超低功耗无线触摸按键开关设计

张 白,孔德超，魏彩颖，王春阳

(北方民族大学电气信息工程学院，宁夏 银川 750021)

0 引言

随着科技水平的迅速提高，各种电子设备相继进入我们的生活，使我们的生活更加丰富多彩。开关作为常用的家用器件，在人们的日常生活中扮演着举足轻重的角色。比如我们每天用的照明灯的开关，还有汽车门锁开关、智能家居电器的开关等[1-2]。随着技术的进步及生活水平的提升，人们对开关的性能提出了更高的要求。特别是家用照明的机械开关，由于机械开关需要提前在墙体内布设电力线，影响了房屋装饰的美观性，增加了房屋装修的价格，而且机械开关损坏后不易更换，给人们的日常生活带来了诸多的不变。针对机械开关存在的诸多问题，目前市场上出现了大量功能各异的无线遥控开关，例如初冠智能无线触摸开关。该产品是将原有机械开关装置更换为无线接收控制装置，再通过无线遥控器控制开关通断实现机械开关的功能，然而此品牌的无线开关本质上并没有改变原有机械开关存在的弊端。例如Burnett品牌的WiFi智能开关，由于其依赖于WiFi网络，且必须在墙体内布设电力线进行供电，仍然没有解决机械开关存在的本质问题。

经过对目前市场上无线开关存在的弊端，及人们对无线开关需求的分析，本文设计了一款超低功耗触摸按键无线开关。通过超低功耗触摸按键芯片TTP223实现按键检测，通过无线编码芯片PT2262和无线解码芯片PT2272实现点对点无线通信[3-4]，通过理论分析及对电路的优化使无线发射电路的功耗变得极低。

1 开关装置实现原理

无线开关不可避免地需要设计无线通信系统[5-7]。通过对目前无线通信系统的分析及成本价格的考虑，本开关通信系统采用低成本简易无线编码芯片PT2262和解码芯片PT2272实现无线通信；采用拨码开关设置无线编解码芯片PT2262和PT2272的地址，实现无线开关点对点的配对控制的要求；采用触摸按键芯片TTP223检测按键动作，实现按键的非机械式操作，从而避免了机械开关易于损坏的弊端；采用CR2032纽扣电池实现无线开关发送装置的系统供电。无线开关接收装置通过简易整流电路实现接收系统供电，2272芯片接收到开关信号后控制继电器电路的通断，进而实现受控电路的接通或断开。系统结构原理如图1所示。

图1 系统结构原理图Fig.1 Schematic diagram of system structure

2 开关装置电路设计

2.1 触摸检测电路

触摸检测电路如图2所示。

图2 触摸检测电路Fig.2 Touch detection circuit

由于机械按键损坏后不易于更换，本设计采用触摸按键代替机械按键。TTP223是一款低功耗、宽工作电压、单个触摸按键检测芯片，被用作传统机械按键和其他触摸开关的取代品[8-10]。TTP223有低功耗模式和快速模式两种工作模式，并且输出引脚电平可以配置为高电平输出或者低电平输出，输出模式可以根据需要配置为点动输出或者自锁输出。为降低本无线开关发射装置系统的待机功耗、增加电池工作时间，本无线开关检测电路采用TTP223点动输出高电平的工作方式。电路工作时，当检测到手指触摸到按键时，输出高电平以驱动整个发射装置发射信号；当没有检测到手指触摸时输出低电平即触摸按键无输出，此时无线发射装置不工作。由于无线发射装置只在检测到触摸信号时工作，系统待机功耗大大降低。触摸按键灵敏度可以通过调节电容C1进行设置，调节电容的范围一般在0～50 pF，电容越小触摸越灵敏。当C1很小时，还可以实现感应检测。根据实际测试，本检测电路的调节电容为30 pF。

2.2 无线发送模块

本无线开关数据发送模块采用工作频率为315 M调幅方式，此电路应用较为成熟。无线发送模块电路如图3所示。

图3 无线发送模块电路Fig.3 Circuit of wireless transmission module

图3中：out端接触摸检测电路的输出，实现发送模块供电；data用于连接2262芯片的数据输出端，实现数据的发送。

2.3 无线发射电路设计

2262系列编码芯片是一款CMOS工艺制造的低价位、低功耗的通用无线编码芯片，被广泛应用于低成本无线通信控制领域[11]。2262芯片地址引脚可以设置为12位(A0～A11),并且其引脚可以设置为低电平、高电平、悬空三种状态。因此，其地址设置最多可达531 441个[12-13]。本文设计的无线发射装置电路如图4所示。

图4 无线发射装置电路Fig.4 Circuit of wireless transmitter

当触摸按键检测到触摸信号，无线编码芯片2262的发射控制引脚TE为低电平时，2262芯片发射编码信号。如果将发射控制引脚TE直接接地，不同年龄段的人手指在触摸按键上停留的时间不同，2262芯片连续发射编码信号次数不同，接收端也将不断地接收到信号，从而造成无线开关误动作。为解决上述问题，防止2262芯片连续发射多次编码信号，本文采用RC充电时间来控制TE端的低电平时间，进而防止2262芯片连续发射多次编码信号。具体实现原理如下。

2.4 无线接收电路设计

2.4.1 单模态控制电路

单模态无线接收装置由供电电路、接收模块、继电器模块三部分组成。供电电路由220 V的交流电通过简易的限流、整流、降压电路转换而来。接收模块由2272芯片和315 MHz无线接收模块组成。由于只控制一组灯具，故选用2272-T4的D2端口自锁反转来实现灯具的控制[14-16]。继电器模块通过三极管实现驱动，当2272的D2端口为高电平时，三极管驱动继电器导通，使灯具电路接通；当D2端口为低电平时，三极管截止从而继电器断开灯具熄灭。

当无线接收装置接收到与本身地址匹配的信号时，控制2272的数据引脚D2反转，进而控制继电器的通断，最终实现控制灯具的亮灭。

2.4.2 多模态控制电路

根据控制不同颜色或者不同亮度灯具的需求，本文提出了多模态控制接收电路的设计方案。与上述单模态控制电路相比，多模态控制电路的接收芯片采用2272M系列。2272M系列的芯片接收到信号时，其特定端口输出上升沿脉冲。根据这一特性，选用计数译码芯片CD4022实现接收芯片的计数译码输出控制四路不同亮度或者颜色灯具的选择。将四个驱动三极管的基极分别连接到译码器输出的OUT1、OUT3、OUT5、OUT7四个引脚上，OUT0、OUT2、OUT4、OUT6悬空。多模态控制电路接通电源时OUT0输出高电平，但由于OUT0是悬空的，故灯具没有接通。接收模块接收到发射端信号后，CD4022计数译码器计数，OUT1为高电平，其他输出引脚为低电平，此时只有第一组灯具工作。当多模态控制电路再次接收到信号时，CD4022计数输出。只有OUT2为高电平，故灯具1停止工作，从而使四组灯具中只有一组灯具处于工作状态，并且正在工作的灯具又能随时关断。

3 功耗分析

本文设计的无线开关接收装置电源由220 V的交流电转换而来，功耗对于用户使用来说并没有严重影响。但是发射装置是由两块CR2032纽扣电池实现供电，故发射装置的功耗大小及电池更换的时间必须严格考虑。

无线开关发射装置只有在检测电路检测到触摸信号，由检测电路输出端口给整个发射装置供电实现发射装置的正常工作，在其他情况下无线发射装置处于待机模式。经过测量在发射装置待机时工作电流为12.7 μA。正常工作时，整个发射装置运行工作电流为257.5 μA，CR2032纽扣电池的容量为240 mA。经计算，发射装置的正常待机时间为2.16年，而发射装置一直持续工作的时间为38.83天。本文设计电路要求电池电压大于3 V方可正常工作。假设我们一年按下开关的次数为4 000次，开关触按试验如表1所示。

表1 开关触按试验Tab.1 Switch touching experiments

经过对无线开关功耗的分析，可知无线开关装置的功耗极低，完全满足1年以上的正常使用。

4 结束语

本文针对照明类机械开关存在易于损坏且不易更换的问题，提出了一种超低功耗无线触摸按键开关装置。这种开关相对于传统的机械开关所具有的优点主要包括：不需要墙体内提前布线，节省了布线成本；开关位置设置灵活，触摸式检测可靠性高且维修与更换简单；开关系统成本低廉，采用TTP223、PT2262和PT2272低成本芯片实现设计；开关功耗低，正常使用1年以上无需更换电池。本无线开关发射装置只有在检测到触摸信号时才处于工作状态，其他时间段处于待机状态。经过对无线开关装置功耗分析可知，正常待机状态下发射装置耗电电流为12.7 μA，发射装置正常工作时耗电电流为257.5 μA，无线发射装置每按下500次耗电电压为0.06 V左右。由此可知，本无线开关装置耗电量极低，实现了低功耗设计的初衷。