基于單片機(jī)的多功能插座設(shè)計(jì)

郭芷妍，胡立夫，史佳偉，劉雨珊

（沈陽航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，遼寧沈陽，110036）

0 引言

隨著移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的不斷發(fā)展，智能家居逐漸火熱起來，便捷了人們的生活。但隨之而來也出現(xiàn)了如家用電器過載、內(nèi)部線路老化引發(fā)大量火災(zāi)的問題，而插座作為根本的多通道配電組件能夠?qū)崿F(xiàn)家用電器的間接控制。因此本文提出了基于單片機(jī)的多功能插座設(shè)計(jì)方案，用戶能夠通過Android 手機(jī)控制插座，以此間接控制家用電器的供電開關(guān)或定時(shí)開關(guān)電源，對(duì)于能源的有效利用有著重要意義。而且，當(dāng)插座檢測(cè)到相連家用電器的電壓或電流超出安全范圍，或插座內(nèi)部器件檢測(cè)到溫度超過安全范圍時(shí)，會(huì)自動(dòng)停止供電，同時(shí)蜂鳴器報(bào)警，避免發(fā)生火災(zāi)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的多功能插座設(shè)計(jì)以STC15F2K60S2 芯片作為下位機(jī)的控制核心，通過CS5463 電能計(jì)量傳感器對(duì)電壓、電流、功率和溫度等物理數(shù)據(jù)實(shí)行采集，通過時(shí)鐘模塊實(shí)時(shí)讀取時(shí)間數(shù)據(jù)，采用藍(lán)牙無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，繼電器模塊控制電源的開關(guān)。單片機(jī)將不同模塊的數(shù)據(jù)結(jié)合并處理和顯示，達(dá)到無線控制，插座保護(hù)，蜂鳴器報(bào)警等功能。多功能插座硬件整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。軟件部分由單片機(jī)軟件和Android 手機(jī)APK 軟件組成，軟件程序由不同的子函數(shù)共同搭建，通過調(diào)用合理地結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能。

圖1 多功能插座硬件整體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

多功能插座的硬件電路部分包括微控制器模塊、顯示模塊、傳感器模塊、無線通信模塊、報(bào)警模塊、繼電器模塊和電源模塊共八個(gè)模塊。

■2.1 微控制器模塊

STC15F2K60S2 微控制器引腳與傳統(tǒng)8051 單片機(jī)的最小應(yīng)用系統(tǒng)兼容。本設(shè)計(jì)中，由于OLED 采用I2C 通信方式，因此利用它自帶的普通I/O 口定義為I2C 通信協(xié)議中的兩條總線。STC15F2K60S2 微控制器內(nèi)部帶有IRC 時(shí)鐘，通過下載軟件時(shí)調(diào)節(jié)晶振頻率的方法選定內(nèi)部IRC 時(shí)鐘頻率。STC15F2K60S2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖如圖2 所示。

圖2 STC15F2K60S2 最小系統(tǒng)電路圖

■2.2 顯示模塊

本設(shè)計(jì)顯示器選用OLED 12864。在多功能插座使用時(shí)，難免會(huì)有大的加速度動(dòng)作，這種情況下，相比LCD 顯示屏，OLED12864 顯示屏的抗震性能更優(yōu)越。而且即使陽光直射，顏色也不會(huì)顯弱。OLED12864 與STC15F2K60S2 的連接電路圖如圖3 所示。

圖3 OLED12864 與STC15F2K60S2 的連接電路圖

■2.3 傳感器模塊

本設(shè)計(jì)采用CS5463 傳感器模塊，它通過SPI 通信協(xié)議直接輸出數(shù)字量的參數(shù)信息，使用方法簡單，靈敏度高且功率損耗低。CS5463功率測(cè)量芯片由兩個(gè)24 位高速ADC、1 個(gè)電能轉(zhuǎn)換頻率器、1 個(gè)計(jì)算功率器、一個(gè)串行接口組成。它能夠測(cè)量高精度的瞬時(shí)電壓、電流以及功率，自帶溫度傳感器，可以實(shí)行系統(tǒng)校準(zhǔn)。CS5463與STC15F2K60S2 的連接電路圖如圖4所示。

圖4 CS5463B 傳感器模塊與STC15F2K60S2 的連接電路圖

■2.4 無線通信模塊

本設(shè)計(jì)的無線數(shù)據(jù)傳輸器選用HC06，其模塊采用Blue2.0 技術(shù)，支持主從模式。本設(shè)計(jì)采用從機(jī)模式，通過AT 命令修改HC06 模塊通訊波特率，波特率范圍為1200~1382400。通過微控制器串口通信功能，TXD 端口連接P3.0 口引腳，藍(lán)牙發(fā)送數(shù)據(jù)，微控制器接收。RXD 端口連接P3.1 口引腳，藍(lán)牙接收數(shù)據(jù)，微控制器發(fā)送。其與STC15F2K60S2的連接電路圖如圖5 所示。

圖5 HC06 與STC15F2K60S2 的連接電路圖

■2.5 報(bào)警模塊

本設(shè)計(jì)報(bào)警電路選擇使用蜂鳴器實(shí)行聲報(bào)警。因?yàn)榉澍Q器發(fā)聲需較大的電流，須通過一個(gè)三極管電路實(shí)現(xiàn)電流的放大，然后微控制器對(duì)三極管基極輸出高低電平來控制完成聲報(bào)警。當(dāng)檢測(cè)到電壓、電流和溫度超過安全范圍時(shí)，單片機(jī)管腳置低電平，蜂鳴器報(bào)警。三極管基級(jí)串行一個(gè)電阻與P2.4 口引腳相連，為控制器輸出高低電平控制報(bào)警。其與STC15F2K60S2 的連接電路圖如圖6 所示。

圖6 蜂鳴器與STC15F2K60S2 的連接電路圖

■2.6 繼電器模塊

繼電器電路采用繼電器和發(fā)光二極管。三極管基極串行一個(gè)電阻與P3.5 口引腳相連，繼電器導(dǎo)通或關(guān)閉受微控制器輸出高低電平控制。LED 端口與P1.6 口引腳相連，微控制器輸出高低電平控制二極管亮滅。其與STC15F2K60S2的連接電路圖如圖7 所示。當(dāng)繼電器模塊接上電源時(shí)，電源和地之間的D3 發(fā)光二極管發(fā)光，模塊電源接通。

圖7 繼電器與STC15F2K60S2 的連接電路圖

■2.7 電源模塊

本設(shè)計(jì)電源模塊采用PM01。PM01 模塊為AC-DC 隔離開關(guān)電源，輸出穩(wěn)定5V 電壓功耗低，功耗低，綠色環(huán)保，空載損耗<0.1W。+Vo 與VCC 口相連，-Vo 與GND 相連，給單片機(jī)提供電源。其與STC15F2K60S2 的連接電路圖如圖8 所示。

圖8 PM01 與STC15F2K60S2 的連接電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

多功能插座的軟件設(shè)計(jì)包含微控制器程序編寫、Android 編程軟件的介紹和Android 手機(jī)軟件編寫，選擇使用采用自低向上，逐步整合的設(shè)計(jì)方法。

■3.1 微控制器程序編寫

本設(shè)計(jì)必要讀取多個(gè)物理量數(shù)據(jù)，包含功率、電壓、電流和溫度信號(hào)，微控制器通過利用模擬SPI 通信協(xié)議從傳感器CS5463 電能計(jì)量模塊中讀取數(shù)據(jù)，再通過OLED 顯示屏顯示。DS1302 時(shí)鐘模塊，第一次使用時(shí)首先關(guān)閉寫保護(hù)，向其寫入實(shí)時(shí)時(shí)鐘數(shù)據(jù)，然后打開寫保護(hù)，防止初始時(shí)間數(shù)據(jù)改變，再讀取DS1302 時(shí)鐘信息并顯示。報(bào)警模塊，通過比較所讀取信息和閾值大小，進(jìn)行報(bào)警，并關(guān)閉繼電器。在主程序外有一個(gè)串口通信中斷，它會(huì)查看上位機(jī)是否發(fā)送信息，接收信息后，單片機(jī)直接控制繼電器開關(guān)，或者定時(shí)控制繼電器開關(guān)。微控制器程序結(jié)構(gòu)框圖如圖9 所示。

圖9 微控制器程序結(jié)構(gòu)框圖

■3.2 Android 編程軟件

本設(shè)計(jì)選用了一款國內(nèi)安卓軟件E4A 易安卓，它是基于安卓系統(tǒng)下的應(yīng)用程序開發(fā)的編程語言。易安卓軟件界面簡練，操作便捷，功能強(qiáng)大，提供的安卓APP 代碼編寫語言通過簡單的學(xué)習(xí)便可以使用。易安卓軟件界面如圖10 所示，代碼編程區(qū)如圖11 所示。

圖10 E4A 軟件界面圖

圖11 代碼編程區(qū)圖

■3.3 Android 手機(jī)程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中Android 手機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)、微控制器令串口接收數(shù)據(jù)均通過藍(lán)牙模塊進(jìn)行。用戶通過設(shè)計(jì)界面按鈕先實(shí)現(xiàn)與藍(lán)牙相關(guān)函數(shù)間的連接，再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而控制單片機(jī)系統(tǒng)，Android 手機(jī)程序結(jié)構(gòu)框圖如圖12所示，由主窗口函數(shù)、搜索藍(lán)牙設(shè)備子函數(shù)、連接藍(lán)牙設(shè)備子函數(shù)、直接控制子函數(shù)和定時(shí)設(shè)置子函數(shù)構(gòu)成。

圖12 Android 手機(jī)程序結(jié)構(gòu)框圖

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

首先進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)上電，觀察到電源模塊和3.3 V 降壓模塊指示燈發(fā)光。接著OLED12864 模塊在系統(tǒng)啟動(dòng)完成后，會(huì)循環(huán)顯示電能、時(shí)間和溫度信息。插上試驗(yàn)電器，觀察電壓、電流和功率變化。藍(lán)牙HC06 模塊安裝后，其燈光一直閃爍，當(dāng)與上位機(jī)連接成功時(shí)，燈光停止閃爍，保持常亮狀態(tài)。繼電器模塊的控制指示燈和插座指示燈最初為熄滅狀態(tài)，當(dāng)上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)使繼電器導(dǎo)通時(shí)，這兩盞指示燈均發(fā)光。蜂鳴器模塊在比較電能、溫度信息和閾值后，超出安全范圍時(shí)發(fā)出報(bào)警聲，并關(guān)閉繼電器模塊，熄滅兩盞指示燈。單片機(jī)系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果圖如圖13 所示。

圖13 單片機(jī)系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試時(shí)的結(jié)果圖

單片機(jī)系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試后，開始上位機(jī)與單片機(jī)的結(jié)合調(diào)節(jié)。點(diǎn)擊多功能插座APP，若未啟動(dòng)藍(lán)牙，界面會(huì)彈出是否啟動(dòng)藍(lán)牙的選擇框，點(diǎn)擊確定后，藍(lán)牙啟動(dòng)，點(diǎn)擊搜索設(shè)備按鈕，列表會(huì)出現(xiàn)附近藍(lán)牙設(shè)備名稱，點(diǎn)擊需要連接藍(lán)牙設(shè)備，若連接成功，左上角會(huì)顯示已連接該設(shè)備，其右側(cè)按鈕會(huì)變?yōu)椤皵嚅_連接”。本插座系統(tǒng)藍(lán)牙名稱：Socket，密碼：8888，當(dāng)初次連接設(shè)備時(shí)，需要輸入密碼。然后點(diǎn)擊按鈕直接控制下位機(jī)，觀察插座指示燈是否點(diǎn)亮或者熄滅，點(diǎn)亮即繼電器導(dǎo)通。點(diǎn)擊設(shè)置時(shí)間，選擇定時(shí)時(shí)間；點(diǎn)擊開關(guān)按鈕，確定定時(shí)開關(guān)。再點(diǎn)擊發(fā)送按鈕，發(fā)送定時(shí)信息，觀察達(dá)到定時(shí)時(shí)間時(shí)，插座指示燈是否點(diǎn)亮或者熄滅。多功能插座系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果圖如圖14 所示。

圖14 多功能插座系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試時(shí)結(jié)果圖

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的多功能插座，可以對(duì)功率、電壓、電流和溫度信號(hào)實(shí)時(shí)收集監(jiān)測(cè)，OLED 顯示屏進(jìn)行顯示。當(dāng)監(jiān)測(cè)值超過安全范圍時(shí)，會(huì)停止插座供電。同時(shí)，用戶可以通過手機(jī)藍(lán)牙對(duì)插座進(jìn)行控制，以此間接控制家用電器的供電開關(guān)或者定時(shí)開關(guān)電源，解決了由于過載、線路老化導(dǎo)致的安全隱患，實(shí)現(xiàn)了能源的有效利用，作為智能家居產(chǎn)品研發(fā)的伴隨產(chǎn)物，對(duì)智能家居的發(fā)展也有著重要的意義。