智能家居网关模块电路设计集锦

  电路原理：SCK、MISO、MOSI 分别是SPI 接口的时钟信号、主站输入信号、主站输出信号。定义STC12 的SPI 接口工作在从站方式，STC11 作为SPI 主站。由于STC11 单片机没有SPI 功能， 必须用软件模拟SPI 主站功能， 这里仅将STC11 作为字节数据传输的中转站， 不进行信息帧的校验、存储和转换。监控计算机发出指令经STC11 的串口接收， 通过SPI 发送至STC12 做处理。STC11 再通过SPI 接收返回信息， 然后通过串口发送至监控计算机。设计中，STC12 通过在SPI_TX 引脚的输出下降沿，告知STC11 启动模拟SPI 主站功能， 从STC12 的SPI 接口寄存器中读取一个字节数据。

  工作原理：装置工作原理，分为远程控制模块、主控制器、从控制器和控制电路四大部分。远程计算机和手机分别通过Internet网络和GPRS网络与具 有Windows CE平台的主控制器相连接进行通信。主控制器和从控制器通过串口分别与蓝牙模块相连接，通过蓝牙传输进行通信。从控制器直接与控制电路相连接，经过控制电 路对家用电器来控制，如图是关于nRF0433的无线收发模块电路的设计。

  这是一个共发射集放大电路，调整基极偏置，当输入模拟信号，晶体管集电极电流随模拟信号强度变化而变化，于是，LED的输出光功率也随模拟信号 而变化。采用此电路的改进形式，电路采取5V直流工作点，设计R1=30，R2=2K。发射端与信号源之间接一个隔值电容Cf=10uF，由于 LM386的增益能够达到200，为了减小发射端信号的幅度（否则信号幅度太大，在接收端难以调节至不失真），电容Cf和地之间接一个Rb=100的电 阻。由于ICQ要达到20mA左右，由R1和R2偏置计算可知射极所接的电阻为几十欧左右，设计为Re1=20，Re2=52，并且在Re2上并联一 个隔直电容Cef为100uF。

  所有红外遥控器的输出都是用编码后的串行数据对 38kHz～40kHz的方波进行脉冲调幅而产生的。如果直接对已调波做测量，而其脉宽只有20多微秒，由于单片机的指令周期是微秒级，会产生很大 的误差。因此，先要对已调波进行解调，对解调后的波形做测量。将CX20106或一体化红外接收头解调出的遥控编码脉冲直接连入SM8952AC25P 单片机的INT0和T0脚，定时器T0和T1都初始化为定时工作方式1，T0的GATE位置位。每次外部中断首先停止定时，记录T0、T1的计数值，然后 将T0、T1的计数值清零，并重新再启动定时。T0的值即为高电平脉宽，T1～T0的值为低电平脉宽。T0、T1与红外编码信号脉宽的对应关系并且存储到外 部储蓄器24C256中等待发送调用。

  遥控信号的还原是通过SM8952AC25P的T2特殊输出口进行二进制脉冲码的高电平与低电平的调制输出，其中调制为利用单片机特殊功能进行内部调制 这也是本设计的一个创新点，调制后的信号如图3.5-2驱动红外发光管工作。该设计的硬件电路相对简单，因此系统的调试重点在软件上。

  由于系统单元电路较多对且对5V电 源的要求比较高，其中TC35模块的突发耗电电流峰值可达2.5A，故外加的稳压器件一定要达到足以提供TC35和其他电路额定电流的条件。采用了开关电源 芯片LM2576完成从12V到5V的转换，作为对TC35终端和其他5V单元的供电。必须格外的注意的是，如图由LM2576芯片完成开关电源转换需要大 功率的电感（100uH）和电容，以提高储能的能力，达到单元电路的耗电需求。LM2576为5.0V3A开关电源稳压器。

  本系统的设计还涉及到传感器信号采集与信号放大，其中放大器等部分要使用到12V电源，因此根据设计的基本要求增加了7812/7912三端稳压IC提供 的12V电源，如图由220V的交流电经交流变压器T降压，变成12V交流电，低压交流电再经过全桥整流变成脉动直流17V左右为三端稳压提供电源，脉 动直流电经4700u电解电容和0.1u瓷片电容滤波，送到稳压块输入端，进行稳压，然后由三端稳压输出端输出12V直流电压，12V直流电再由 2200u和0.1u电容进行滤波，输出较为稳定的12V直流电压，给模块供电源。

  PCF8563是低功耗的CMOS实时时钟/日历芯 片，它提供一个可编程时钟输出，一个中断输出和掉电检测器，所有的地址和数据通过CI2 总线接口串行传递。最大总线Kbits/s，每次读写数据后，内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。 PCF8563实时时钟芯片的工作电路如下：

  其中，OSOI为振荡器输入，OSOC为振荡器输出，/INT为中断输出（开漏；低电平有效），ssV接地，SDA为串行数据I/O，SCL为串行时钟输入，CLKOUT为时钟输出（开漏）， DDV为正电源。

  集成比较器LM311的3号端恒输入5V电压，由于传感器输出电流与室内煤气（烟雾）浓度成比例关系，即I=kC（I为传感器输出电流，C为室内煤气浓 度，k为比例常数），故可通过传感器和电位器1R将浓度转化为电压信号输入到LM311的2号端（即V=kC*1R） 。电压比较器可将模拟信号转换成二值信号。LM311是一种通用的集成比较器，开环增益低，失调电压大，共模抑制比小；但其响应速度快，传输延迟时间短， 还能够直接把高电平信号输入给单片机。 由以上分析可知，能调节电位器的阻值来调节室内报警浓度的上限制。

  当输入端P1.0有信号输入时，晶体管Q7基极产生电流，此时晶体管导通，在+5V电压下，蜂鸣器工作；当输入端P1.0没信号输入时，此时由于Q7基极无电流，晶体管截止，蜂鸣器停止工作。

  DTMF发送电路在此能够使用现成的DTMF芯片，但是如果采用专门的芯片就得还得加上附加电路，使成本又上升。鉴于C8051F340的内部有四个16位的定时/计数器，可通过这一内部资源，采用脉宽调制PWM实现DTMF通信。单片机PWM DTMF通信原理图如下：

  家庭网关是嵌入式智能家居系统的核心部件，所设计的无线收发模块电路是家庭网关的一部分。单片RF收发芯片nRF0433组成的无线收发模块电 路的原理和设计方法，所设计的无线MHzISM频段，数据速率9600bit/s，灵敏度高达-105dBm，最大发射功率达 10mW，电源电压215～515V，工作电流31～47mA。

  天线）引脚端提供射频输入到低噪声放大器LNA;当 nRF0433为发射模式时，从功率放大器提供射频输出到天线是差动形式，在天线。在印制板 （PCB）上差动回路天线如应用电路印制板图所示。功率放大器输出级由差动结构的2个集电极开路的晶体管组成，电源VDD到功率放大器一定要通过集电极负载 供电。当连接差动回路天线引脚端，电源VDD将通过回路天线的中心供电。 单端天线时，使用差动到单端匹配网络。单端天线射频变压器连接到nRF0433，工作在433MHz。射频变压器的 原边必须有一个中心抽头，用于电源VDD供电。 连接在RF-PWR（引脚11）端和+5V之间的电阻R3设置输出功率。射频输出功率可设为到+10dBm。输出功率、芯片消耗电流与电阻R3的关系 （负载阻抗400）。 引脚FILT（引脚4）和FILT2（引脚3）外接PLL回路滤波器，PLL回路滤波器是外接的单端2阶滤波器， 对于VCO电路外接22nH（433MHz）电感在VCO1（引脚5）和VCO2（引脚6）引脚端之间是必须的。电感使用高质量的片式电感最大误 差3%。 晶体振荡器一定要通过引脚XC1（引脚1）和XC2（引脚20）外接晶振，晶振的特性要求是：并联谐振频率f=41000MHz，并联等效电容 Co=5pF，晶振等效串联电阻R=150，全部负载电容，包括印制板电容CL=14pF，nRF0433能够正常的使用微控制器的晶体振荡器。

  该网关设备是采用220V交流供电，电源模块直接采用成型稳定的品牌幵关电源。该开关电源输出5V电压，供应板上弱电部分的电源需求。弱电部分为三块：核心板、扩展板和RS485接口板。这三部分的电源各自独立设计，互相隔离，避免了互相干扰。

  扩展板电源设计核心板上的电源主要有5V和3.3V两种。5V电源的耗电单位对电源的要求较低，可以直接用开关电源提供的5V电源。由于核心板是搭载在 扩展板上的，核心板没有单独的电源接口，因而核心板的电源也从扩展板上的5V电源接口引入。在扩展板上5V电源接口的入口处还引入了开关和保险丝，以方便 设备的幵关和过流保护。3.3V供电的部分采用LM1117-3V3对5V电源进行稳压，电路原理图如图。

  基于ARM9的物联网智能网关设计3.3系统日历电路设计智能网关需要一个准确的实时时钟，以保证系统走时准确，并能在掉电时正常计时。选用了 PCF8563日历芯片，可以在初次启动后，保证系统时间的准确性，为了能够更好的保证断电重启时不需要重新配置时间，为该日历芯片配置了钮扣电池。电路原理如图 3.6所示

  通过I2C总线与控制器通信。它仅需提供电源和32.758KHZ的晶体振荡电路即能够顺利工作。电池电路中，D1和D2导通二极管。在外接电源工作 时，D1导通，D2的作用是防止电池漏电。当外接电源停止时，D2导通，DI的作用是防1：电池通过电源电路流失电能。C65、C66对RTC电源进行 滤波。

  一个基于IEEE802.15.4的CC2430无线收发模块，主要用来完成网络节点之间、节点与网关节点之间的无线通信。核心部分是一个CC2420射频收发器，它完全支持ZigBee组网协议，具备传输速率高、传输距离远和低功耗等优点。

  数据速率达250kbps，碎片速率达2Mchip/s，接收灵敏度较高（-94dBm），邻道抗干扰能力强（39dB），超低电流消耗;

  低电压供电（2.1～3.6V），内部集成VCO、LNA、PA及电源稳压器。 CC2420通过简单的四线（SI、SO、SCLK、CS）与SPI接口相连。能够最终靠调制解调控制寄存器的控制位配置成不同的发射和接收模式，通常工作在缓冲模式。

  如图5所示，它的外围电路器件简单，最重要的包含晶振电路、天线及阻抗匹配电路、接口电路和引脚的去耦滤波电路等。射频输入/输出匹配电路主要用来匹配芯片的输入/输出阻抗，使其输入/输出阻抗为50，同时为芯片内部的PA和LAN提供支流偏置。