一种集成式无线智能开关面板的制作方法

1.本发明涉及嵌入式领域，特别涉及无线物联网行业应用和智能建筑领域，具体给出一种集成式无线智能开关面板。


背景技术：

2.在传统的日常生活中，灯光的控制主要依靠开关面板来实现，可以说开关面板的诞生，对传统日常生活起到了很好的提高体验作用。但随着社会的发展人们对生活要求的不断提高，传统开关面板很难再满足用户的需求。便捷、安全、美观、智慧的智能面板更加适应时代需求，符合人们对现代家居生活的要求。对比传统开关面板，智能面板在外观、材质、安装等方面都有优势。传统面板的多控功能布线极其复杂，而智能面板接线简单且随意多控，包括场景控制、一键总控、多联多控等。智能面板将逐渐取代传统开关面板，这是时代的趋势，设计智能面板产品可满足行业内更多的应用需求和促进行业发展。
3.目前市面上大部分智能化的开关面板都是单独继电器回路面板或者单纯情景面板，成本比较高整体系统部署复杂，本方案解决了继电器回路面板和情景面板复合设计难点问题，实现了低成本简单安装的复合智能面板功能，同时解决其他相关产品存在复合设计后控制不稳定，结构复杂成本过高的问题。另外本方案机械结构符合86底盒标准，有效降低了新安装和存量市场改装的难度。


技术实现要素：

4.一种集成式无线智能开关面板，包括电路功能面板，电路功能底板和外壳单元。其中电路功能面板进一步包含自组网无线模块、按键单元、led指示单元、上部连接器单元；电路功能底板包含继电器阵列单元、过零检测单元、下部连接器单元、电源单元、强电端子阵列。外壳单元包含可拆卸按键，中盖和底壳。电路功能面板的上部连接器单元通过ffc结构的10p软排线和电路功能底板的下部连接器单元连接，电路功能底板通过四个角上的螺丝固定到底壳，中盖部署在电路功能面板上，通过四角卡扣固定电路功能面板，再通过螺丝固定到底壳，可拆卸按键通过卡钩固定到中盖上形成完整的开关面板。
5.进一步地，集成式无线智能开关面板中的ffc结构的10p软排线，包含5v电源信号线、地信号线、第一路继电器驱动线、第二路继电器驱动线、第三路继电器驱动线、第四路继电器驱动线、过零检测信号线。
6.进一步地，电路功能底板，其强电端子阵列包含6个强电接线端子，依次为火线入端子、第一火线出端子、第二火线出端子、第三火线出端子、第四火线出端子、零线端子。其继电器阵列单元包含四个继电器，每个继电器的第一个强电触点连接到火线入端子上，第二个强电触点连接到一个独立的火线出端子。
7.进一步地，电路功能底板，其电源单元包含220v输入端，5v输出端。220v输入端连接强电保护单元后，再进一步连接到火线入端子和零线端子，5v输出端连接到继电器阵列的5v供电端，并进一步连接到下部连接器单元的5v电源信号线上。
8.进一步地，电路功能底板，其过零检测单元包括功率电阻和光耦，输入端连接到火线入端子和零线端子，输出端到连接下部连接器单元的过零检测信号线和地信号线上。
9.进一步地，电路功能面板，其中的自组网无线模块包含3边半孔设计，通过贴片焊接方式连接到电路功能面板上，其中的4个驱动继电器的独立gpio端口连接到上部连接器单元，进一步通过ffc软排线连接到电路功能底板，电路功能底板的过零检测信号线，连接到上部连接器单元，进一步通过ffc软排线连接到自组网无线模块的独立gpio端口。
10.进一步地，电路功能面板，其中的按键单元包含6组轻触按钮，每组轻触按钮的第一端口通过上拉电阻连接到3.3v电源端，第二端口连接下拉去耦电容后连接到自组网无线模块的独立gpio口。
11.进一步地，电路功能面板，其中的led指示单元包含字体背光指示部分和按键指示部分，其中字体背光指示部分包含6组led贴片发光二极管，每组发光二极管部署在可拆卸按键的文字区域；按键指示部分包含6组led贴片发光二极管，每组发光二极管部署在可拆卸按键的按钮区域。自组网无线模块的一个独立gpio口连接三极管电路输入端，三极管电路输出端连接到背光指示部分。按键指示部分的每组led贴片发光二极管串联限流电阻后连接到一个独立的gpio端口。
附图说明
12.图1一种集成式无线智能开关面板总体框架图。
13.图2是外壳单元的组成结构图。
14.图3是电路功能面板的布局图。
具体实施方式
15.一种集成式无线智能开关面板，包括电路功能面板，电路功能底板和外壳单元。其中电路功能面板进一步包含自组网无线模块、按键单元、led指示单元、上部连接器单元；电路功能底板包含继电器阵列单元、过零检测单元、下部连接器单元、电源单元、强电端子阵列。电路功能面板的上部连接器单元通过ffc结构的10p软排线和电路功能底板的下部连接器单元连接，如图1所示。
16.本方案采用黑色方形的塑料国标86外壳，外壳底部外凸放置电路功能底板，上方6个接线孔，分别为火线和零线接线孔，4个火线输出孔。电路功能底板与外壳由4颗螺丝固定，电路功能底板与电路功能面板之间用间距为1mm的ffc结构的10p软排线连接。电路功能面板由一个卡扣固定，然后用4颗螺丝加固，卡扣与外壳内上顶部和内下顶部固定。卡扣对应的led指示区域挖空保证发光均匀，最后卡上可拆卸按键组成一个成品开关面板，结构如图2所示。
17.自组网无线模块，是 2.4ghz 频段符合 ieee 802.15.4 标准的无线通信模块，采用ti公司的cc2530 soc处理器芯片为核心进行设计。模块采用尺寸为21.5mm*16mm的三边半孔pcb板作为底板，pcb板上贴片焊接cc2530芯片和3225封装的32mhz晶振，晶振连接到cc2530芯片2个高频晶振引脚。pcb板上边包括7个半孔、左边包含8个半孔、下边包含7个半孔，半孔之间的间距为1.27mm。上边半孔连接cc2530芯片的vcc、gnd、dc dd、res引脚，其余半孔各自连接cc2530芯片的余下gpio口(芯片的gpio口具有复用功能能力)，gpio口的名称
和cc2530芯片数据手册保持一致。此外模块上包含一个pcb板印制天线以及一个lc巴伦电路单元，印制天线馈电端通过lc巴伦电路单元后连接到cc2530芯片的射频输出引脚。
18.无线智能开关面板以cc2530作为主控单片机，支持6路按键输入，4路继电器输出、6路led灯光控制输出，1路背光控制输出、1路过零检测输入以及烧写单元。触发不同的按键输入，对应的led指示灯会亮起，同时对应的继电器输出接通控制灯光。led背光支持一键关闭功能。
19.自组网无线模块通过三边半孔焊接到电路功能面板上，在vcc引脚处并联连接0603封装的10uf电容和100nf电容滤波。将vcc、gnd、dc、dd和reset共5跟信号线引出，连接到1.5mm*1.5mm，过孔大小为0.8mm的圆形焊盘，间距2mm排列烧写接口，方便软件烧写更新。
20.按键单元，兼容4键和6键设计，为了做机械结构上的兼容，共设计10个按键，分别为6键面板和4键面板，所以按键部分封装有所重叠，但不影响电气特性。这些按键由6个io口控制，分别通过p0_7、p1_0、p1_2、p1_3、dd、dc与cc2530相连，分别对应key1、key2、key3、key4、key5、key6，每个按键控制io口外部连接0603封装的10k上拉电阻，同时除dd、dc外的其他按键控制io口连接0603封装的100nf电容滤波消除抖动。当面板为6键面板时，6路按键判断输入状态；当面板为4键面板时，通过key1、key2、key5、key6这4路按键判断输入状态。
21.指示单元，led指示灯部分包括状态指示灯和背光指示灯。状态指示灯共6组，选用0603封装的白色led来完成指示功能。led的正极接3.3v电源正极,负极各自通过一个0603封装560欧姆的电阻连接到cc2530的p0_0、p0_1、p0_2、p0_3、p0_4、p0_5端口，分别对应led1、led2、led3、led4、led5、led6。当面板为6键面板时，6路输出指示状态；当面板为4键面板时，led1、led2、led5、led6这4路输出指示状态。
22.背光指示灯由0603封装的白色led和黄色led组合实现。白色led负极接gnd，正极两两并联后通过一个0603封装560欧姆的电阻连接到cc2530的端口led1、led2、led3、led4、led5、led6上；黄色led正极接3.3v电源正极,负极两两并联后通过一个0603封装560欧姆的电阻连接到cc2530的led1、led2、led3、led4、led5、led6端口上。负极两两并联后也可选地通过一个0603封装560欧姆的电阻连接到一个npn型三极管8050的集电极上，三极管的发射机接gnd，基极通过一个0603封装的5.1k电阻连接到cc2530的p1_4端口，基极同时接一个0603封装的30k上拉电阻，通过此方式2530的gpio口输出高低电平即可控制黄色背光的亮灭。通过指示单元不同的pcb贴片方法，可以将智能开关面板细分为带指示灯版本和变背光版本，布局情况如图3所示。
23.继电器阵列单元，包含4个hf32fv型号的继电器，且做到控制大功率强电回路电气设备的目的。有别于传统的开关面板，继电器控制方式具有响应动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点，为满足不同的场合的功率需求，本设计兼容10a和16a两种继电器，封装大小保持一致。
24.本设计选用uln2003达林顿管来驱动4组继电器。达林顿管采用5v供电，其i1、i2、i3、i4输入各自连接cc2530的p1_5、p1_6、p1_7、p2_0端口；达林顿管的o1、o2、o3、o4分别接4组继电器的低压控制电路的一端，同时另一端接5v电源，继电器的高压控制电路一端接220v，另一端接铜柱输出（l1、l2、l3、l4）。
25.继电器通过内部的电磁铁控制触点的闭合和断开。当继电器连接负载较大时，触点闭合和断开瞬间电流特别大，会产生拉弧，触点瞬间发热严重，导致继电器触点粘连失
效。为此设计了过零检测电路，在交流电过零点的时候驱动继电器会大大减少拉弧的出现，从而保护继电器。
26.本设计选用封装为dip-4的光耦pc817来设计过零检测电路。强电输入经过一个do-41封装的二极管和一个220k/1w的插件电阻接到pc817的输入端，pc817的发射极接gnd，接收端c极连接到cc2530的p0_6端口，同时接0603封装的10k上拉电阻。当交流电每次交变时（零点），光耦都可以输出一个高电平，cc2530接收到后，延迟一段时间后（根据过零信号周期和继电器相应时间决定，确保继电器在下一个零点出现的时候动作）输出一个高电平继电器控制信号后，信号经过达林顿管取反，产生一个低电平信号，此时继电器低压控制电路导通，控制继电器高压控制电路导通，从而输出220v控制灯光和电器。
27.本方案的电源单元考虑不同的应用场景，智能开关面板支持强电和弱电输入情况。pcb底板集成一个ac-dc模块（弱电环境用dc-dc模块，兼容封装），可以将220v或者直流输入转换为5v输出，最大电流可达1a。5v电压再通过sot-23-3封装的ldo-xc6206后转换为3.3v输出，ldo输入端由0603封装的10uf/16v电容滤波，输出端由0603封装的10uf/10v电容和100nf/10v的电容并联滤波。
28.本方案采用电路功能面板和电路功能底板分离的设计方式，两者之间的连接采用1mm间隔的10p软排线连接。底板上采用直插的双面fpc连接器，并在连接器下方开槽，方便排线穿出；面板上采用翻盖式fpc连接器，压下翻盖即可固定排线。排线主要将电路功能面板和电路功能底板之间的5v、gnd、4组继电器信号线（relay1、relay2、relay3、relay4）、过零检测信号线，以上7组信号线相连。