超低功耗無線觸摸按鍵開關設計

張 白,孔德超，魏彩穎，王春陽

(北方民族大學電氣信息工程學院，寧夏 銀川 750021)

0 引言

隨著科技水平的迅速提高，各種電子設備相繼進入我們的生活，使我們的生活更加豐富多彩。開關作為常用的家用器件，在人們的日常生活中扮演著舉足輕重的角色。比如我們每天用的照明燈的開關，還有汽車門鎖開關、智能家居電器的開關等[1-2]。隨著技術的進步及生活水平的提升，人們對開關的性能提出了更高的要求。特別是家用照明的機械開關，由于機械開關需要提前在墻體內布設電力線，影響了房屋裝飾的美觀性，增加了房屋裝修的價格，而且機械開關損壞后不易更換，給人們的日常生活帶來了諸多的不變。針對機械開關存在的諸多問題，目前市場上出現了大量功能各異的無線遙控開關，例如初冠智能無線觸摸開關。該產品是將原有機械開關裝置更換為無線接收控制裝置，再通過無線遙控器控制開關通斷實現機械開關的功能，然而此品牌的無線開關本質上并沒有改變原有機械開關存在的弊端。例如Burnett品牌的WiFi智能開關，由于其依賴于WiFi網絡，且必須在墻體內布設電力線進行供電，仍然沒有解決機械開關存在的本質問題。

經過對目前市場上無線開關存在的弊端，及人們對無線開關需求的分析，本文設計了一款超低功耗觸摸按鍵無線開關。通過超低功耗觸摸按鍵芯片TTP223實現按鍵檢測，通過無線編碼芯片PT2262和無線解碼芯片PT2272實現點對點無線通信[3-4]，通過理論分析及對電路的優化使無線發射電路的功耗變得極低。

1 開關裝置實現原理

無線開關不可避免地需要設計無線通信系統[5-7]。通過對目前無線通信系統的分析及成本價格的考慮，本開關通信系統采用低成本簡易無線編碼芯片PT2262和解碼芯片PT2272實現無線通信；采用撥碼開關設置無線編解碼芯片PT2262和PT2272的地址，實現無線開關點對點的配對控制的要求；采用觸摸按鍵芯片TTP223檢測按鍵動作，實現按鍵的非機械式操作，從而避免了機械開關易于損壞的弊端；采用CR2032紐扣電池實現無線開關發送裝置的系統供電。無線開關接收裝置通過簡易整流電路實現接收系統供電，2272芯片接收到開關信號后控制繼電器電路的通斷，進而實現受控電路的接通或斷開。系統結構原理如圖1所示。

圖1 系統結構原理圖Fig.1 Schematic diagram of system structure

2 開關裝置電路設計

2.1 觸摸檢測電路

觸摸檢測電路如圖2所示。

圖2 觸摸檢測電路Fig.2 Touch detection circuit

由于機械按鍵損壞后不易于更換，本設計采用觸摸按鍵代替機械按鍵。TTP223是一款低功耗、寬工作電壓、單個觸摸按鍵檢測芯片，被用作傳統機械按鍵和其他觸摸開關的取代品[8-10]。TTP223有低功耗模式和快速模式兩種工作模式，并且輸出引腳電平可以配置為高電平輸出或者低電平輸出，輸出模式可以根據需要配置為點動輸出或者自鎖輸出。為降低本無線開關發射裝置系統的待機功耗、增加電池工作時間，本無線開關檢測電路采用TTP223點動輸出高電平的工作方式。電路工作時，當檢測到手指觸摸到按鍵時，輸出高電平以驅動整個發射裝置發射信號；當沒有檢測到手指觸摸時輸出低電平即觸摸按鍵無輸出，此時無線發射裝置不工作。由于無線發射裝置只在檢測到觸摸信號時工作，系統待機功耗大大降低。觸摸按鍵靈敏度可以通過調節電容C1進行設置，調節電容的范圍一般在0～50 pF，電容越小觸摸越靈敏。當C1很小時，還可以實現感應檢測。根據實際測試，本檢測電路的調節電容為30 pF。

2.2 無線發送模塊

本無線開關數據發送模塊采用工作頻率為315 M調幅方式，此電路應用較為成熟。無線發送模塊電路如圖3所示。

圖3 無線發送模塊電路Fig.3 Circuit of wireless transmission module

圖3中：out端接觸摸檢測電路的輸出，實現發送模塊供電；data用于連接2262芯片的數據輸出端，實現數據的發送。

2.3 無線發射電路設計

2262系列編碼芯片是一款CMOS工藝制造的低價位、低功耗的通用無線編碼芯片，被廣泛應用于低成本無線通信控制領域[11]。2262芯片地址引腳可以設置為12位(A0～A11),并且其引腳可以設置為低電平、高電平、懸空三種狀態。因此，其地址設置最多可達531 441個[12-13]。本文設計的無線發射裝置電路如圖4所示。

圖4 無線發射裝置電路Fig.4 Circuit of wireless transmitter

當觸摸按鍵檢測到觸摸信號，無線編碼芯片2262的發射控制引腳TE為低電平時，2262芯片發射編碼信號。如果將發射控制引腳TE直接接地，不同年齡段的人手指在觸摸按鍵上停留的時間不同，2262芯片連續發射編碼信號次數不同，接收端也將不斷地接收到信號，從而造成無線開關誤動作。為解決上述問題，防止2262芯片連續發射多次編碼信號，本文采用RC充電時間來控制TE端的低電平時間，進而防止2262芯片連續發射多次編碼信號。具體實現原理如下。

2.4 無線接收電路設計

2.4.1 單模態控制電路

單模態無線接收裝置由供電電路、接收模塊、繼電器模塊三部分組成。供電電路由220 V的交流電通過簡易的限流、整流、降壓電路轉換而來。接收模塊由2272芯片和315 MHz無線接收模塊組成。由于只控制一組燈具，故選用2272-T4的D2端口自鎖反轉來實現燈具的控制[14-16]。繼電器模塊通過三極管實現驅動，當2272的D2端口為高電平時，三極管驅動繼電器導通，使燈具電路接通；當D2端口為低電平時，三極管截止從而繼電器斷開燈具熄滅。

當無線接收裝置接收到與本身地址匹配的信號時，控制2272的數據引腳D2反轉，進而控制繼電器的通斷，最終實現控制燈具的亮滅。

2.4.2 多模態控制電路

根據控制不同顏色或者不同亮度燈具的需求，本文提出了多模態控制接收電路的設計方案。與上述單模態控制電路相比，多模態控制電路的接收芯片采用2272M系列。2272M系列的芯片接收到信號時，其特定端口輸出上升沿脈沖。根據這一特性，選用計數譯碼芯片CD4022實現接收芯片的計數譯碼輸出控制四路不同亮度或者顏色燈具的選擇。將四個驅動三極管的基極分別連接到譯碼器輸出的OUT1、OUT3、OUT5、OUT7四個引腳上，OUT0、OUT2、OUT4、OUT6懸空。多模態控制電路接通電源時OUT0輸出高電平，但由于OUT0是懸空的，故燈具沒有接通。接收模塊接收到發射端信號后，CD4022計數譯碼器計數，OUT1為高電平，其他輸出引腳為低電平，此時只有第一組燈具工作。當多模態控制電路再次接收到信號時，CD4022計數輸出。只有OUT2為高電平，故燈具1停止工作，從而使四組燈具中只有一組燈具處于工作狀態，并且正在工作的燈具又能隨時關斷。

3 功耗分析

本文設計的無線開關接收裝置電源由220 V的交流電轉換而來，功耗對于用戶使用來說并沒有嚴重影響。但是發射裝置是由兩塊CR2032紐扣電池實現供電，故發射裝置的功耗大小及電池更換的時間必須嚴格考慮。

無線開關發射裝置只有在檢測電路檢測到觸摸信號，由檢測電路輸出端口給整個發射裝置供電實現發射裝置的正常工作，在其他情況下無線發射裝置處于待機模式。經過測量在發射裝置待機時工作電流為12.7 μA。正常工作時，整個發射裝置運行工作電流為257.5 μA，CR2032紐扣電池的容量為240 mA。經計算，發射裝置的正常待機時間為2.16年，而發射裝置一直持續工作的時間為38.83天。本文設計電路要求電池電壓大于3 V方可正常工作。假設我們一年按下開關的次數為4 000次，開關觸按試驗如表1所示。

表1 開關觸按試驗Tab.1 Switch touching experiments

經過對無線開關功耗的分析，可知無線開關裝置的功耗極低，完全滿足1年以上的正常使用。

4 結束語

本文針對照明類機械開關存在易于損壞且不易更換的問題，提出了一種超低功耗無線觸摸按鍵開關裝置。這種開關相對于傳統的機械開關所具有的優點主要包括：不需要墻體內提前布線，節省了布線成本；開關位置設置靈活，觸摸式檢測可靠性高且維修與更換簡單；開關系統成本低廉，采用TTP223、PT2262和PT2272低成本芯片實現設計；開關功耗低，正常使用1年以上無需更換電池。本無線開關發射裝置只有在檢測到觸摸信號時才處于工作狀態，其他時間段處于待機狀態。經過對無線開關裝置功耗分析可知，正常待機狀態下發射裝置耗電電流為12.7 μA，發射裝置正常工作時耗電電流為257.5 μA，無線發射裝置每按下500次耗電電壓為0.06 V左右。由此可知，本無線開關裝置耗電量極低，實現了低功耗設計的初衷。