【正文】 先級(jí)中的某一個(gè)。 I/O 控制器的職責(zé)是 21 個(gè)一般 I/O 口的靈活分配和可靠控制。一個(gè)一般的 16 位和兩個(gè) 8 位定時(shí)器，支持典型的定時(shí) /計(jì)數(shù)功能，例如，輸入捕捉、比較輸出和 PWM功能。為了更好的處理網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用操作的帶寬， CC2430 集成了大多數(shù)對定時(shí)要求嚴(yán)格的一系列 MAC 協(xié)議，以減輕微控制器的負(fù)擔(dān)。中頻信號(hào)經(jīng)濾波、放大，在通過 A/D轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。集成的模擬通道濾波器可以使工作在 ISM 波段的不同系統(tǒng)良好的共存。調(diào)制 (和擴(kuò)頻 )通過數(shù)字方式完成。最終，高頻信號(hào)經(jīng)過片內(nèi)功率放大器放大以達(dá)到可設(shè)計(jì)的水平。 CC2430 不需要外部 TX/RX 開關(guān)，其開關(guān)已集成在芯片內(nèi)部?？商娲?，一個(gè)平衡 式天線，如對折式偶極天線也是可以實(shí)現(xiàn)上述功能的。晶片內(nèi)置的偏壓可變電容壓控振蕩器工作在一倍本地振蕩頻率范圍，另搭配了二分頻電路，以提供四相本地振蕩信號(hào)給上、下變頻綜合混頻器使用。它使用 1 個(gè) 8 位 MCU（ 8051），具有 128KB 可編程閃存和 8KB 的 RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (ADC)、幾個(gè)定時(shí)器（ Timer）、 AES128 協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器（ Watchdog timer）、 32kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路 (Power On Reset)、掉電檢測電路 (Brown out detection)，以及 21 個(gè)可編程 I/O 引腳。 CC2430 的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用。 ◆ 集成符合 標(biāo)準(zhǔn)的 GHz 的 RF 無線電收發(fā)機(jī)。 ◆ 在休眠模式時(shí)僅 A 的流耗，外部的中斷或 RTC 能喚醒系統(tǒng) 。 ◆ 硬件支持 CSMA/CA 功能。 ◆ 數(shù)字化的 RSSI/LQI 支持和強(qiáng)大的 DMA 功能。 ◆ 集成了 14 位模數(shù)轉(zhuǎn)換的 ADC。 ◆ 帶有 2 個(gè)強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的 USART，以及 1 個(gè)符合 規(guī)范的 MAC 計(jì)時(shí)器， 1 個(gè)常規(guī)的 16 位計(jì)時(shí)器和 2 個(gè) 8 位計(jì)時(shí)器。 CC2430 的引腳與 I/O 端口 CC2430 芯片采用 7 mm 7mm QLP 封裝 ,共有 48 個(gè)引腳。 I/O 端口線引腳功能： CC2430 有 21 個(gè)可編程的 I/O 口引腳， P0、 P1 口是完全的 8 位口， P2口只有 5個(gè)可使用的位。 I/O 口有下面的關(guān)鍵特性： ◆ 可設(shè)置為通常的 I/O 口，也可設(shè)置為外圍 I/O 口使用。 ◆ 全部 21個(gè)數(shù)字 I/O口引腳都具有響應(yīng)外部的中斷能力。 1～ 6（ P1_2～ P1_7）： 具有 4 mA 輸出驅(qū)動(dòng)能力。 11～ 18 腳（ P0_0 ～ P0_7）： 具有 4 mA 輸出驅(qū)動(dòng)能力。 電源線引腳功能： 20 7 腳（ DVDD）： 為 I/O 提供 ～ 工作電壓。 23 腳（ AVDD_RREG）：為模擬電路連接 ～ 的電壓。 25 腳 (AVDD_IF1 )：為接收器波段濾波器、模擬測試模塊和 VGA 的第一部分電路提供 V 電壓。 28 腳（ VCO_GUARD）： VCO 屏蔽電路的報(bào)警連接端口。 30 腳（ AVDD_PRE） :為預(yù)定標(biāo)器、 Div 2 和 LO 緩沖器提供 的電壓。 33 腳（ TXRX_SWITCH） :為 PA 提供調(diào)整電壓。 36 腳（ AVDD_RF2） : 為接收和發(fā)射混頻器提供 V 電壓。 38 腳（ AVDD_ADC） :為 ADC 和 DAC 的模擬電路部分提供 V 電壓。 40 腳（ AVDD_DGUARD） :為隔離數(shù)字噪聲電路連接電壓。 42 腳（ DCOUPL）：提供 V 的去耦電壓，此電壓不為外電路所使用。 控制線引腳功能 ： 10 腳（ RESET_N） :復(fù)位引腳，低電平有效。 21 腳（ XOSC_Q1） :32 MHz 的 晶振引腳 1，或外部時(shí)鐘輸入引腳。 26 腳（ RBIAS2） :提供精確電阻， 3 kΩ，177。 32 腳（ RF_P） :在 RX 期間向 LNA 輸入正向射頻信號(hào)；在 TX 期間接收來自 PA 的輸入正向射頻信號(hào)。 43 腳 (P2_4/XOSC_Q2): kHz XOSC 的 端口。 溫度傳感器 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器，接線方便，封裝成后可應(yīng)用于多種場合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，型號(hào)多種多樣，有 LTM8877， LTM8874 等等。封裝后的 DS18B20 可用于電纜溝測溫，高爐水循環(huán)測溫，鍋爐測溫，機(jī)房測溫，農(nóng)業(yè)大棚測溫，潔凈室測溫，彈藥庫測溫等各種非極限溫度場合。 特點(diǎn)： 獨(dú)特的單線接 口方式， DS18B20 在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊。 多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，最多只能并聯(lián) 8個(gè)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫，如果數(shù)量過多，會(huì)使供電電源電壓過低，從而造成信號(hào)傳輸?shù)牟环€(wěn)定。 在使用中不需要任何外圍元件。 不銹鋼保護(hù)管直徑Φ 6。 標(biāo)準(zhǔn)安裝螺紋 M10X1， ， G1/2 任選。 圖 23 DS18B20 溫度傳感器封裝圖 DS18B20 工作原理： DS18B20 的讀寫時(shí)序和測溫原理與 DS1820 相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時(shí)的延時(shí)時(shí)間由 2s 減為 750ms。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率 的脈沖信號(hào)送給計(jì)數(shù)器 1。計(jì)數(shù)器 1 和溫度寄存器被預(yù)置在－ 55℃所對應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。圖 3 中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù) 器 1 的預(yù)置值。如表 21 所示。與單電源應(yīng)用場合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。兩個(gè)信號(hào)輸入端中， Vi （ ）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端 Vo 的信號(hào)與該輸入端的位相反； Vi+（ +）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端 Vo 的信號(hào)與該輸入端的相位相同 [15]。 真差動(dòng)輸入級(jí)。 低 偏置電流：最大 100nA。 具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)墓δ堋? 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳排列。 至于使用地方，那就是你需要比較器和運(yùn)算放大器的所有地方你都可以用，我們提到的設(shè)計(jì)就是把它當(dāng)做簡單的比較器來使用。 圖 24LM324 結(jié)構(gòu)引腳圖 本章小結(jié) 針對智能家居系統(tǒng)的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢，本章首先介紹了系統(tǒng)組成，并對系統(tǒng)各個(gè)部分進(jìn)行了簡要的介紹，隨后給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則。最后給出了硬件部分的設(shè)計(jì)思路，并且分析了所用到的主要芯片。 硬件原理圖 紅外檢測模塊 原理圖如圖 31 所示。當(dāng)有物體阻隔紅外線的時(shí)候，紅外對管的接收管阻隔斷開，比較器＋ 26 端接入 VCC，即５ V 電壓，故比較器 OUT 端輸出高電平，產(chǎn)生檢測信號(hào)。 實(shí)物圖如圖 32 所示。 27 圖 33 光照檢測電路原理圖 工作原理： 光敏電阻在有光照的情況下，呈現(xiàn)極小的的電阻，可以看做沒有電阻。當(dāng)電路在黑暗的情況下工作時(shí)，與上面相反，－端的電壓這個(gè)時(shí)候由于光敏電阻的阻值近似無限大，所以輸出近似 0V的電壓，＋端依舊是 ，所以電路的 OUT 端輸出高電平，產(chǎn)生檢測信號(hào)。實(shí)物圖如圖 34 所示。 圖 35 溫度檢測電路原理圖 29 工作原理： DS18B20 作為應(yīng)用很廣的溫度傳感器，設(shè)計(jì)電路的時(shí)候不需要外加其他的元器件，以串行通信的方式將采集到的溫度信息傳送到 ZigBee 模塊上，接入模塊的 口。 圖 36 溫度檢測模塊實(shí)物圖 電源管理模塊 原理圖如圖 37 所示。后續(xù)電路經(jīng)過濾波，穩(wěn)壓，最后在輸出端輸出穩(wěn)定的 5V 電壓，可作為設(shè)計(jì)需求的電源使用。 圖 3８ 5V電源實(shí)物圖 電器控制 模塊 31 原理圖如圖 39 所示。兩個(gè)繼電器的直流端，一端接入固定的 電壓，另一端接在輸出端口上。滿足條件以后，輸出端口產(chǎn)生持續(xù)的低電平，控制電路即產(chǎn)生 壓降，形成回路，啟動(dòng)繼電器以及警報(bào)燈工作。 32 圖 310 電器控制模塊實(shí)物圖 本章小結(jié) 本段主要給出了硬件的幾個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，電路原理圖，電路實(shí)物圖還有其工作原理，都是硬件設(shè)計(jì)相當(dāng)重要的工作。 硬件獨(dú)立測試 電源模塊的測試 經(jīng)過萬用表的測試，輸出的直流電壓穩(wěn)定在 5V 左右，達(dá)到預(yù)期要求，檢測合格。有物體阻擋時(shí)的工作電路如圖 41 所示。同上也采用了一個(gè)發(fā)光管方便檢測。 圖 42 光照檢測電路的測試 溫度檢測電路的測試 此步驟放在聯(lián)合調(diào)試中執(zhí)行。同上安裝了檢測使用的發(fā)光管，當(dāng)有持續(xù)的高電平的輸入時(shí)，發(fā)光管發(fā)亮，同時(shí)繼電器發(fā)出“吧嗒”的聲音，表示線圈吸合斷開。 35 圖 43 電器控制電路的測試 智能家居系統(tǒng)的軟硬件聯(lián)合測試 連接好外部電路， DS18B20 的三個(gè)引腳，對應(yīng)接到一個(gè)終端模塊 P2 區(qū)的 VDD，GND 和 P00 引腳上，紅外報(bào)警模塊信號(hào)腳接到另一個(gè)終端模塊 P2 區(qū)的 P07 口。 36 圖 44 檢測 模塊實(shí)物連接圖 通上電，依次按下協(xié)調(diào)器和兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的電源按鈕，分別按下三個(gè)模塊的中間鍵，然后按下 SW2 鍵，三個(gè)模塊之間開始通信，如圖 45 所示。 圖 46 溫控模塊實(shí)現(xiàn)實(shí)物圖 當(dāng)手指通過紅外對管，檢測模塊上的 LED 點(diǎn)亮，以示警報(bào)，如圖 47 所示。由于一開始我們就有很好的溝通，所以聯(lián)合調(diào)試還算 38 比較順利。 電源模塊輸出所需的 5V 電壓； 紅外報(bào)警模塊在觸碰后能輸出高電平； 光照監(jiān)測模塊在暗處能點(diǎn)亮 LED； 溫度檢測模塊能檢測溫度。在紅外報(bào)警模塊輸出高電平到 ZigBee 模塊時(shí)，能從 口輸出低電平，使 LED 燈 發(fā)亮。 存在的不足 雖然系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了上述功能，但是整個(gè)智能家居系統(tǒng)可不僅僅只有這兩個(gè)功能，比如說門迎、煤氣檢測等都還沒有實(shí)現(xiàn)。 未來展望 基于 ZigBee 無線通信技術(shù)的智能家居系統(tǒng)是一個(gè)功能強(qiáng)大，性能優(yōu)越的系統(tǒng)。 [16] Zigbee 無線通信技術(shù)作為一門新興的技術(shù)，其本身還在不斷完善中， Zigbee 聯(lián)盟負(fù)責(zé)物理層和 MAC 層協(xié)議以上的部分，其標(biāo)準(zhǔn)也在不斷改進(jìn)更新中，今后協(xié)議棧方面還需緊跟 Zigbee 聯(lián)盟公布的標(biāo)準(zhǔn)并加以實(shí)現(xiàn)； Zigbee 硬件模塊也在不斷完善中， CC2420 是一款符合 IEEE 規(guī)范的 GHz 射頻芯片，但其本身也有許多局限性，未來的工作應(yīng)采用更先進(jìn)的 Zigbee 模塊，在降低功耗，增加通信距離，降低系統(tǒng)成本等方面得到提高； 智能家居是一個(gè)龐大復(fù)雜的系統(tǒng)，其包括網(wǎng)絡(luò)部分，也包括控制部分。 本章小結(jié) 本段總結(jié)了本次任務(wù)設(shè)計(jì)，達(dá)到了什么要求，有哪些方面的不足，哪些模塊沒有調(diào)試出來，最后給出了對未來的展望。論文的順利完成，與儲(chǔ)老師的耐心指導(dǎo)和中肯建議是分不開的。 在設(shè)計(jì)過程中，我通過查閱大量有關(guān)資料，與同學(xué)交流經(jīng)驗(yàn)和自學(xué)，并向老師請教 等方式，使自己學(xué)到了不少知識(shí)，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。 李方舟 2020 年 5 月于 合肥學(xué)院