智能無線控制插線板的設(shè)計(jì)

石雨婷 徐逸 劉蕓蕓 張俊

摘要：設(shè)計(jì)了基于LPC單片機(jī)及無線通信技術(shù)的智能無線控制插線板，能夠?qū)﹄娔軐?shí)時(shí)監(jiān)控;通過藍(lán)牙上傳和發(fā)送控制指令，單片機(jī)接收和處理指令來實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的通斷控制;相對(duì)于市面上其他智能插線板，具有控制器選型更加新型可靠、操作更加方便、系統(tǒng)更加節(jié)能等優(yōu)點(diǎn);實(shí)際操作中，用戶可使用手機(jī)APP實(shí)時(shí)監(jiān)控插線板。

關(guān)鍵詞：插線板;LPC;藍(lán)牙通訊;無線控制

中圖分類號(hào)：TP271.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）19-0042-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

插線板是人們生活中必不可少的消費(fèi)類電子產(chǎn)品，它能夠?yàn)榇罅康挠秒娫O(shè)施提供靈活的供電位置，目前各種智能用電設(shè)備在沒關(guān)電源的情況下一直是低功耗待機(jī)模式，這在方便人們生活的同時(shí)也造成了電能的浪費(fèi)。針對(duì)這個(gè)問題，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)出了智能無線控制插線板——它可以對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行全面的監(jiān)控，也可以使用手機(jī)控制插線板的耗損模式，還比普通插線板更加節(jié)能。用戶在使用過程中可以通過手機(jī)控制插座電源的接通和關(guān)斷，從而達(dá)到節(jié)約能源、方便人們生活的目的。

1 總設(shè)計(jì)方案

該智能無線控制插線板主要由五部分組成：電源、電能計(jì)量模塊、繼電器、藍(lán)牙、主控制器。智能插線板工作原理：由用戶向APP發(fā)送控制信息，控制信息通過手機(jī)藍(lán)牙、插線板的藍(lán)牙、最終到達(dá)單片機(jī)。單片機(jī)將接收的控制信息經(jīng)過程序處理后，相應(yīng)管腳輸出高，低電平控制繼電器動(dòng)作，繼電器斷開，連接插座端，繼而控制插座電源的通斷，由此達(dá)到無線控制用電設(shè)備電源通斷的目的。

電能計(jì)量模塊實(shí)時(shí)檢測電量參數(shù)，數(shù)據(jù)參數(shù)將通過電能計(jì)量模塊到單片機(jī)，再由藍(lán)牙到手機(jī)端，從而達(dá)到手機(jī)端實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的，因此用戶可以隨時(shí)查看用電器耗電情況。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

如圖1，設(shè)計(jì)中LPC11U48、藍(lán)牙及繼電器電路的電源均由電源模塊提供。

2.1 電源模塊

如圖2所示，電源由電網(wǎng)供能，將220V交流電經(jīng)電力電子器件（IGBT）轉(zhuǎn)換成低壓交流電，再經(jīng)電橋?qū)⒉ㄐ握鳛檎野氩?，接著使用電解電容和瓷片電容濾低高頻信號(hào)，利用三端集成穩(wěn)壓技術(shù)，使用7805和1117輸出5v和3.3V直流電壓。電路具有輸入電壓范圍寬、可以交直流兩用、超小體積、輸出電壓穩(wěn)定、高精度等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙是單片機(jī)與手機(jī)APP（ BLE安卓串口助手）交換數(shù)據(jù)的通道，用戶通過HC-COM APP發(fā)送指令。

如表2所示，設(shè)計(jì)選用HC-08藍(lán)牙模塊，模塊上引出了VCC，GND，TXD和RXD四根管腳。主從連上以后就相當(dāng)于一根串口線使用，不分主從，即透傳模式。藍(lán)牙配對(duì)成功后，連接串口就相當(dāng)于一個(gè)普通的串口，波特率默認(rèn)設(shè)置為9600，數(shù)據(jù)位8位，停止位l位，工作模式為從機(jī)。

TXD端接收到控制信息后，控制信息將由TXD端發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)從低功耗模式中被喚醒，經(jīng)過程序運(yùn)行，單片機(jī)將相應(yīng)端口置高，低電平，繼電器模塊線圈吸引，釋放開關(guān)使用電器插孔通電狀況改變，實(shí)現(xiàn)了用手機(jī)控制插孔電源的開通。值得一提的是，手機(jī)控制插孔電源關(guān)斷時(shí)，單片機(jī)與藍(lán)牙模塊均處于低功耗模式，此功能使智能無線控制插線板更加的節(jié)能。

2.3 電能計(jì)量模塊

電能計(jì)量模塊對(duì)用電器進(jìn)行耗能統(tǒng)計(jì)與計(jì)算。

如圖3，電能計(jì)量模塊選用IM1253B AC直入式。IM1253BAC可測量40-65HZ的交流電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率以及直流的電壓、電流、功率。在電路中，電能計(jì)量模塊由電源模塊供電，對(duì)插線板的電量實(shí)時(shí)監(jiān)測采集，并將得到的電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)參數(shù)通過UART口傳送給LPCIIU48。單片機(jī)通過軟件程序?qū)?shù)據(jù)信息分析出來并保存到存儲(chǔ)器中，同時(shí)將數(shù)據(jù)信息發(fā)送到手機(jī)端，實(shí)現(xiàn)用電狀況實(shí)時(shí)監(jiān)視。

2.4 繼電器

繼電器在電路中起開關(guān)作用。

本設(shè)計(jì)選用的繼電器工作電壓為5v，常開接口最大負(fù)載為：交流250V/IOA，直流30V/IOA（可帶負(fù)載較大，智能無線插線板適用于一般功率的家電）。

如圖4，繼電器的工作原理：線圈通電或斷電使開關(guān)動(dòng)作，由此來控制插孔電源。在實(shí)際操作中，因?yàn)榫€圈相當(dāng)于一個(gè)電感，斷電之后不會(huì)立即失電，會(huì)有一個(gè)放電過程，這一過程可能會(huì)燒壞單片機(jī)。為解決這一問題，本設(shè)計(jì)決定使用外部電路來消耗回流，電路原理為：使用續(xù)流二極管來消耗線圈的回流，三極管來防止回流損傷單片機(jī)。

3 軟件設(shè)計(jì)

程序的流程如圖5所示，設(shè)計(jì)總體程序由以下子程序和定義構(gòu)成：定義藍(lán)牙與繼電器的名稱、輸入/出10口、繼電器狀態(tài)、藍(lán)牙接收，發(fā)送數(shù)據(jù)的長度、定時(shí)器時(shí)間，子程序有初始化、系統(tǒng)時(shí)鐘的配置、檢測藍(lán)牙連接狀態(tài)、分析和處理藍(lán)牙數(shù)據(jù)以及許多中斷程序。下面詳細(xì)的解說程序運(yùn)行的流程。

程序運(yùn)行時(shí)，須進(jìn)行系統(tǒng)初始化及板子初始化。初始化程序主要分為三個(gè)部分：系統(tǒng)核心時(shí)鐘、板子、UARTI和10口以及各定時(shí)器初始化。初始化完成之后，首先讀取上一次繼電器的狀態(tài)、設(shè)置插孔狀態(tài)。接下來檢測單片機(jī)與手機(jī)能否正常通信，具體操作為：單片機(jī)發(fā)送一段數(shù)據(jù)，如果這時(shí)藍(lán)牙與單片機(jī)連接成功，APP將接收到一段數(shù)據(jù)。如果單片機(jī)與藍(lán)牙連接不成功，APP將不會(huì)有任何反應(yīng)。

單片機(jī)與手機(jī)正常通信之后，運(yùn)行相關(guān)程序，使用定時(shí)器倒計(jì)時(shí)來控制每個(gè)功能函數(shù)在程序循環(huán)周期中執(zhí)行的頻率。比如藍(lán)牙數(shù)據(jù)處理子函數(shù)中，一旦定時(shí)器計(jì)時(shí)到0，通過寄存器獲得此時(shí)藍(lán)牙的狀態(tài)，板子上的led燈將根據(jù)STATE端的狀態(tài)來改變顏色，對(duì)藍(lán)牙的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理。處理藍(lán)牙數(shù)據(jù)時(shí)，相應(yīng)定時(shí)器到0，單片機(jī)從緩沖區(qū)接收復(fù)制數(shù)據(jù)，最后繼電器執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。

控制繼電器：假設(shè)繼電器之前的狀態(tài)為連接，相關(guān)定時(shí)器到零，因?yàn)槔^電器之前狀態(tài)為連接，所以這時(shí)板子上LED燈變換成亮色，寄存器當(dāng)前狀態(tài)置1，這種情況下用戶看不到插線板狀態(tài)改變。相反，繼電器之前的狀態(tài)為斷開時(shí)，板子上LED燈顏色不會(huì)變化，寄存器當(dāng)前狀態(tài)置0。

控制插孔電源開斷的有效指令：KZB，指令為打開最左邊端口的插座電源。KZJ，打開中間的插座電源。KYB，為打開右邊的插座電源。GZB，為關(guān)上左邊的插座電源，GZJ，為關(guān)上中間的插座電源，GYB，為關(guān)上右邊的插座電源。

定時(shí)：插線板總電源在規(guī)定時(shí)間關(guān)閉，定時(shí)功能的指令是t，后面加上自己想定的時(shí)間，這里的時(shí)間統(tǒng)一以小時(shí)為單位，小時(shí)數(shù)為1，2，3_向上遞增，上限為99。軟件設(shè)計(jì)流程如圖所示。

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)的智能插線板使我們?cè)谏钪懈臃奖愕厥褂貌寰€板、省去了傳統(tǒng)的手動(dòng)遙控器、按鍵等輔助工具、大大減少了不必要的能耗，也適用于各種電源端口，電能損耗低，經(jīng)濟(jì)實(shí)用?，F(xiàn)在市面上有出現(xiàn)的很多電子產(chǎn)品出現(xiàn)了共享設(shè)施，如共享電瓶車的充電端口、小區(qū)的智能公共停車場所等，這些場所的各充電端口一般帶電并且不會(huì)有人去關(guān)閉，這就造成了很大的電能浪費(fèi)，本設(shè)計(jì)應(yīng)用于這些場合不僅僅會(huì)節(jié)省電能，也會(huì)使用電更加安全，同時(shí)公共電源傷人機(jī)率也會(huì)大大降低。但是，目前設(shè)計(jì)也還不完善，比如硬件電路占位過大、插線板插孔不能全部使用等，在產(chǎn)品后續(xù)改進(jìn)中，控制部分要做的更加靈活小巧，去適應(yīng)各種型號(hào)的插線板。

參考文獻(xiàn)：

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【通聯(lián)編輯：王力】

基金項(xiàng)目：國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：201910959057）

作者簡介：石雨婷（1999-），女，安徽蚌埠人，學(xué)生，本科.主要研究方向：電子電氣工程、自動(dòng)化。