無源照度感應(yīng)器設(shè)計(jì)說明

1、無源照度感應(yīng)器(詳細(xì)設(shè)計(jì)說明書) V1.0(版本號(hào))編寫人： 編寫日期：2011年08月09 目 錄1引言31.1編寫目的31.2背景31.3名詞定義31.4參考資料32硬件設(shè)計(jì)32.1功能32.2性能42.3輸入42.4輸出52.5電路模塊設(shè)計(jì)8光感信號(hào)模塊8模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊8光照范圍選擇電路10無線模塊12光能供電模塊142.6各個(gè)模塊之間的關(guān)系圖142.7無源照度感應(yīng)器完整電路圖151 引言 1.1 編寫目的 編寫本說明書的目的主要是確認(rèn)設(shè)計(jì)需求，列出設(shè)計(jì)各模塊需要達(dá)到的功能。預(yù)期讀者設(shè)計(jì)開發(fā)人員，質(zhì)檢人員等。1.2 背景 模塊名稱:無源照度感應(yīng)器任務(wù)提出者：英泰力科技有限公司開發(fā)者：英泰力

2、科技有限公司1.3 名詞定義 P90時(shí)間：設(shè)備充電到90%100%能量存儲(chǔ)時(shí)，在完全黑暗（0lux）的條件下正常工作的時(shí)間。4/200時(shí)間：在平均光照強(qiáng)度為200lux的光照條件下，連續(xù)照射4小時(shí)后，能保證裝置在0lux下連續(xù)、穩(wěn)定工作的最小時(shí)間。6/120時(shí)間：在平均光照強(qiáng)度為120lux的光照條件下，連續(xù)照射6小時(shí)后，能保證裝置在0lux下連續(xù)、穩(wěn)定工作的最小時(shí)間。Lux_min：能正常連續(xù)工作的最低光照強(qiáng)度。1.4 參考資料 STM_300_User_Manual_V1.25_02.pdfEnOcean_Equipment_Profiles_EEP2.12 硬件設(shè)計(jì)2.1 功能1光照強(qiáng)度

3、感應(yīng)功能：能自動(dòng)檢測工作環(huán)境的光照強(qiáng)度，并以無線方式發(fā)送數(shù)據(jù)。 2光能供電功能：當(dāng)光照強(qiáng)度大于100lx的時(shí)候，太陽能板將光能轉(zhuǎn)換的電能供給電路使用，同時(shí)對(duì)儲(chǔ)能元件充電。3無線發(fā)送功能：將探測信號(hào)以無線數(shù)據(jù)的形式發(fā)送出去，供接收器接收使用。也可用于發(fā)送學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)包，或定時(shí)發(fā)送存在數(shù)據(jù)包；所發(fā)數(shù)據(jù)包的格式應(yīng)符合 EnOcean EEP 2.0規(guī)范。5具有學(xué)習(xí)時(shí)用手動(dòng)發(fā)送信號(hào)的學(xué)習(xí)按鍵；6具有用于指示發(fā)送無線信號(hào)的指示燈。2.2 性能1. 無線工作頻率868.3MHz；2. 無線信號(hào)發(fā)射功率10mW； 3. 室外空曠傳輸距離80m，室內(nèi)傳輸距離：30m；4.在照度為400lx時(shí)，5分鐘之內(nèi)開始工作；

4、5.P90時(shí)間為96小時(shí)；6.4/200時(shí)間：24小時(shí)；7. 6/120時(shí)間：24小時(shí)；8. Lux_min：30lux9.靈敏度：感應(yīng)器可以探測的最小光照變化為2lux (0510lux范圍時(shí))。10.感應(yīng)的光照度范圍為室內(nèi)型：0510lux；01020lux；室外型：30030000lux；60060000lux；11.平均無故障時(shí)間（MTBF）為80,000小時(shí)。12.機(jī)械強(qiáng)度滿足成都英泰力科技有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的要求；13.電磁兼容性滿足成都英泰力科技有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)4.7中的要求。2.3 輸入1、光照強(qiáng)度信號(hào)；2、按鍵信號(hào)；3、光能輸入。2.4 輸出符合 EnOcean EEP 2.

5、0規(guī)范的通信數(shù)據(jù)包的無線信號(hào)，包括：1、每隔1000秒發(fā)送一次采集的光照度信息；2、當(dāng)按下發(fā)射按鍵時(shí)，立即發(fā)送發(fā)送一次數(shù)據(jù)包；學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)包的格式如下表所示：照度感應(yīng)器學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)包格式表：A5（同步字節(jié)1）5A（同步字節(jié)0）06（數(shù)據(jù)包頭識(shí)別）數(shù)據(jù)的類型室外型：01室內(nèi)型：02FF（數(shù)據(jù)字節(jié)3）AD_2FF（數(shù)據(jù)字節(jié)2）AD_1FF（數(shù)據(jù)字節(jié)1）AD_0FF（數(shù)據(jù)字節(jié)0）DI_7_0ID_3（地址字節(jié)3）ID_2（地址字節(jié)2）ID_1（地址字節(jié)1）ID_0（地址字節(jié)0）00（狀態(tài)字節(jié)）校驗(yàn)DI_0=0,選中AD_0：照度輸入范圍, 0-1020 lux/600-60k lux;由撥位開關(guān)設(shè)置。輸出0

6、x0A。DI_0=1,選中AD_1：照度輸入范圍, 0-510 lux/300-30k lux;由撥位開關(guān)設(shè)置。輸出0x0B。 2.5 電路模塊設(shè)計(jì)1、光感信號(hào)采集模塊；2、A/D轉(zhuǎn)換模塊；3、光感應(yīng)范圍選擇電路；4、光感輸入選擇電路；5、無線模塊；6、光能供電模塊。2.5.1 光感信號(hào)模塊光感信號(hào)模塊的功能是采集工作環(huán)境的光照強(qiáng)度信號(hào)，并將采集的光照強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。采用線性光敏二極管采集光照強(qiáng)度信號(hào)，通過運(yùn)算放大器將微弱的光照強(qiáng)度信號(hào)放大到符合要求范圍的電壓信號(hào)。圖2.1為把光照強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)的電路圖：圖2.1 光照強(qiáng)度電壓轉(zhuǎn)換電路光電轉(zhuǎn)換電路由線性光敏二極管VTB8440B和

7、電阻R9,R10,電容C4組成， OPA364IDVBT將光照強(qiáng)度電壓信號(hào)放大后由管腳1輸出至STM300的模擬信號(hào)輸入引腳AD_0和_AD_1。2.5.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用STM300內(nèi)部自帶的A/D轉(zhuǎn)換模塊。只需在STM300的A/D轉(zhuǎn)換輸入端輸入符合要求的溫度/電壓值即可。2.5.3 光照范圍及選擇電路1. 本光照感應(yīng)器分為室內(nèi)型和室外型；測量范圍分別是：室內(nèi)型：0510lux；01020lux；室外型：30030000lux；60060000lux；2. 范圍選擇電路的功能為選擇光照度感應(yīng)器的測量范圍?？梢酝ㄟ^撥位開關(guān)進(jìn)行選擇。光照范圍選擇電路如圖2.4所示：圖2.4 光照

8、范圍選擇電路圖2.5.4 無線模塊無線模塊用于發(fā)送無線數(shù)據(jù)，當(dāng)按鍵被按下時(shí)立即發(fā)送一次數(shù)據(jù)包；.數(shù)據(jù)包的格式和內(nèi)容分別如表2.1所示（見2.4輸出章節(jié)）。無線模塊由Enocean芯片STM300及其外圍電路構(gòu)成，如圖2.6所示：圖2.6 無線模塊電路圖在圖2.6中，電源VCC_300接入STM300的VDD和VDDLIM管腳，其中VDD為芯片供電管腳，VDDLIM在電源電壓高于4.5V的時(shí)候，開始吸收電流，起到穩(wěn)壓的效果，最大吸收電流為50mA。J1主要作用是連接STM300與電腦之間進(jìn)行通信，配置STM300數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間間隔等相關(guān)信息。接口尺寸：間距1.27mm的雙排排針。R6給WAKE0管

9、腳提供上拉電壓。WAKE0管腳為STM300的觸發(fā)管腳，當(dāng)WAKE0電壓跳變的時(shí)候，芯片將向外發(fā)送無線信號(hào)。AD_02，DI_03分別分為STM300的模擬和數(shù)字輸入口。在本電路中DI_0用于選擇輸入端口AD_0，AD_1。STM300的LED管腳接發(fā)光二極管指示燈D3，STM300發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，指示燈會(huì)閃爍指示。T2為外接天線接口，外接特性阻抗300鞭狀天線。2.5.5 光能供電模塊光能供電模塊實(shí)現(xiàn)光能轉(zhuǎn)換為電能的功能，并將轉(zhuǎn)換后的電能儲(chǔ)存在法拉電容之中，使用一個(gè)大容量的法拉電容存儲(chǔ)電路工作所需電能，同時(shí)使用一個(gè)較低容值電容(如470uF)用于存儲(chǔ)快速工作所需的電能。串聯(lián)二極管隔離來自電路的干

10、擾。圖2.7 光能供電模塊上圖中，B1為太陽能板與電路接口，來自太陽能板的電能經(jīng)二極管D1隔離再給電容C2充電，C2大小為470uF。若法拉電容的電壓低于電路工作電壓，在有光照的情況下，C2將首先充電，當(dāng)電壓達(dá)到2.7V左右的時(shí)候，電路即可工作，C2充電所需電量小，充電速度快，可以實(shí)現(xiàn)快速工作功能。復(fù)位芯片MAX6347UR-31（U1），在電路中的作用是用來控制法拉電容充電，配合C2實(shí)現(xiàn)快速充電功能。在充電過程中，當(dāng)法拉電容C1的電壓低于復(fù)位芯片的復(fù)位電壓時(shí)（3.1V），C2首先充電，當(dāng)C2的電壓大于3.1V的時(shí)候，U1的第2管腳變?yōu)榈碗娖讲⒀訒r(shí)100ms，Q2導(dǎo)通，太陽能板給法拉電容C1充

11、電；當(dāng)法拉電容電壓高于4.5V時(shí)，多余的電壓會(huì)通過D4被STM300釋放掉； 電路中，Q1為P溝道MOS管，法拉電容同時(shí)使用0.33F的電容。D2起到隔離來自電路中干擾的作用。太陽能板采用一塊EnOcean ECS-300，其在不同光照下的開路電壓與短路電流如下表所示：表1太陽能板開路電壓和短路電流光照強(qiáng)度（lx）301001202003004005006008001000開路電壓（V）3.704.134.244.344.524.584.664.714.804.86短路電流（uA）1.03.24.26.18.211.614.317.623.128.61庫侖=1安培·秒 1安培的電流1

12、秒攜帶的電量1F=Q/V 單位電壓可存儲(chǔ)的電荷量STM300-Supply voltage 2.1 V 4.5 V;電路靜態(tài)工作電流如下表所示：表2靜態(tài)工作電流法拉電容電壓（V）2.452.653.13.54.04.2靜態(tài)工作電流（uA）0.480.620.71.181.383.35注：在上表2.9中，2.45V為STM300最低工作電電壓，2.65V為STM300工作啟動(dòng)電壓?？焖俪潆姇r(shí)間Tq(s)：快速充電時(shí)間即容量為470uF的電容從0V充至3.1V電路啟動(dòng)工作的時(shí)間，計(jì)算方法為：Tq=Q1/Q2(s)；Tq為快速充電時(shí)間，單位s；Q1為470uF電容從0V充至3.1V所需電量，單位uC；Q1=470(uF)*3.1(V)=1457(uC);Q2為太陽能板每秒能提供的電量,單位uC；Q2的值如下表所示：表3 不同光照下的Q2取值及快速充電時(shí)間光照強(qiáng)度(lux)2003005001000 Q2(uC)太陽能板每秒能提供的電量6.18.214.328.6Tq(s)快速充電時(shí)間（秒）23917810251法拉電容充電時(shí)間Tc（h）：法拉電容33000uF的電容從0V充至4.5V所需電量： Q1=33000 (uF)*4.5(V)=1485000(uC);消耗電流：平均1.5uA表4：不同光照下的Q2取值及法拉電容33000uF的電容從0V充至4.2V充電時(shí)間光照強(qiáng)度(lu