如何使用4节AA电池制作智能锁的方案设计

目前越来越多的楼宇和住宅业主希望改造他们的智能锁或电子锁，由电池供电的无线智能锁越来越受欢迎。在智能锁应用中，高电流电机和无线电通常耗电较快，影响电池寿命。但是，更换多节电池不仅费时且成本高昂，因此在智能锁的设计中需要注意降低平均电流消耗。

本设计由轻负载高效直流/直流转换器、SimpleLink超低功耗无线MCU平台、集成电机驱动器和RGB LED驱动器提供支持，本设计涵盖甚广，有助于系统设计人员在电子锁、门禁键盘和读取器、无线自动百叶窗以及HVAC风门和执行器的低功耗门锁设计中占得先机。

 

1系统原理

该设计使用具有集成低功耗蓝牙(BLE)无线电器件的CC2640R2F MCU来无线锁定和解锁门，同时还可通过监控电池电压指示寿命殆尽状态、限制流过电机的电流（有助于延长电机寿命）以及利用LED照明和图形将相关事件传达给用户。该设计通过选择电源拓扑（在本例中为高效降压转换器TPS62745）和延长低功耗蓝牙连接事件的占空比实现极长的电池寿命。

各种智能锁系统中通常包含四个主要器件：MCU、低功耗蓝牙无线电、电机驱动器和电源管理。计算出每个器件的平均功耗后，便可以计算出电池的寿命（以毫瓦时为单位）。要计算电池寿命，需要研究两种不同的电流方案：

①　蓝牙开启并且每500ms（或者用户选择的任何其他值）发送一次连接事件。

②　锁定或解锁事件向电机驱动器发送信号，指示驱动器通过直流电机提供大约1A的电流。

我们将忽略蓝牙配对的时间，因为这通常意味着有事件将要发生，并且通过电机提供的电流几乎比流入蓝牙器件的电流高两个数量级。本设计提及的事件是指锁定或解锁情形。例如，如果用户解锁门，然后再将其锁定，这被视为两个事件（一个是锁定事件，一个是解锁事件）。

本设计在选择电池时考虑了两个主要因素：容量和电池平台的普及度。AA电池的容量大于AAA电池。此外，当今市场上更多类似于智能风门的应用都选择使用AA电池。 

2系统框图

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核心器件

DRV8833：具有电机电流控制功能和360mΩ低RDSon的双H桥电机驱动器。

CC2640R2F：具有超低功耗无线MCU（32位ArmCortex-M3处理器）2.4GHz低耗蓝牙。

TPS62745：具有16种可选输出电压（1.8V至3.3V）和90%效率（负载电流≥15μA时）的超低IQ降压转换器。

LP55231：用于为移动设备制造灯光效果的九通道LED驱动器。

CSD25310Q2：具有±8V栅极-源极电压和19mΩ低RDSon的低成本功率PFET。

TPD1E10B06：采用0402封装且具有10pF电容和6V击穿电压的单通道ESD。

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下图为BOM物料清单

4系统电路图

5硬件概述

下图为本设计的硬件。PCB为3.5英寸×4.0英寸的矩形。不过，在开发过程中未采取任何措施来缩小其外形尺寸。PCB位于1英寸尼龙支柱上，可以在执行实验室测量时轻松使用。

该板具有两根跳线。利用板左上角的J1，用户可以断开电池与该参考设计其余部分的连接。利用J1，还可以通过6V电源轨对电流测量结果进行收集。J5位于板中心附近，将3V电源轨连接到LED驱动器。当测试期间无需运行LED时，J5的作用尤其突出。板的左下角包含电机连接终端块和测试点以及DRV8833电机控制器。I2C测试点和LED控制器中断测试点位于板的右下角，靠近JTAG编程接头。

CC2640R2F和PCB天线位于板的下部中间位置。六个RGB LED以环形排列在CC2640R2F的左侧，两个LP55231 LED控制器位于LED上方。该设计还包含一些按钮。三个用户按钮位于右上角，而复位按钮位于板的中心。

建议在拆下J1的情况下安装电池，然后再安装该跳线为电路供电。加电后，全部六个LED立即呈粉色闪烁，以通知用户器件已正确加电。

粉色启动LED

未使用蓝牙连接器件时，用户按钮（S2、S3和S4）可激活设计的不同功能。按下S2后，将开始一系列灯光变化，六个RGB LED循环亮起多种不同的颜色。S3驱动电机前进。电机将在再次按下S3或10秒后停止。S4驱动电机后退。电机将在再次按下S4或10秒后停止。为了使用蓝牙进行通信，使用名为LightBlue的iOS应用进行测试。可以在各种平台上使用其他通用蓝牙应用。已测试了SamsungGalaxyS6上B-BLE应用的功能。

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PCB布局

下图为智能锁设计的PCB布局。为了确保高性能，本设计采用了4层PCB布局。第二层为固态接地层，第三层用于电源轨布线（无接地填充）。顶层和底层用于一般信号布线，未使用的区域还具有接地填充。我们将板载蓝牙天线放置在尽可能远离其他噪声源的位置，这些噪声源包括降压转换器或其他可充当天线的部件（例如测试点或大迹线）。