基于485总线的网络控制开关设计

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摘要：本文介绍了一种可以提供过485总线控制的红外感应开关。具有人体感应模式、强制开启/关闭模式、光照度感应模式等多种工作方式，可控制500W以下的照明设备，应用灵活可靠，有效节约电能。集成的人体红外热释电传感器可以有效检测区域内是否有人进入，进而实现更多灵活功能。

关键词：红外热释电 开关 网络 485总线

1 引言

传统的电灯开关都是依靠手动控制，经常出现忘记关灯、人员短时离开灯光常亮的现象。本文设计了一种可以通过485总线远程控制的照明开关，内部集成了人体红外热释电传感器、环境光亮度传感器、交流电流互感器、小型功率继电器、485总线通信模块，由单片机进行智能控制。开关可以检测环境光亮度与有无人员进入，在环境光较暗的时候，发现有人进入立即打开开关，而环境光线足够的环境，则不启动人造光源，有效的节约了电能。

2 系统概况

网络型红外感应控制开关是由主控IC、人体红外热释电传感器、可见光强度传感器、继电器控制电路、电流检测电路、RS-485网络接口电路和电源电路组成。主控IC检测到各传感器传送来的信号，进行逻辑判断，通过继电器控制电路控制白织灯或荧光灯动作。RS-485网络接口为系统提供了网络协同处理能力。

3 硬件电路设计

（1）电源电路设计

本设计电源部分采用的交流电源变压器，输入电压220V AC输出电压12V DC，满载电流29.1mA。变压器次级经过全桥整流，得到稳定的直流12V输出。另外系统还集成了3.3V三端稳压模块，用于提供给主控IC和红外热释电传感器部分电路。5V稳压电源用于485通信电路。

（2）主控IC电路设计

主控IC采用宏晶科技的STC11L04E，芯片内部包含中央处理器、程序存储器、数据存储器、定时/计数器、UART串口、IO接口、看门狗及片内R/C振荡器和外部晶体振荡电路等模块。

STC11L04E内部集成了4KB的Flash，用于存储程序。同时集成1KB EEPROM，可以将红外开关的机号、工作模式设置等信息存储在EEPROM里，擦写次数可达10万次以上。

芯片内部集成硬件看门狗功能，可以在程序崩溃以后提供可靠的复位。芯片提供ISP/IAP功能，更新程序时只需要连接一根3芯数据线即可。

（3）通信电路设计

在TIA/EIA-485-A标准中规定了485可驱动的最大负载数为32[1]，本设计中采用的485通信IC选择德州仪器公司设计生产的75HVD3082，最多支持256个节点。用三极管Q2控制发送/接收状态。三极管导通时，DE/RE被拉高，系统处于发送数据状态。当三极管截止时，DE/RE被拉低，系统处于接收数据状态。发光二极管D2指示了系统的发送/接收状态。

为了防止总线空闲时出现不确定状态，增加了R15和R17，用来在总线空闲时，给总线上一个确定的信号。在RS485总线两端，会产生阻抗不连续的情况，会出现信号反射的情况。为了降低这种不匹配和不连续，需要在总线两端添加终端电阻，典型值为120Ω[2]，在总线的两端通过短接J5将此电阻接入总线。

75HVD3082输出为5V信号，而主控IC工作电压为3V，所以在75HVD3082的输出RO到主控IC引脚间加了两个电压匹配电阻，来改变主控IC的输入电压。而由于主控IC的IO输出高电平为3.3V，已经可以达到75HVD3082对输入高电平的要求，所以输入端直接与主控IC的IO口连接即可。

（4）人体热释电红外检测电路设计

人体热释电红外检测控制IC使用了深圳全智芯科技有限公司设计生产的AS081。AS081是一个CMOS工艺集成的PIR控制芯片，功耗低。内部架构采用模拟及数字混合电路的Mixed-mode方式设计，各种情况下使用皆十分稳定。

为了防止主板上其它数字电路对传感器造成干扰，采用单点接地的方式，用R12和R13将数字地与模拟地分开。PCB Layout时，也要充分考虑模拟部分信号地的铺铜处理。

（5）继电器控制电路设计

本设计采用了一组常开触点继电器，继电器线圈通电时触点吸合，线圈断电时触点断开。继电器触点串连在电灯电源线路上，用来控制电灯的开关。继电器线圈采用NPN型三极管Q3控制。当单片机引脚LIGHT_CONTRL输出高电平时，Q3饱和导通，继电器线圈通电，触点吸合。当单片机引脚LIGHT_CONTRL输出低电平时，Q3截止，继电器触点断开。

（6）电流检测电路设计

检测负载电路中有无电流通过，可以初步判断负载是否损坏，可及时通知相关维修维护人员进行检修。

4网络通信协议格式

开关采用标准串行通信，发送和接收数据每字节11位，1位起始位（0），8位数据位，1位奇偶校验位，和1位停止位（1）。

通信数据流格式为：帧起始符（1 Byte）+机号（地址域）（6 Bytes）+帧起始符（1 Byte）+控制码（1 Byte）+数据长度（1 Byte）+数据域（n Bytes）+数据校验（1 Bytes）+结束符（1Byte）。

帧起始符69H：表示一帧开始，值为69H=01101001B。

地址域A0～A5：地址域由6个字节构成，用压缩BCD码表示12位10进制数。每个终端有一个独立的通讯地址。通讯地址999999999999为广播地址，广播地址仅对特定的指令进行响应，在不知道某终端通讯地址时可以通过广播地址查询。为避免总线堵塞，应慎用广播地址。

控制码C：控制码占用一个字节，传输控制字，终端应答消息的控制码为服务器发送的控制码+80H。

数据长度L：数据域所传输的字节数。写数据时，数据长度小于50，读数据时，数据

长度小于200。

数据域DATA：数据域包含上位机下达的指令与控制参数或下位机上传的状态信息。数据的发送方要按字节加33H，接收方受到数据后，按字节减33H。

校验码CS：校验码为从帧起始符开始到校验码之前的所有数据模256的和。即本帧校验码前所有数据相加的和，不计超过256溢出的部分。

结束符：表示一帧的结束，值为17H=00010111B。

发送前导字节：在发送信息之前，先发送1～4个FEH，以唤醒接收方或告知接收方准备接收数据。

数据传输次序：所有数据均先发送低位字节，后发送高位字节。

数据传输响应时间：服务器发送命令到终端，终端接收到数据后做出响应。收到数据后的响应时间Td：20ms≤Td≤500ms。字节之间停顿时间Tb：Tb≤500ms。

差错控制：字节校验为偶校验，帧校验为数据累加和校验，接收方无论检测到字节校验出错还是帧校验出错，均抛弃整帧信息，不予响应。

传输速率：9600bps

5软件设计

由于红外热释电传感器需要一个适应环境的过程，整机上电以后，等待45秒时间让红外热释电传感器适应现场光线，稳定后开始工作。程序运行时，先接收、处理上位机发送来得指令，再根据相应工作模式设置开关的状态，最后打开或关闭开关。

6总结

经过实际应用与测试，本文设计的网络型红外感应控制开关能较好的实现预想效果，成功安装应用到了学校教室、机关单位走廊等公共场所。设置为人体感应工作模式时，在无人的房间，始终保持电灯关闭。有人进入后，马上点亮对应区域的电灯，实现了节约电能的作用。

参考文献：

[1] 于月森、叶王庆.RS-485 总线可靠性应用研究[J].微计算机信息，2007，23（3）：274-276.

[2] 张晨昊、吴桂清、戴喻兴等.基于485总线的数字化温湿度控制系统的设计[J].科学技术与工程，2007，7（11）：2656-2658，2661.