基于智能家居控制电路弱电保护电路设计

基于智能家居控制电路弱电保护电路设计

左清跃

佛山市国星光电股份有限公司

摘要：随着物联网的广泛应用以及智能家居、智能小区的发展，弱电控制器已广泛应用于室内家用电器和室内外传感器的控制。弱电控制器或通信模块的电源线或信号线易失电(220VAC)，会导致电路后端芯片的软损或直接损坏。本文设计了智能家居控制系统的后端控制器和通信模块的低压保护电路，经过测试，直流负载试验和交流干扰试验均具有电路保护功能。

关键词：物联网；智能家居；弱电控制；低压保护电路；交流干扰

引言

由于智能家庭中控制器和通信模块均为弱电控制，因此电波的设计以物理保护为主，避免电源干扰。改善控制器内外工作环境，增加电涌保护器，采用屏蔽线等，但所有这些都没有从根本上解决问题。有些控制保护采用软保护，而软件保护则需要一定时间，所以灵敏度和响应速度都有待提高。本文采用硬件电路的方法解决了上述问题，可以直接降低偶然率和过电压频率。弱电波控制器具有高度的敏感性，反应时间长的特性，能够瞬间触发保护，解决了弱电控制器对电网的干扰和引入过流过压的问题。

一、智能家居控制电路弱电保护的硬件构成

1.NRF401型无线数据传送装置

本文所设计的无线数据传输电路包括nRF401及其外围电路。NRF401采用FSK调制解调技术，工作效率可达20kbit/s，双频通道，低功耗，支持待机模式。本系统不需要曼彻斯特编码，天线接口采用微分天线设计，微控制器的工作现场往往有各种干扰源，这种类型的干扰源可能会导致程序运行失败或者无法正常工作。如果系统没有及时恢复或复位，很容易造成损坏。电路的作用是当程序运行或程序崩溃时，有效地将系统复位，从而恢复系统的正常运行。因此，如果在程序中定期向P1.5发送信号，则MAX813L可以在程序运行异常时重新设置MCU。

2.时钟接口电路DS1307

时钟接口电路DS1307是一种基于达拉斯公司I2C总线接口的实时时钟芯片，具有与CPU无关的工作能力，不受晶振和电容的影响，定时准确，一般每月累积误差在10秒内。该芯片还具有掉电时钟保护功能，能自动切换为备用电源。同时，它还具有闰年自动调整功能，可以生成秒、分、时、日、月、年等数据，并保留了时间寄存器的断电保护功能，使得CPU可以根据需要进行读写操作。由于AT89C52不具有I2C总线接口，因此在DS1307驱动中必须采用单主模式I2C总线虚拟技术。主站(主设备)采用单片机控制，主站和主站之间不存在总线竞争，主站采用两个I/O口模拟I2C总线接口。主控设备(单片机)I2C总线产生时钟脉冲，在数据总线上产生地址信号、启动条件、停止条件和数据传输装置。在I2C总线中，DS1307是作为从机使用的。I2C总线是一种内部为双向传输电路的串行数据同步传输总线，它的输出端为有拉阻的开漏型结构^[1]。

3.ISD4004型语音录放电路

ISD4004是一种美国ISD公司生产的语音录音芯片，能录下8-16分钟的声音。该芯片可以提供SPI标准接口和单片机接口，单片机可以完成录音、播放等功能。该系统的一大特色就是通过ISD4004和MCU两种通信方式实现了音频的录音播放，为系统和PSTN网络用户提供了一个语音平台。由于ISD4004的int和Rac管脚的输出是一个开漏结构，因此需要增加拉阻。

二、智能家居控制电路弱电保护的方案设计与装置选型

在弱电保护中，经常涉及到过流和过压保护，所以有必要对两者进行设计。它的主要用途是为相应的电源或信号线提供电压或电流保护。本文设计了5V、12V、24V、36V四种不同的弱电保护电路，并配有5V、12V、24V、36V四种不同的弱电保护电路。对于这一问题，常用的弱电保护电路主要是对后端元件进行保护，保护电路的主要元件是TVs管和自恢复熔断器(即PTC热敏电阻)。对于抗交流干扰，通常选择自恢复熔断器。针对不同控制板电路的电流要求，要求自恢复熔断器满足实际要求。对后端电路的具体元件和外围设备，应与熔断器的熔断电流和过电压值相匹配。此外，自恢复熔断器必须根据不同控制板电路的电流要求，考虑到电路中最大允许工作电流。本文主要是关于电视选择和计算，选择TVS管道的具体步骤如下：

确定直流电压或被保护电源或信号的持续工作电压，如交流电流为411.4，则为最大有效电流。TVs的反向位移电压，也就是TVs的工作电压(vrwm)-vrwm等于或大于第(1)步规定的工作电压。本文采用的是5V电源线和信号线的保护电路方案，从而将TVs管的反向击穿电压设置为5V。当考虑直流电路时，选择的TVS管可能是单向的，但是如果进行了交流干扰试验，它必须是双向的。在集成电路中，反向工作电压需要计算击穿电压和钳位的最大值。根据5V保护电路的方案，输入电压设为5V，即输入端工作电压设为5V，反向工作电压VWM=5V，击穿电压VBR=5V/0.8=6.25v,VC=1.3×6.25v=8.125v，(双向电视管)符合要求

^[2]。

三、25V硬件保护电路的设计

根据四种弱电保护电路方案的相似之处，当自恢复熔断器温度升高时，其相应的电阻呈指数增长。所以，在过电压时，根据分压原理，其输出端开路。这有利于电路的保护。v-out端口是IC的输出插针，其原理是管端阻力迅速降低，当不稳定能量影响管端时，smbj5.0ca9.2v固定电压，5v的工作电压满足TVS要求。这样可以保证后续电路或芯片不受闪电冲击，这个界面可以承受商业和工业用电，直接接通可提供几分钟而不伤害用户。举例来说，电路使用PTC+TVs管产生回路。地面电视后续电路保护系统，在输入较大电流时，开始加热，产生高电阻。R1,R2,C1和C2是电路中可选的安装片(可选的)，用来提高电路的EMI性能。

四、测试和调试的结果

用PTC热敏电阻测试了弱电线路的保护电路，但PTC相当于一个限流器，当限流电流超过最大容许值时，其温度迅速升高，电阻增大，从而达到限流的目的。TVS管在较长一段时间内吸收过多的能量，会使TVS管的温度升高，从而导致TVS管在焊接后熔化锡，从而使TVS管脱落^[3]。

1.试验中的交流干扰试验

弱马达反干扰实验的目的是在直流电源中产生干扰和交流信号，线路为双向电视管以测试交流干扰。所用设备主要为抗干扰发电机、直流调压器和通用时钟的脉冲组件。测量输入直流电压，每2分钟，恒压输入值23,335.0v，并相应地，当接上电源时，抗干扰试验装置将检查输出电压在2.18~2.31V动态范围内，毫米级的电压变化；输入恒定电压，在2.98~3.28V输出范围内，3.3V的干扰信号，3.3V的输出变化；直流输入电压在2.18~2.31V时，输出变化，3.87~5.12v的输出变化。

2.弱电保护电路的具体应用

对于智能家居产品来说，一般的智能设备包括网关、视频播放器、终端显示器等等，其中包括LCD显示器，其复制电路都是由弱电技术控制的。该扩展终端可作为一个小型网关，提供系统设备控制能力和场景模型的智能家居系统。为解决不同电压下的供电问题，终端设备采用220伏和12伏两种供电方式，多采用跳线方式。最后，底部面板如电源面板，输入变量电压220V，输出电压12V，高频信号和显示器上面板。12V输入，工作电压通过一个接口输入。实际上，220VAC电源是最常用的电源，为防止交流信号的传播，提高系统供电的可靠性，必须设置弱保护电路。

五、结束语

在对智能家居控制电路弱电保护系统测试时，该电路具有抗交直流干扰功能。区别在于直流过电压试验中PTC的选用要谨慎。线路中的电流太大，应根据实际电流要求选择合适的自恢复熔断器。雷击和冲击试验时，应特别注意其峰值频率。一般而言，对于高功率峰值干扰，弱电保护电路的保护时间较短。长期使用易造成电路的软损。弱电保护电路在智能家居、弱电控制器、通讯模块、液晶显示等领域具有明显的保护效果和经济效益。

参考文献

[1]王成,陈文杰,刘耀强,陈小林,潘小钗.基于智能家居控制电路弱电保护电路设计[J].电声技术,2015:43-45+71.

[2]张有瑞.基于智能家居控制电路弱电保护电路设计[J].《商》,2015:295-295.

[3]张光建.智能家居弱电控制系统电路设计[J].自动化应用,2016:36-37