驱动电路采用电磁式继电器驱动。由于控制负载电路的电压是5 V，而负载所需电压是220 V，所以本设计采用继电器控制。当继电器线圈中有一定电流时，继电器闭合，负载电路导通。当继电器线圈中电流消失时，负载电路随之断开。继电器电路和负载电路如图8所示。

2 软件设计

2.1 编码软件设计

2.1.1 编码格式

利用单片机实现编解码时，必须了解PT2262每一帧的编码格式[5-7]，如图9所示。

图7 解码电路

图8 继电器电路和负载电路

图9 PT2262编码格式

图9中，a是时钟振荡的周期，有：

可求出振荡频率，其中Rosc是振荡电阻。PT2262和PT2272的振荡电阻必须匹配，要求译码器的振荡频率是编码器振荡频率的2.5～8倍。市场上大部分的振荡电阻使用的是2 262/1.2 M=2 272/200 k组合，少量使用的是2 262/4.7 M=2 272/820 k。本设计采用2 262/1.2 M=2 272/200 k组合，因此Rosc=1.2 M。根据式（1）求得振荡频率f约为26.7 kHz，振荡周期约为 37.5 μs。

由图9可知，一个完整的信号帧由32个振荡周期构成。其中，“0”码用2个窄脉冲表示；“1”码用2个宽脉冲表示；“f”码用一个窄脉冲和一个宽脉冲表示；“同步码”的长度是4个AD位的长度，包含1个1/8 AD位宽度的脉冲；一个窄脉冲是4个振荡周期；1个宽脉冲是12个振荡周期。详细信息如表1所示。

2.1.2 编码主要程序

表1 脉冲时间

2.2 解码软件设计

将射频接收电路的输出信号发送到单片机的外部中断0，将单片机的外部中断设置为下降沿触发，把T0设置为16位定时器模式，初始化设置为0，晶振的工作频率设置在11.059 2 MHz，这时计满最大值的计数值时间为71 111 μs。同步码周期和地址码数据码周期都远小于定时器0的定时时间，所以定时器0正常工作时不会溢出。T1用作延时，设置其定时为1 ms。在EX0=1（外部中断0启动）且EA=1（使能所有中断）时，下降沿到来时进入到中断处理函数，T0在TR0的控制下启动并停止计时。接收到下降沿后，先判断当前的电平状态，检测到是低电平时，把T0计时器归零开始计数，电平状态发生变化时停止计数。取TH0和TL0之和，可根据该低电平的时间宽度值识别是否为同步码。只有先识别出来同步码，才开始接收后续脉冲数据进行24位解码操作。A0～A11中，每比特用2 bit表示，如“0”码用“00”表示，“1”码用“11”表示[6-7]。程序如下：

3 结 论

本设计主要由发射部分和接收部分组成，采用315 MHz的射频电路，利用软件设施完成编解码，具有编解码灵活的特点。设计采用射频技术完成无线收发，具有抗干扰力强和遥控角度不受限制等优点。此外，接收器利用AT2402存储芯片记忆所能遥控它的遥控器ID，实现了一控多和多控一功能。