无源照度感应器设计说明.doc

无源照度感应器
(详细设计说明书)
[V1.0(版本号)]

编写人：
编写日期：2011年08月09

目 录
1 引言 3
1.1 编写目的 3
1.2 背景 3
1.3 名词定义 3
1.4 参考资料 3
2 硬件设计 3
2.1 功能 3
2.2 性能 4
2.3 输入 4
2.4 输出 5
2.5 电路模块设计 8
2.5.1 光感信号模块 8
2.5.2 模数转换模块 8
2.5.3 光照范围选择电路 10
2.5.4 无线模块 12
2.5.5 光能供电模块 14
2.6 各个模块之间的关系图 14
2.7 无源照度感应器完整电路图 15

1 引言
1.1 编写目的
编写本说明书的目的主要是确认设计需求，列出设计各模块需要达到的功能。预期读者设计开发人员，质检人员等。
1.2 背景
模块名称: 无源照度感应器
任务提出者： 英泰力科技有限公司
开发者： 英泰力科技有限公司
1.3 名词定义
P90时间：设备充电到90%~100%能量存储时，在完全黑暗（0lux）的条件下正常工作的时间。
4/200时间：在平均光照强度为200lux的光照条件下，连续照射4小时后，能保证装置在0lux下连续、稳定工作的最小时间。
6/120时间：在平均光照强度为120lux的光照条件下，连续照射6小时后，能保证装置在0lux下连续、稳定工作的最小时间。
Lux_min：能正常连续工作的最低光照强度。

1.4 参考资料
STM_300_User_Manual_V1.25_02.pdf
EnOcean_Equipment_Profiles_EEP2.1
2 硬件设计
2.1 功能
1．光照强度感应功能：能自动检测工作环境的光照强度，并以无线方式发送数据。
2．光能供电功能：当光照强度大于100lx的时候，太阳能板将光能转换的电能供给电路使用，同时对储能元件充电。
3．无线发送功能：将探测信号以无线数据的形式发送出去，供接收器接收使用。也可用于发送学习数据包，或定时发送存在数据包；
所发数据包的格式应符合 EnOcean EEP 2.0规范。
5．具有学习时用手动发送信号的学习按键；
6．具有用于指示发送无线信号的指示灯。
2.2 性能
1. 无线工作频率868.3MHz；
2. 无线信号发射功率≤10mW；
3. 室外空旷传输距离80m，室内传输距离：30m；
4.在照度为400lx时，5分钟之内开始工作；
5.P90时间为96小时；
6.4/200时间：24小时；
7. 6/120时间：24小时；
8. Lux_min：30lux
9.灵敏度：感应器可以探测的最小光照变化为2lux (0—510lux范围时)。
10.感应的光照度范围为
室内型：0—510lux；0—1020lux；
室外型：300—30000lux；600—60000lux；
11.平均无故障时间（MTBF）为80,000小时。
12.机械强度满足成都英泰力科技有限公司企业标准4.3.10中的要求；
13.电磁兼容性满足成都英泰力科技有限公司企业标准4.7中的要求。
2.3 输入
1、光照强度信号；
2、按键信号；
3、光能输入。
2.4 输出
符合 EnOcean EEP 2.0规范的通信数据包的无线信号，包括：
1、每隔1000秒发送一次采集的光照度信息；
2、当按下发射按键时，立即发送发送一次数据包；

学习数据包的格式如下表所示：
照度感应器学习数据包格式表：
A5（同步字节1）
5A（同步字节0）
06（数据包头识别）
数据的类型
室外型：01
室内型：02
FF（数据字节3）AD_2
FF（数据字节2）AD_1
FF（数据字节1）AD_0
FF（数据字节0）DI_7_0
ID_3（地址字节3）
ID_2（地址字节2）
ID_1（地址字节1）
ID_0（地址字节0）
00（状态字节）
校验
DI_0=0,选中AD_0：照度输入范围, 0-1020 lux/600-60k lux;由拨位开关设置。输出0x0A。
DI_0=1,选中AD_1：照度输入范围, 0-510 lux/300-30k lux;由拨位开关设置。输出0x0B。
2.5 电路模块设计
1、光感信号采集模块；
2、A/D转换模块；
3、光感应范围选择电路；
4、光感输入选择电路；
5、无线模块；
6、光能供电模块。
2.5.1 光感信号模块
光感信号模块的功能是采集工作环境的光照强度信号，并将采集的光照强度信号转换为电信号。
采用线性光敏二极管采集光照强度信号，通过运算放大器将微弱的光照强度信号放大到符合要求范围的电压信号。
图2.1为把光照强度信号转换成电压信号的电路图：

图2.1 光照强度电压转换电路
光电转换电路由线性光敏二极管VTB8440B和电阻R9,R10,电容C4组成， OPA364IDVBT将光照强度电压信号放大后由管脚1输出至STM300的模拟信号输入引脚AD_0和_AD_1。
2.5.2 模数转换模块
模数转换模块采用STM300内部自带的A/D转换模块。只需在STM300的A/D转换输入端输入符合要求的温度/电压值即可。

2.5.3 光照范围及选择电路
1. 本光照感应器分为室内型和室外型；测量范围分别是：
室内型：0—510lux；0—1020lux；
室外型：300—30000lux；600—60000lux；
2. 范围选择电路的功能为选择光照度感应器的测量范围。

可以通过拨位开关进行选择。光照范围选择电路如图2.4所示：

图2.4 光照范围选择电路图

2.5.4 无线模块
无线模块用于发送无线数据，当按键被按下时立即发送一次数据包；.数据包的格式和内容分别如表2.1所示（见2.4输出章节）。
无线模块由Enocean芯片STM300及其外围电路构成，如图2.6所示：

图2.6 无线模块电路图
在图2.6中，电源VCC_300接入STM300的VDD和VDDLIM管脚，其中VDD为芯片供电管脚，VDDLIM在电源电压高于4.5V的时候，开始吸收电流，起到稳压的效果，最大吸收电流为50mA。
J1主要作用是连接STM300与电脑之间进行通信，配置STM300数据发送时间间隔等相关信息。接口尺寸：间距1.27mm的双排排针。
R6给WAKE0管脚提供上拉电压。
WAKE0管脚为STM300的触发管脚，当WAKE0电压跳变的时候，芯片将向外发送无线信号。
AD_0~2，DI_0~3分别分为STM300的模拟和数字输入口。
在本电路中DI_0用于选择输入端口AD_0，AD_1。

STM300的LED管脚接发光二极管指示灯D3，STM300发送数据时，指示灯会闪烁指示。
T2为外接天线接口，外接特性阻抗300Ω鞭状天线。
2.5.5 光能供电模块
光能供电模块实现光能转换为电能的功能，并将转换后的电能储存在法拉电容之中，使用一个大容量的法拉电容存储电路工作所需电能，同时使用一个较低容值电容(如470uF)用于存储快速工作所需的电能。串联二极管隔离来自电路的干扰。

图2.7 光能供电模块

上图中，B1为太阳能板与电路接口，来自太阳能板的电能经二极管D1隔离再给电容C2充电，C2大小为470uF。若法拉电容的电压低于电路工作电压，在有光照的情况下，C2将首先充电，当电压达到2.7V左右的时候，电路即可工作，C2充电所需电量小，充电速度快，可以实现快速工作功能。
复位芯片MAX6347UR-31（U1），在电路中的作用是用来控制法拉电容充电，配合C2实现快速充电功能。在充电过程中，当法拉电容C1的电压低于复位芯片的复位电压时（3.1V），C2首先充电，当C2的电压大于3.1V的时候，U1的第2管脚变为低电平并延时100ms，Q2导通，太阳能板给法拉电容C1充电；当法拉电容电压高于4.5V时，多余的电压会通过D4被STM300释放掉；
电路中，Q1为P沟道MOS管，法拉电容同时使用0.33F的电容。D2起到隔离来自电路中干扰的作用。
太阳能板采用一块EnOcean ECS-300，其在不同光照下的开路电压与短路电流如下表所示：

表1太阳能板开路电压和短路电流
光照强度（lx）
30
100
120
200
300
400
500
600
800
1000
开路电压（V）
3.70
4.13
4.24
4.34
4.52
4.58
4.66
4.71
4.80
4.86
短路电流（uA）
1.0
3.2
4.2
6.1
8.2
11.6
14.3
17.6
23.1
28.6

1库仑=1安培·秒 1安培的电流1秒携带的电量
1F=Q/V 单位电压可存储的电荷量
STM300---Supply voltage 2.1 V – 4.5 V;
电路静态工作电流如下表所示：
表2静态工作电流
法拉电容电压（V）
2.45
2.65
3.1
3.5
4.0
4.2
静态工作电流（uA）
0.48
0.62
0.7
1.18
1.38
3.35
注：在上表2.9中，2.45V为STM300最低工作电电压，2.65V为STM300工作启动电压。
快速充电时间Tq(s)：
快速充电时间即容量为470uF的电容从0V充至3.1V电路启动工作的时间，计算方法为：Tq=Q1/Q2(s)；
Tq为快速充电时间，单位s；
Q1为470uF电容从0V充至3.1V所需电量，单位uC；
Q1=470(uF)*3.1(V)=1457(uC);
Q2为太阳能板每秒能提供的电量,单位uC；Q2的值如下表所示：

表3 不同光照下的Q2取值及快速充电时间
光照强度(lux)
200
300
500
1000
Q2(uC)
太阳能板每秒能提供的电量
6.1
8.2
14.3
28.6
Tq(s)
快速充电时间（秒）
239
178
102
51

法拉电容充电时间Tc（h）：
法拉电容33000uF的电容从0V充至4.5V所需电量：
Q1=33000 (uF)*4.5(V)=1485000(uC);
消耗电流：平均1.5uA
表4：不同光照下的Q2取值及法拉电容33000uF的电容从0V充至4.2V充电时间
光照强度(lux)

200
300
500
1000
Q2(uC)
太阳能板每秒能提供的电量

6.1
8.2
14.3
28.6
消耗电流

1.5uA
1.5uA
1.5uA
1.5uA
净充电电量

4.6
6.7
12.8
27.1
Tq(s)
充电时间（小时）

90
62
33
16

2.6 各个模块之间的关系图
无源照度感应器的主要功能模块如下图2.8所示

图2.8 无源照度感应器各个模块之间的关系图
2.7 无源照度感应器完整电路图
完整的电路图及PCB电路板见附件1。