如何使用4節(jié)AA電池制作智能鎖的方案設計

目前越來越多的樓宇和住宅業(yè)主希望改造他們的智能鎖或電子鎖，由電池供電的無線智能鎖越來越受歡迎。在智能鎖應用中，高電流電機和無線電通常耗電較快，影響電池壽命。但是，更換多節(jié)電池不僅費時且成本高昂，因此在智能鎖的設計中需要注意降低平均電流消耗。

本設計由輕負載高效直流/直流轉換器、SimpleLink超低功耗無線MCU平臺、集成電機驅動器和RGB LED驅動器提供支持，本設計涵蓋甚廣，有助于系統(tǒng)設計人員在電子鎖、門禁鍵盤和讀取器、無線自動百葉窗以及HVAC風門和執(zhí)行器的低功耗門鎖設計中占得先機。

1系統(tǒng)原理

該設計使用具有集成低功耗藍牙(BLE)無線電器件的CC2640R2F MCU來無線鎖定和解鎖門，同時還可通過監(jiān)控電池電壓指示壽命殆盡狀態(tài)、限制流過電機的電流（有助于延長電機壽命）以及利用LED照明和圖形將相關事件傳達給用戶。該設計通過選擇電源拓撲（在本例中為高效降壓轉換器TPS62745）和延長低功耗藍牙連接事件的占空比實現(xiàn)極長的電池壽命。

各種智能鎖系統(tǒng)中通常包含四個主要器件：MCU、低功耗藍牙無線電、電機驅動器和電源管理。計算出每個器件的平均功耗后，便可以計算出電池的壽命（以毫瓦時為單位）。要計算電池壽命，需要研究兩種不同的電流方案：

①藍牙開啟并且每500ms（或者用戶選擇的任何其他值）發(fā)送一次連接事件。

②鎖定或解鎖事件向電機驅動器發(fā)送信號，指示驅動器通過直流電機提供大約1A的電流。

我們將忽略藍牙配對的時間，因為這通常意味著有事件將要發(fā)生，并且通過電機提供的電流幾乎比流入藍牙器件的電流高兩個數(shù)量級。本設計提及的事件是指鎖定或解鎖情形。例如，如果用戶解鎖門，然后再將其鎖定，這被視為兩個事件（一個是鎖定事件，一個是解鎖事件）。

本設計在選擇電池時考慮了兩個主要因素：容量和電池平臺的普及度。AA電池的容量大于AAA電池。此外，當今市場上更多類似于智能風門的應用都選擇使用AA電池。

2系統(tǒng)框圖

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核心器件

DRV8833：具有電機電流控制功能和360mΩ低RDSon的雙H橋電機驅動器。

CC2640R2F：具有超低功耗無線MCU（32位ArmCortex-M3處理器）2.4GHz低耗藍牙。

TPS62745：具有16種可選輸出電壓（1.8V至3.3V）和90%效率（負載電流≥15μA時）的超低IQ降壓轉換器。

LP55231：用于為移動設備制造燈光效果的九通道LED驅動器。

CSD25310Q2：具有±8V柵極-源極電壓和19mΩ低RDSon的低成本功率PFET。

TPD1E10B06：采用0402封裝且具有10pF電容和6V擊穿電壓的單通道ESD。

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下圖為BOM物料清單

4系統(tǒng)電路圖

5硬件概述

下圖為本設計的硬件。PCB為3.5英寸×4.0英寸的矩形。不過，在開發(fā)過程中未采取任何措施來縮小其外形尺寸。PCB位于1英寸尼龍支柱上，可以在執(zhí)行實驗室測量時輕松使用。

該板具有兩根跳線。利用板左上角的J1，用戶可以斷開電池與該參考設計其余部分的連接。利用J1，還可以通過6V電源軌對電流測量結果進行收集。J5位于板中心附近，將3V電源軌連接到LED驅動器。當測試期間無需運行LED時，J5的作用尤其突出。板的左下角包含電機連接終端塊和測試點以及DRV8833電機控制器。I2C測試點和LED控制器中斷測試點位于板的右下角，靠近JTAG編程接頭。

CC2640R2F和PCB天線位于板的下部中間位置。六個RGB LED以環(huán)形排列在CC2640R2F的左側，兩個LP55231 LED控制器位于LED上方。該設計還包含一些按鈕。三個用戶按鈕位于右上角，而復位按鈕位于板的中心。

建議在拆下J1的情況下安裝電池，然后再安裝該跳線為電路供電。加電后，全部六個LED立即呈粉色閃爍，以通知用戶器件已正確加電。

粉色啟動LED

未使用藍牙連接器件時，用戶按鈕（S2、S3和S4）可激活設計的不同功能。按下S2后，將開始一系列燈光變化，六個RGB LED循環(huán)亮起多種不同的顏色。S3驅動電機前進。電機將在再次按下S3或10秒后停止。S4驅動電機后退。電機將在再次按下S4或10秒后停止。為了使用藍牙進行通信，使用名為LightBlue的iOS應用進行測試?？梢栽诟鞣N平臺上使用其他通用藍牙應用。已測試了SamsungGalaxyS6上B-BLE應用的功能。

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PCB布局

下圖為智能鎖設計的PCB布局。為了確保高性能，本設計采用了4層PCB布局。第二層為固態(tài)接地層，第三層用于電源軌布線（無接地填充）。頂層和底層用于一般信號布線，未使用的區(qū)域還具有接地填充。我們將板載藍牙天線放置在盡可能遠離其他噪聲源的位置，這些噪聲源包括降壓轉換器或其他可充當天線的部件（例如測試點或大跡線）。