基于單片機的智能節(jié)能插座的設(shè)計

(遼寧科技學(xué)院中美雙百學(xué)院 遼寧 本溪 117004)

在日常生活中，插座作為一個為用電設(shè)備供電的器件，人們對其要求越來越高，其智能程度也越來越明顯。一方面智能插座可以通過需要人為設(shè)定插座的定時開關(guān)，從而達到安全節(jié)能的目的；另一方面，應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過遠距離的遙控，可實現(xiàn)家居的安全化監(jiān)控，達到控制各種家用電器和設(shè)施的目的[1]，提高人們的生活品質(zhì)。

一、總體方案設(shè)計

本文設(shè)計的智能節(jié)能插座的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 智能插座的總體結(jié)構(gòu)圖

主要包括：定時控制、紅外接收、遠程控制、電量檢測、繼電控制、實時顯示及蜂鳴器報警電路。定時控制單元可以手動或自動控制供電時間；紅外接收單元利用熱釋電紅外傳感器檢測被測區(qū)域是否有人員在場，以此判斷是否對插座實施通斷控制；遠程控制單元主要傳送遠程的信息和接收指令通過控制電路將用電設(shè)備切斷；電量檢測單元用于檢測電壓、電流、功率等參數(shù)；繼電控制單元主要接收遠程控制指令、利用檢測單元檢測的數(shù)據(jù)與設(shè)定值比較、定時器發(fā)送來的指令或是紅外單元發(fā)送的信號，來控制插座上電器的供電；實時顯示單元主要顯示電壓、電流、耗電量等參數(shù)；蜂鳴器當(dāng)檢測到的電壓、電流和功率超過預(yù)設(shè)極限值時，發(fā)出報警信號，控制聲光報警。

二、硬件設(shè)計

(一)定時控制

采用AT89C51單片機和DS1302芯片可實現(xiàn)準(zhǔn)確計時，DS1302的供電方式以主電源供電為主，外加備用的3V紐扣電池電源，以防在系統(tǒng)電源出現(xiàn)故障時，能確保在系統(tǒng)電源恢復(fù)前時鐘繼續(xù)工作，確保時間的精準(zhǔn)[2]。時鐘電路配以按鍵電路，可實現(xiàn)手動或紅外遙控控制供電時間，隨時控制插座通電與否。

(二)紅外接收單元

利用AT89C51單片機和紅外接收頭HS0038構(gòu)成紅外線發(fā)射/接收控制電路，這種發(fā)射/接收控制電路電路簡單實用，而且輸出的控制方式可以選擇。具體工作過程為：發(fā)射信號時，將從單片機的P3.2口送出數(shù)據(jù),然后經(jīng)過紅外發(fā)射二極管發(fā)射出去,最遠可發(fā)射10m。接收信號時，利用紅外接收頭,將檢測到的數(shù)據(jù)接收后送到單片機P3.2口,再由系統(tǒng)確認接收數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)是否一致,一致則開鎖,二極管亮；否則不開鎖，二極管滅[3]。

(三)電量檢測電路

圖2 電量檢測電路

如圖2所示的電量檢測電路主要由電能計量芯片ADE7755和電壓、電流檢測電路構(gòu)成。電流互感器檢測到的電流經(jīng)過濾波以后送入ADE7755的V1P和V1N端；電壓互感器檢測到的電壓會有干擾，所以需要濾除干擾然后再送入ADE7755進行處理。處理完的信號從CF端送到單片機計數(shù)器上，單片機將處理好的信號顯示。通過讀取ADE7755寄存器中的數(shù)據(jù)，可以在顯示電路中顯示出電壓、電流和有功功率，隨時了解電器耗能情況。

(四)繼電器控制電路

單片機通過控制繼電器，可以控制負載的失電與得電。為了使繼電器能夠正常工作，本設(shè)計中采用三極管對繼電器進行驅(qū)動，并利用續(xù)流二極管對電路進行了保護。如圖3所示。

圖3 繼電器控制電路

(五)實時顯示電路

使用LCD1602顯示模塊，有以下幾個特點，外觀小巧、低功率消耗、價格低廉、屏幕展現(xiàn)內(nèi)容多，性能價格比高于數(shù)碼管。LCD1602芯片顯示信息時，畫面能展示雙排數(shù)據(jù)，共計32個字符，首排字符地址為80F-8FH,下一行地址是C0H-CFFH。工作時由正5伏電源供電，它以250kHZ的頻率進行工作。

(六)蜂鳴器報警電路

用一個揚聲器和三極管、電阻接到單片機的P2.0引腳上，構(gòu)成聲音報警電路，低電平觸發(fā)即可實現(xiàn)。當(dāng)功率超出限定范圍，插座提前預(yù)警提醒，避免強制斷電時電器產(chǎn)生的傷害。

(七)遠程控制單元

利用網(wǎng)絡(luò)將手機和家中的無線網(wǎng)進行連接，然后利用手機軟件控制插座的導(dǎo)通，實現(xiàn)遠程控制功能，根據(jù)用戶的需要控制家用電器的開關(guān)時間。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計

主程序主要包括系統(tǒng)初始化、遠程控制程序、顯示程序、紅外接收程序等。通過軟件設(shè)計，插座可以完成分段定時、遠程控制、紅外控制等功能，并且通過中斷服務(wù)程序可以完成電壓、電流及功率的測量。圖4為主程序流程圖，圖5為wifi遠程通信流程圖。

四、總結(jié)

本文所設(shè)計的節(jié)能插座，即可做普通插座來用，又具有定時開關(guān)的功能，可避免人們用完電器設(shè)備不切斷電源導(dǎo)致電能的浪費和安全隱患。通過移動設(shè)備進行遠程遙控開關(guān)是智能插座的最大的特色，也是家居系統(tǒng)智能化發(fā)展的必然方向。實驗證明，這種節(jié)能插座具有節(jié)能環(huán)保，安全可靠的優(yōu)點，值得推廣。