基于STC12C5A60S2的智能插座實現(xiàn)

易 奎，于春梅

(西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川綿陽621010)

基于STC12C5A60S2的智能插座實現(xiàn)

易 奎，于春梅

(西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川綿陽621010)

通過分析當(dāng)前插座的弊端，設(shè)計了一種新的智能插座．該智能插座以STC12C5A60S2作為控制核心，實現(xiàn)了光控、定時控制以及GSM遠程控制電器通斷電，同時該插座具有過熱保護、節(jié)能、防雷擊浪涌保護、按鍵設(shè)置、環(huán)境溫度檢測、實時時鐘、信息顯示等功能．系統(tǒng)具有小型性、經(jīng)濟性、智能化等特點．

智能插座；光控；定時控制；GSM遠程控制

隨著科學(xué)的發(fā)展，智能化家居越來越受關(guān)注，節(jié)約用電量的智能插座是智能家居的一個重要組成部分．節(jié)能插座的理念很早之前就已經(jīng)生成，到目前為止已經(jīng)發(fā)展得比較廣泛，但技術(shù)上還有待提高．現(xiàn)有的智能插座功能比較單一，如只能進行無線遙感控制或者在計算機關(guān)機或者待機狀態(tài)下有效切斷電源[1]，目前智能插座成本也較高．本文提出了一種基于STC12C5A60S2單片機的智能插座的設(shè)計方案．該智能插座實現(xiàn)了過熱保護、防雷擊浪涌保護、按鍵設(shè)置、環(huán)境溫度檢測、實時時鐘、信息顯示等多種功能，并且可以通過光控、定時控制以及GSM遠程控制實現(xiàn)對電器的通斷電，從而實現(xiàn)節(jié)能以及智能化[2]．從元器件的價格、體積等出發(fā)，選擇價格較低、體積較小的電子元器件，實現(xiàn)了小型化以及經(jīng)濟性．

1 硬件設(shè)計

硬件主要包括STC12C5A60S2單片機最小系統(tǒng)、光控電路、晶閘管光耦控制電路、GSM遠程控制模塊[3]、DS1302時鐘部分、OLED顯示模塊及驅(qū)動、按鍵模塊、DS18B20溫度檢測部分[4]等．考慮到成本以及小型化，在選擇元器件時，主要選擇價格較低、體積較小的元器件．插座的系統(tǒng)框圖如圖1所示．

圖1 插座的系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)接于220 V的交流電路，經(jīng)過電壓的轉(zhuǎn)換電路降為5 V，同時向DS1302、STC12C5A60S2等芯片提供電能．DS1302為時鐘芯片，用于產(chǎn)生系統(tǒng)時間，通過相對應(yīng)的按鍵控制STC12C5A60S2可設(shè)置DS1302芯片，數(shù)據(jù)返回到STC12C5A60S2，STC12C5A60S2通過OLED的驅(qū)動板使OLED將時間顯示在數(shù)碼管上．按下定時鍵時，可由按鍵設(shè)置家用電器開、關(guān)的時間，并且寫入STC12C5A60S2，同時STC12C5A60S2不斷從DS1302讀入時間，當(dāng)讀入的時間與STC12C5A60S2中設(shè)置的時間匹配時，晶閘管執(zhí)行開或關(guān)的指令，進而控制用電器的開、關(guān)．同理，在GSM遠程控制模塊、DS18B20溫度檢測部分以及光控部分，都是通過主控芯片STC12C5A60S2的控制，當(dāng)滿足設(shè)定的開或者關(guān)的狀態(tài)時，晶閘管執(zhí)行開或者關(guān)，從而實現(xiàn)電器的開與關(guān)．

1.1 單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計

主控器主要由MCU、復(fù)位電路和振蕩器組成，是單片機工作的必要組成部分和控制中樞．STC12C5A60S2是一款高速、低功耗、超強干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，但速度快8～12倍．其內(nèi)部有集成的MAX810專用復(fù)位電路、2路PWM、8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(25萬次/秒)等．將該微處理器加上復(fù)位電路、晶振電路之類的外圍電路即可構(gòu)成最小系統(tǒng)，支持主控部分工作．為了使該系統(tǒng)小型化，使用的芯片都是采用貼片式的．選用的元器件主要是STC12C5A60S2-35I-LQFP44、11.0592 MHz的8045貼片無源2腳晶振、貼片電阻電容等．

1.2 光控功能模塊的硬件設(shè)計

光控模塊即通過光敏電阻對光強的感知實現(xiàn)插座的通、斷電．光敏電阻對光具有可變性，無光時阻值無限大，相當(dāng)于短路，隨著光照強度的增加阻值逐漸減小，根據(jù)這一原理可實現(xiàn)家用電器有光工作、無光停止工作的性能．本次所用的是F5硫化鎘光敏電阻MG45，靈敏度高，質(zhì)量可靠．該光敏電阻可用于光電自動控制．亮阻為2～10 KW，暗阻為1～10 MW．圖2所示即為光控模塊的電路原理圖．

圖2 光控電路圖

1.3 DS1302時鐘模塊設(shè)計

DS1302[5]是可以涓流充電的時鐘芯片，它需要兩個電源以及振蕩電路才可以工作，通過單片機的控制，可以提供時間信息．DS1302的電路如圖3所示．此系統(tǒng)用時鐘芯片提供時間，通過STC12C5A60S2輸出給OLED顯示器顯示當(dāng)前時間．當(dāng)按下定時按鍵后，STC12C5A60S2從時鐘芯片讀一次數(shù)據(jù)，傳輸給顯示器．此時，通過按鍵可設(shè)置起始時間．設(shè)置好后再按下定時按鍵，起始時間被儲存在STC12C5A60S2內(nèi)部，同時可設(shè)置終止時間．當(dāng)?shù)谌伟聪露〞r按鍵后，終止時間被儲存在STC12C5A60S2內(nèi)部，同時顯示器顯示跳回當(dāng)前時間．當(dāng)前時間每增加一秒，STC12C5A60S2內(nèi)部都將起始時間與之進行比較，當(dāng)兩個時間相同時，STC12C5A60S2輸出信號使用電器開啟．當(dāng)內(nèi)部終止時間與當(dāng)前時間相同時，STC12C5A60S2輸出信號使用電器關(guān)閉．設(shè)計選用的是32.768 KHz(3*8 mm)的晶振、3.3 V的紐扣電池．

圖3 時鐘芯片的電路圖

1.4 晶閘管與光耦部分的電路設(shè)計

晶閘管屬于半控型電力電子器件和脈沖觸發(fā)型器件，一旦導(dǎo)通，則需要在主電路使通過晶閘管的電流降到接近于0的某一數(shù)值以下．雙向晶閘管是一對反并聯(lián)聯(lián)結(jié)的普通晶閘管集成．晶閘管所能夠承受的電壓和電流容量很高，工作可靠，故在此智能插座中選用雙向可控硅和具有過零檢查的光耦晶閘管，通過雙向可控硅和光耦的結(jié)合實現(xiàn)自動控制的通斷電．設(shè)計選擇的元器件主要有：MOC3023M SOP-6、BT136S-600E的貼片雙向可控硅等．圖4是晶閘管與可控硅部分的原理圖．

圖4 光耦與晶閘管部分的電路圖

1.5 遠程控制功能的GSM模塊設(shè)計

GSM模塊主要使用TC35I，TC35I新版西門子工業(yè)GSM模塊是一個支持中文短信息的工業(yè)級GSM模塊．當(dāng)供電電壓低于3.3 V就會自動關(guān)機．模塊在發(fā)射時，電流峰值可高達2 A，在此電流峰值時電源電壓(送入模塊的電壓)下降值不能超過0.4 V．所以該模塊對電源的要求較高，電源的內(nèi)阻+FFC聯(lián)接線的電阻必須小于200mΩ．

1.6 防雷擊浪涌保護模塊的設(shè)計

因雷電等外界引起的過電壓情況容易引起電路設(shè)備的損壞．為了保護電路設(shè)備，一般在電源的輸入端并聯(lián)壓敏電阻．壓敏電阻是一種具有瞬態(tài)電壓抑制功能的器件，防止浪涌、靜電放電、耐壓、瞬態(tài)電流(如雷擊)等造成設(shè)備的損壞，其作用在是電路正常工作情況下，工作電壓低于壓敏電阻的標稱電壓(也稱壓敏電壓)，壓敏呈現(xiàn)高阻態(tài)；當(dāng)過電壓的情況出現(xiàn)并大于標稱電壓時，壓敏瞬間導(dǎo)通，將過壓和過流導(dǎo)入大地，從而保護電路．一般壓敏電阻的選取主要考慮最大連續(xù)工作電壓、通流量、標稱電壓(壓敏電壓)等．

設(shè)計在電路之中并聯(lián)壓敏電阻MYN15-681K，它的標稱電壓是680 V，性能高，可用于防止供電電網(wǎng)中出現(xiàn)的過高浪涌電壓和雷擊對插座的傷害．此外還選取了OLED(128×64)、DS18B20等．

2 軟件設(shè)計

2.1 實時時鐘功能的程序流程設(shè)計

DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗的時鐘實時芯片．在程序設(shè)計的過程之中，必須特別注意時序．圖5是DS1302的程序流程圖．在讀寫數(shù)據(jù)的過程之中，RST/CE腳必須為高電平；對DS1302的操作歸根結(jié)底是對它的12個寄存器的操作．若要使其在重新啟動單片機時，顯示的時間不是初始化的DS1302值，則需要在主函數(shù)中進行判斷：若DS1302的秒寄存器值發(fā)生變化，則不進行初始化；否則進入DS1302的初始化函數(shù)．通過主控芯片的控制，實現(xiàn)實時時鐘的功能．

2.2 溫度檢測部分的程序流程設(shè)計

DS18B20是一種單線數(shù)字化溫度傳感器[6]，根據(jù)它的通訊協(xié)議可知：MCU控制該芯片完成溫度轉(zhuǎn)換需要三個步驟．操作DS18B20時，最關(guān)鍵的就是復(fù)位、寫數(shù)據(jù)和讀數(shù)據(jù)．圖6是DS18B20的程序操作流程圖．單總線器件ROM的獲取，可借用讀數(shù)據(jù)函數(shù)提前讀出，先初始化，再讀ROM．通過微處理器的控制，從而將實時溫度存儲下來．通過比較實時溫度與設(shè)定溫度，控制該智能插座的通斷電．

圖5 DS1302程序流程圖

圖6 DS18B20程序流程圖

2.3 遠程控制功能的程序流程設(shè)計

模塊主要包括GSM初始化、來短信檢測等．圖7為初始化GSM的程序流程圖．單片機通過兩個I/O口控制TC35I的開關(guān)機、復(fù)位等，通過串口與TC35進行數(shù)據(jù)通信，通信速率為9 600 kbps，采用8位異步通訊方式，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位．GSM模塊僅是此系統(tǒng)的一個外圍電路，通過單片機的控制實現(xiàn)遠程控制．

3 功能說明與測試

系統(tǒng)有光控、時控、GSM控制、溫度過熱保護等功能設(shè)置了9個按鍵，可以實現(xiàn)時間的調(diào)整、定時操作、模式選擇、顯示設(shè)置等．光控主要是使該插座有光時工作、無光時斷電；時控是使此插座實現(xiàn)定時開關(guān)電源，通過程序設(shè)計可以實現(xiàn)多次定義通電時間和斷電時間；GSM控制主要是為了防止人離開房間之后忘了關(guān)閉電器或者是想在人未到房間時開啟電器等，故可以在此種情況之下實現(xiàn)通斷電；過熱保護主要是通過檢測溫度，若溫度超過一特定區(qū)間的值，則實現(xiàn)插座的通斷電，從而保護電器[7]．

開發(fā)過程之中比較重要的幾點：(1)DS1302與MCU之間的連線不宜過長；(2)DS1302在初始化的時候要進行判斷，否則不能夠?qū)崿F(xiàn)掉電不掉時；(3)光控部分的電路可以使用光敏電阻和一個普通電阻串聯(lián)，簡單易懂；(4)選器件時應(yīng)該注意成本以及大小，兩者均需考慮．

智能插座的實物外觀圖如圖8所示，測試數(shù)據(jù)如表1所示．

圖7 初始化GSM程序流程圖

圖8 實物外觀圖

表1 測試數(shù)據(jù)

從測試的數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)功能可以看出設(shè)計具有的優(yōu)點：(1)節(jié)能性，其靜態(tài)功耗較小，通斷電的響應(yīng)時間較短，具有明顯節(jié)能的特點；(2)實用性，此系統(tǒng)有過熱保護、防雷擊浪涌保護、自動控制通斷電等功能，在家用的場合非常適合；(3)在電器正常使用時電壓之所以低于220V，是因為電路之中其它一些負載的分壓等．(4)合理性，當(dāng)斷電時，家用電器的電源被很好的切斷，不存在待機等狀況．

需改進的地方：(1)成本有點偏高；(2)由于功能較多，因此體積還不夠小，可以再進行小型化；(3)功能可以完善一下，將功能、價格以及體積綜合考慮；(4)防雷擊電涌保護的功能還不夠好；(4)可以做一些比較炫的顯示、外觀等；(5)按鍵設(shè)置過多．

4 結(jié)語

本文設(shè)計的智能插座可實現(xiàn)光控、時控、GSM遠程控制[8]、過熱保護等功能，通過使用成本較低、體積較小的芯片使系統(tǒng)更加小巧、實惠．系統(tǒng)具有節(jié)能性、經(jīng)濟性、小型性、智能化等特點，這種多功能的智能插座應(yīng)具有良好的應(yīng)用前景．

[1]黃界.基于AVR的智能節(jié)能插座設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010(12): 188-190.

[2]徐偉,姜元建,王斌.智能插座在智能家居系統(tǒng)中的設(shè)計和應(yīng)用[J].中國儀器儀表,2010(10):45-47.

[3]李海生.基于GSM短消息的遠程監(jiān)測系統(tǒng)[D].秦皇島:燕山大學(xué), 2005.

[4]張明,劉岑俐.基于PIC單片機和DS18B20的溫度測量系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測試,2010(4):54-57.

[5]崔惠柳.串行實時時鐘芯片DS1302及其應(yīng)用[J].廣西工學(xué)院學(xué)報, 1998(1):60-64.

[6]Wu Y X,Liu D,Kuang X H.A Temperature Detecting System Based on DS18B20[C].International Conference on Mechatronics and Materials Processing(ICMMP 2011),Guangzhou,China,2011.

[7]溫鐵鈍,孫鍵國,張?zhí)旌?無線遙控智能插座的設(shè)計[J].測控技術(shù), 2003(10):53-59.

[8]張宇琨,袁藝嘉,楊書凱,等.基于單片機的多功能智能插座[J].電源

技術(shù)應(yīng)用,2012(10):68-69.

【編校：李青】

The Intellectual Socket Based on STC12C5A60S2

YI Kui,YU Chunmei
(School of Information Engineering,Southwest University of Science and Technology,Mianyang,Sichuan 621010,China)

By analyzing the disadvantages of present sockets,the scheme introduces a new intellectual socket.The intellectual socket is based on STC12C5A60S2,realizing the function of optical control,time control and GSM control.At the same time,the intellectual socket can realize overheat protection,surge protection,energy saving,temperature detection and information display.The system has many good characters.It is small-sized,economic and intelligent.

intellectual socket;optical control;time control;GSM control

TP368.47

A

1671-5365(2014)06-0085-04

2013-10-28修回：2013-11-30

易奎(1992-)，男，本科生，研究方向為過程建模與優(yōu)化控制、機器人與自主控制

于春梅(1970-)，女，教授，研究方向為模式識別、系統(tǒng)辨識和故障診斷

時間：2013-12-13 10:05

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1630.Z.20131213.0836.002.html