基于單片機(jī)的智能插座設(shè)計(jì)

林嘉 劉炳全 邱小群

摘 ?要：近些年來(lái)，智能家居新產(chǎn)品層出不窮，智能插座就是其中一種。傳統(tǒng)家電大部分沒(méi)有智能化和信息化功能，智能插座就起到了輔助傳統(tǒng)家電的作用，包括供電遠(yuǎn)程控制，用電狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制等功能。本文提出一種低成本、高效率的智能插座設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：智能家居;智能插座;遠(yuǎn)程控制;用電狀態(tài)監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM503.5;TP368.1 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）13-0044-03

Design of Intelligent Socket Based on MCU

LIN Jia，LIU Bingquan，QIU Xiaoqun

（Zhuhai City Polytechnic，Zhuhai ?519090，China）

Abstract：In recent years，new products of smart home emerge in endlessly，and smart socket is one of them. Most of the traditional household appliances do not have the functions of intellectualization and informatization. Intelligent sockets play an auxiliary role in traditional household appliances，including remote control of power supply，monitoring and control of power consumption status. In this paper，a low cost and high efficiency design scheme of intelligent socket is proposed.

Keywords：smart home;smart socket;remote control;power status monitoring

0 ?引 ?言

在能源日益缺乏的今天，大量開(kāi)發(fā)清潔且穩(wěn)定高效的能源是一種辦法;另外也應(yīng)該考慮如何能節(jié)約用電，防止不必要的電力浪費(fèi)，并且做到監(jiān)控用電設(shè)備運(yùn)行，及時(shí)調(diào)整用電規(guī)則和習(xí)慣。目前市場(chǎng)上的智能插座大部分不可本地操作，且沒(méi)有遠(yuǎn)程監(jiān)控用電狀況（包括電壓、電流、功率）的功能。智能插座應(yīng)該能實(shí)現(xiàn)控制用電設(shè)備通斷電，讓用電設(shè)備在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候自動(dòng)通電，其他時(shí)間自動(dòng)斷電;能夠通過(guò)主控制器監(jiān)測(cè)用電設(shè)備狀況并手動(dòng)控制用電設(shè)備通斷;能夠監(jiān)測(cè)用電設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，并可設(shè)定超限報(bào)警;當(dāng)參數(shù)超過(guò)設(shè)定值時(shí)，觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警，并通過(guò)Wi-Fi傳輸至服務(wù)器端。本文提出的智能插座實(shí)用性和性?xún)r(jià)比較高，能滿(mǎn)足以上需求。

1 ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)包括電源模塊，電能計(jì)量模塊，Wi-Fi模塊，繼電器模塊，STC12C5A60S2單片機(jī)控制模塊和人機(jī)交互模塊六個(gè)主要模塊。人機(jī)交互模塊包括蜂鳴器報(bào)警，LCD1602顯示器和按鍵輸入。該系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。單片機(jī)控制模塊（以下稱(chēng)單片機(jī)）是智能插座的核心;電能計(jì)量模塊負(fù)責(zé)采集電能數(shù)據(jù)并傳輸出至單片機(jī)，單片機(jī)再通過(guò)Wi-Fi模塊上傳至服務(wù)器;用戶(hù)可以通過(guò)人機(jī)交互模塊設(shè)置智能插座通、斷電的時(shí)間。

2 ?硬件設(shè)計(jì)

2.1 ?單片機(jī)控制模塊

單片機(jī)控制模塊負(fù)責(zé)智能插座所有模塊的集中管理。從電能計(jì)量模塊獲取電壓、電流、功率等信息，通過(guò)Wi-Fi模塊上傳至服務(wù)器，以便用戶(hù)查看，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電能分析;用戶(hù)也可以通過(guò)操作人機(jī)交互模塊的顯示屏直接實(shí)時(shí)查看電能信息，也可以通過(guò)人機(jī)交互模塊設(shè)置插座的通斷電時(shí)間，以適應(yīng)用戶(hù)的用電習(xí)慣;通斷電的功能由單片機(jī)控制繼電器模塊控制實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)控制模塊以STC12C5A60S2為核心，該芯片內(nèi)部集成MAX810專(zhuān)用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，抗干擾能力強(qiáng)。外加芯片（DS1302）組成的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路以實(shí)現(xiàn)時(shí)間計(jì)量功能。

2.2 ?電能計(jì)量模塊

電能計(jì)量模塊是以HLW8012為核心搭建的電路。HLW8012一般采用SOP8封裝，體積小，可以測(cè)量有功功率、電量、電壓有效值、電流有效值;其引腳CF輸出高頻脈沖，指示有功功率，在1000：1范圍內(nèi)達(dá)到±0.3%的精度;引腳CF1同樣輸出高頻脈沖，指示電流或電壓有效值，通SEL引腳選擇，在500：1范圍內(nèi)達(dá)到±0.5%的精度;內(nèi)置晶振、2.43V電壓參考源及電源監(jiān)控電路;5V單電源供電，工作電流小于3mA。通過(guò)電阻采樣用電負(fù)載的電壓和電流信息，經(jīng)過(guò)HLW8012的處理，把信息通過(guò)高頻脈沖的形式輸出至單片機(jī)控制模塊。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3 ?Wi-Fi模塊

Wi-Fi模塊由ESP8266為核心的電路組成。ESP8266是一款超低功耗的UART-Wi-Fi透?jìng)髂K，擁有極簡(jiǎn)的封裝尺寸和超低能耗技術(shù)，專(zhuān)為移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境應(yīng)用設(shè)計(jì)，可將用戶(hù)的物理設(shè)備連接到Wi-Fi無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信。電路附帶PCB天線(xiàn)，外圍電路簡(jiǎn)潔，阻抗匹配強(qiáng)，信號(hào)輸出穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。對(duì)ESP8266進(jìn)行二次功能開(kāi)發(fā)，能夠和單片機(jī)控制模塊完美配合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離、無(wú)障礙傳輸。為了使通信更加安全，還可與上位機(jī)協(xié)同增添加密算法。ESP8266與單片機(jī)通過(guò)UART連接即可，單片機(jī)采用串行口工作方式1，與ESP8266模塊通信。

2.4 ?繼電器模塊

繼電器模塊以SAI4005D為核心。其主要優(yōu)點(diǎn)是，開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)承壓達(dá)到480V，性能優(yōu)越，對(duì)于電機(jī)、變壓器等感性負(fù)載具有良好的穩(wěn)定控制效果。單片機(jī)需一個(gè)GPIO與繼電器模塊的輸入端，通過(guò)程序控制繼電器觸點(diǎn)的開(kāi)閉。

2.5 ?人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊分為顯示部分和操作部分。顯示部分主要由LCD1602、兩個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)（按鍵）和蜂鳴器組成;LCD1602可以顯示2行*16字符，滿(mǎn)足插座的全部需求參數(shù)顯示;蜂鳴器電路則實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警。設(shè)置和調(diào)整時(shí)間或者查看用戶(hù)信息，兩個(gè)按鍵即可完成。

2.6 ?電源模塊

電源模塊由阻容降壓方式把220V交流電壓降低，經(jīng)過(guò)1N4738穩(wěn)壓8.2V，最后經(jīng)過(guò)7805和AMS1117穩(wěn)壓至5V和3.3V，分別給單片機(jī)及相關(guān)電路、Wi-Fi模塊供電。

3 ?軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中除單片機(jī)控制模塊外，其余5個(gè)模塊均受到單片機(jī)模塊的控制或監(jiān)視?？砂凑展δ艿膭澐诌M(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。

3.1 ?人機(jī)交互功能

人機(jī)交互功能包括單片機(jī)控制模塊、人機(jī)交互模塊。用戶(hù)可以直接觀(guān)察當(dāng)前時(shí)間，用電設(shè)備的電壓、電流、功率及電量等信息。通過(guò)兩個(gè)按鍵即可設(shè)置當(dāng)前時(shí)間及繼電器通電或者斷電時(shí)間，其程序流程如圖3所示。首先讀取DS1302的時(shí)間信息，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，在LCD1602上顯示出來(lái)。要想查看電壓、電流、功率等信息，只要把兩個(gè)按鍵同時(shí)按下即可。信息顯示如圖4所示。另外，在程序中可根據(jù)需要，判斷當(dāng)前電量數(shù)值超過(guò)設(shè)定值，觸發(fā)蜂鳴器蜂鳴。

3.2 ?繼電器通斷用電設(shè)備功能

繼電器的輸入控制端與單片機(jī)的一個(gè)GPIO連接，在程序中加入判斷當(dāng)前時(shí)間與設(shè)置的通電時(shí)間是否相等。如果兩個(gè)時(shí)間相等，GPIO輸出低電平，觸發(fā)繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)接通;另外，也要判斷當(dāng)前時(shí)間與設(shè)置的斷電時(shí)間是否相等，如果相等，GPIO輸出高電平，繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)用電設(shè)備的通斷電。

3.3 ?電量信息獲取功能

單片機(jī)兩個(gè)外部中斷IO與一個(gè)普通IO與電能計(jì)量芯片HLW8012相連接。在處理CF（功率）、CF1（電壓、電流）兩個(gè)脈沖時(shí)，外部中斷模式設(shè)置為下降沿觸發(fā)中斷，使用MCU外部中斷來(lái)確定2次中斷間隔，使用MCU定時(shí)器來(lái)測(cè)量相鄰2次外部中斷的時(shí)間間隔，即可得到脈沖的周期與頻率。根據(jù)有功功率值、電流有效值、電壓有效值的大小與頻率的大小成正比，與周期的大小成反比這一規(guī)律，即可以計(jì)算出各電量數(shù)值。

3.4 ?數(shù)據(jù)上傳功能

單片機(jī)的RX（P3.0）和TX（P3.1）與ESP8266模塊的RXD和TXD交叉連接，且xxx兩者共地;單片機(jī)以串行口工作方式1，把測(cè)量得到的電能信息發(fā)至ESP8266，由于ESP8266的轉(zhuǎn)傳功能，再通過(guò)Wi-Fi發(fā)送至指定IP的服務(wù)器端，服務(wù)器端即可查看智能插座的電能信息。顯示效果如圖5所示。

4 ?結(jié) ?論

智能家居是未來(lái)社會(huì)家用電器的主要發(fā)展方向，而節(jié)能減排則是智能家居的重要功能。本設(shè)計(jì)從節(jié)能功能、用戶(hù)使用方便性及用戶(hù)數(shù)據(jù)的延展性方面進(jìn)行研究。考慮到了用戶(hù)在本地即可操作設(shè)置用電設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間，也為遠(yuǎn)程用戶(hù)提供用電數(shù)據(jù)以便進(jìn)一步分析用電負(fù)荷、用電習(xí)慣。本設(shè)計(jì)充分利用單片機(jī)資源，通過(guò)人性化的人機(jī)界面，用戶(hù)通過(guò)簡(jiǎn)單設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)通斷用電設(shè)備的目的，且通過(guò)Wi-Fi把電能信息傳輸至服務(wù)器端。本設(shè)計(jì)中的智能插座成本低廉，操作簡(jiǎn)便，運(yùn)行穩(wěn)定，在相關(guān)領(lǐng)域較有推廣價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：林嘉（1981.05-），男，漢族，廣東云浮人，講師，碩士，研究方向：嵌入式技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)。