基于MSP430單片機的智能插排設計

摘要：本文介紹了一種人性化、智能型的節能插排的設計，智能插排以超低功耗單片機MSP430F149作為控制核心，具有電能計量、過流檢測、定時通斷、溫度檢測等功能，還具有學習紅外遙控編碼的功能，可學習任意一款家用遙控器按鍵的紅外編碼，根據不同紅外編碼實現智能插排的開、關遙控功能，進而達到控制用電設備的目的。本文詳細論述了系統各個部分的實現方法及工作原理，并給出相關電路原理圖及程序流程圖。該智能插排具有節能、易用、功能齊全以及安全可靠等特點。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/192737.htm

關鍵詞：MSP430F149電能計量；智能插排；紅外編碼

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.12.012

引言

隨著人們生活水平的提高，健康、環保、節能的生活理念已深入人心，對于智能型、人性化的家居產品，受到了人們廣泛的關注[1]。生活中，人們希望對某些用電設備的耗電情況進行監控，比如：電飯煲做一次飯的耗電量，電暖風工作半小時耗電多少，冰箱工作一天實際所需電量，人們希望對這些設備的耗電量有準確的把握，為解決這一問題，本智能插排設置了電能計量功能，能夠對用電設備的耗電量進行電能檢測及計量。而目前市場上的智能插排類產品，只具有簡單的定時通斷、狀態指示的功能，功能單一、價格昂貴[2-3]。為此，本文選用了以低功耗著稱的MSP430單片機作為主控制器，輔以電能計量、過流檢測、定時通斷、溫度檢測、紅外遙控等功能，設計了一款具有低功耗、高性價比、人性化程度高等特點的智能型插排。

硬件設計

智能插排的工作原理

智能插排的硬件系統主要由主控制器單元、電能計量單元、過流檢測單元、紅外接收單元、溫度檢測單元、繼電器控制單元、顯示及報警單元組成。硬件系統框圖如圖1。

為了實現對用電設備的耗能監測，通過電能計量模塊進行檢測計量，該模塊將電能值轉換為單位時間內的脈沖個數，單片機通過讀取脈沖個數的數值，可計算出耗電量，并通過LCD液晶顯示器顯示出來。

紅外接收單元主要用來接收家用遙控器的紅外編碼信息，并將接收到的結果輸出給單片機，單片機將接收到的紅外信號進行解碼，根據識別出的信息驅動繼電器進行相應的動作，從而實現智能插排的遙控功能，本智能插排能夠學習家用遙控器的任意兩個按鍵的紅外編碼，用戶可以將遙控器的閑置按鍵設定為插排的開、關按鍵。

系統控制單元

單片機作為整個系統的核心，起著協調系統工作、計算、控制的作用，出于低功耗、低成本的考慮，本系統采用TI公司的MSP430F149單片機作為系統的主控制器，這是一款16位的單片機，內部資源豐富，內置12位A/D轉換器[4]，并具有足夠多的外部I/O管腳，具有60KB的閃存和2KB的隨機存儲器，能夠進入低功耗模式，降低系統功耗，滿足本系統的設計要求。

過流、溫度檢測單元

過流及溫度檢測對于保護用電設備有著非常重要的作用，可延緩用電線路老化，并保障家庭用電安全。過流檢測電路采用量程為20A的ACS712芯片，該芯片將導線中電流轉換為電壓值，并從VOUT輸出，其轉換公式為VOUT=185mv/A，通過單片機內置的A/D轉換器，將電壓值轉換為數字量，再計算出電流值，根據實測電流值的大小與用戶設定的電流值相比較，如果大于用戶設定值，則單片機控制繼電器斷開電源。

溫度檢測采用DS18B20溫度傳感器，該款芯片驅動簡單，并采用單總線連接方式，測溫范圍為-55～+125℃[5]，滿足本設計的需求，該傳感器為數字傳感器，其將溫度數據通過單總線傳輸給單片機，單片機接收后，轉換為溫度值，并在LCD上顯示，如果超過用戶設定的溫度值，則報警單元給出報警提示。電路如圖2。

紅外接收、電能計量單元

為了簡化電路及程序設計，采用HS0038紅外一體化接收頭接收紅外信號，該接收頭僅需一根管腳即可與單片機通信，HS0038接收到紅外信號后，將解調后的紅外編碼信息傳輸給單片機，單片機再進行解碼，識別出遙控器的相應鍵值，單片機將識別出的鍵值與存儲“開”、“關”鍵值進行比較，進而驅動繼電器斷開或者連通電源。電能計量功能用來評估用電設備的實際耗電量，為實現此功能，采用ADE7755計量芯片，其專門用于額定頻率50Hz和60Hz的單相交流有功電能的計量，具有計量精度高、靈敏度高、功耗低、體積小的特點，電路如圖3所示。該計量模塊使用簡單，將圖中錳銅電阻R串入火線用以采集電能，當有電流流過電阻時，從DO管腳輸出一定頻率的電壓脈沖，電流越大，單位時間內的輸出的脈沖數越多，單片機通過累加脈沖數量即可計算出設備所耗電量。

顯示、報警及繼電器單元

智能插排需要對耗電量、定時時間、實時電流值、溫度值、繼電器開合狀態等參數進行顯示，選用128*64點陣液晶進行顯示，本設計中采用cog液晶模組作為顯示器，該液晶可由3V電壓供電，價格低廉，采用串行通信方式，占用I/O較少，并且體積較小，驅動簡單[6]，與單片機連接方式如圖4。為了減少系統的體積，并增加系統可靠性，采用固態繼電器進行開關控制，固態繼電器的輸入端僅需微小的控制信號，就能夠達到直接驅動大電流負載的目的，是無觸點的電子開關，無噪音，穩定性高，并且可以由單片機管腳直接驅動，極大地縮減了電路設計及程序設計。

軟件設計

單片機程序設計采用模塊化編程方法，主要包括紅外信號的解碼、LCD液晶模塊的驅動、電能的計量、溫度及電流檢測等。

插排在初次上電之后，需要首先進行紅外開關編碼的學習，用來控制繼電器開關的開、閉，插座上有2個學習按鍵“開”和“關”，按下“開”按鍵之后，進入“開”編碼學習模式，此時再按下遙控器的一個按鍵，紅外接收頭接收到紅外信號，解調后傳輸給單片機進行解碼，并將解碼數據存儲在單片機內部，至此完成了“開”編碼的學習，當再次按下遙控器的相應按鍵時，程序對解碼數據同存儲的“開”編碼比較，如果編碼相同，單片機則驅動繼電器斷開電源，程序流程如圖5。

主程序如圖6所示，插排在上電后，首先進行初始化，然后根據用戶設定的各個狀態值，進行實時的狀態監測比較，并將各參數在LCD上顯示，當有異常情況發生時，首先驅動繼電器斷開開關，確保用電安全，再發出聲光報警。為節省電能，報警功能設定為每分鐘提示一次，當接收到遙控器的“關”指令時，單片機控制繼電器開關閉合，系統重新開始工作。

結語

本智能插排實現了電能計量功能、過流檢測功能、溫度檢測功能和紅外遙控控制功能，并能夠在狀態異常情況下通過固態繼電器自動斷開電源，保護用電設備，確保用電安全，能夠對各監控參數進行實時顯示，通過電能計量功能掌握用電設備的實際耗電情況，方便實用，體現了人性化、智能化的現代生活理念，有著廣闊的應用前景。

參考文獻：

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