智能遙控插座設計

胡宇航+黃冬龍+卜凡榮+胡啟帆+馬世勛+張敏

摘 要： 基于89C51單片機的外部中斷和定時器中斷定時計數功能，通過雙向可控硅對220 V交流電源的導通進行無觸點連續控制，實現了雙模式（常規模式、夜間模式）智能遙控插座。常規模式下調節家電的工作功率、控制其工作狀態。夜間模式下，通過光控模塊、聲控模塊和人體感應模塊對家電的工作狀態進行智能控制。實現了不更換家電，在原有電路中加上智能插座，即可使普通家電智能化，通用性好，成本低廉，應用面廣，尤其適用于臺燈、電風扇等低端家電，適用于消費水平中下的廣大低端電器市場。

關鍵詞： 雙向可控硅； 無觸點連續控制； 物聯網； 智能家居

中圖分類號： TN710?34； TM925.9 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）16?0066?04

Design of intelligent remote control socket

HU Yuhang1， HUANG Donglong2， BU Fanrong1， HU Qifan2， MA Shixun2， ZHANG Min3

（1. Power Supply Company of Kunshan， Kunshan 215300， China；

2. College of Electronic Science and Technology， Shenzhen University， Shenzhen 518052， China；

3. College of Optoelectronic Engineering， Shenzhen University， Shenzhen 518052， China）

Abstract： Based on 89C51 external interrupt and timer interrupt time counting function， the non?contact continuous control is executed by the triac conduction for 220 V AC power supply to realize the intelligent remote control socket with dual?mode （normal mode and night mode）. The working function and status of home appliances are regulated and controlled in normal mode. The working status of home appliances is controlled intelligently by light control module， voice control module and human body sensing module in night mode. Intelligentization of the common household appliances can be realized by adding the smart socket in the original circuit without replacement of the home appliances. The socket has the characteristics of excellent universality， low cost and wide application especially for table lamp， electrical fan and other low?end home appliances. It is suitable for vast low?end electric markets.

Keywords： triac； non?contact continuous control； Internet of things； smart home

0 引 言

智能家居作為一個新生產業，市場消費觀念還未形成，但隨著智能家居市場推廣普及的進一步落實，培育起消費者的使用習慣，智能家居市場的消費潛力必然是巨大的。

目前國內的智能家居發展水平低、造價高等問題使得智能家居很難普及。在智能家居的推進過程中，如何在不更換舊家電的同時實現家電智能化是值得研究的一個問題。智能遙控插座，可對家電進行功率調節和定時控制，對臺燈、電風扇等小功率家電經過多次功能測試和性能測試，遙控控制靈敏，功能響應正確。智能遙控插座可以在不更換大量舊家電的基礎上，實現簡單家電的智能化，具有廣大的市場價值[1?6]。

1 總體設計

智能遙控插座具有遙控端和插座端，通過遙控可以發送控制命令給插座，智能遙控插座響應命令，執行操作。

主要模塊包括：遙控接收模塊、光控模塊、人體感應模塊、聲控模塊、定時模塊、電流通斷模塊、同步信號提取模塊、220 V轉5 V開關電源模塊、51單片機主控制模塊。如圖1所示，開關電源模塊為其他模塊提供5 V電源；紅外遙控接收板把從遙控端發送過來的控制信號傳遞給單片機，單片機接收控制信號做出邏輯處理；同步信號提取模塊利用光耦P521從交流電源提取同步信號，發送中斷信號給單片機外部中斷，外部中斷觸發后單片機提供觸發信號給電流通斷模塊，使家電處于導通狀態；51單片機利用定時器中斷的定時功能實現對家電的定時功能；光控模塊、人體感應模塊及聲控模塊感應周圍環境，發送感應信號給51單片機，單片機接收感應信號判斷是否打開外部中斷提供觸發信號給雙向可控硅，以此來智能控制家電的工作狀態。

圖1 插座框架圖

2 智能遙控插座的硬件設計

本智能遙控插座的電源模塊為反激式開關電源。反激式開關電源具有體積小、重量輕、功耗小、效率高的優點，轉換效率高達60%～70%。開關電源輸入為交流電源220 V，輸出為直流電壓5 V，可通過最大電流為2 A，為遙控接收板模塊、主控模塊、光控模塊等其他模塊提供5 V工作電壓。

本智能遙控插座的交流電源同步信號的產生如圖2所示，220 V交流電經2個大功率電阻降壓，由全橋整流器DF107電橋整流后，輸出100 Hz半正弦交流電，此電壓大于光耦P521的門限電壓時，光耦導通，輸出為低電平，正半周正弦波當過零時，光耦截止，輸出呈現高電平，提取出同步信號輸入到單片機外部中斷INT0口，單片機打開外部中斷延時輸出觸發信號。圖中的同步信號就是需要的交流電壓過零點信號，各部分波形如圖3所示。圖中整流后波形中的水平虛線表示光藕P52l輸入二極管的門限電壓。

圖2 同步信號提取電路

電流通斷模塊主要利用了雙向可控硅能夠對交流電源的導通進行無觸點連續控制，以小電流控制大電流，進而實現了常規模式下連續調節功率的目的，且動作快、壽命長、可靠性高。雙向可控硅的特點是導通后即使觸發信號去掉，它仍將保持導通；當負載電流為零（交流電壓過零點）時，它會自動關斷。所以需要在交流電的每個半波期間都要產生觸發信號，觸發信號產生時間的長短（觸發角的大小）就決定了家電的工作功率。觸發角越大，導通時間越長，可控硅導通的時間越短，家電的工作功率就越低；反之，工作功率就越大。這就要求確定交流電源同步信號的過零點，并以此為基礎，控制觸發信號觸發角的大小，達到調節家電的工作功率的目的。

圖3 同步信號波形圖

220 V交流主電源導通區間、同步信號和觸發信號的時序關系如圖4所示。圖中的陰影部分表示可控硅的導通區間，它的大小決定了家電的工作功率。改變延時時間可改變觸發信號和同步信號的相位關系，也改變了可控硅的導通區間的大小，達到調節功率的目的。

圖4 主電源導通區、同步信號和觸發信號時序圖

聲控感應采用聲音傳感器模塊，工作電壓為直流3～5.5 V，可以對周圍環境聲音進行檢測。通過電位器調節聲音閾值，當環境聲音超過此閾值時，輸出引腳D0會輸出低電平，指示燈亮，并且能自動延時5 s。通過測試，該聲音控制感應模塊，在10 s以內擊掌可響應，輸出低電平，滿足設計要求。該聲控感應模塊有3個引腳，分別是VCC，GND，OUT，其中OUT腳接在單片機I/O口上，提供感應信號給單片機，單片機通過判斷感應信號的高低電平來控制家電的工作狀態。

人體感應采用熱電釋人體感應模塊，工作電壓為DC 4.5～20 V，觸發方式為感應輸出高電平，感應距離為7 m以內。全自動感應，人進入感應范圍則輸出高電平，人離開感應范圍則自動延時2.5 s關閉高電平，輸出低電平。該人體感應模塊有3個引腳，分別是VCC，GND，OUT，其中OUT腳接在單片機I/O口上，提供感應信號給單片機，單片機通過判斷感應信號的高低電平來控制家電的工作狀態。

光強度感應通過將光敏電阻與上拉電阻并聯分壓，中間電壓作為LM393比較電路的輸入端，另一比較輸入端由電位器提高基準電壓，LM393輸出為模擬信號，在輸出端上拉電阻得到數字信號，輸出端與單片機I/O口相連，發送感應信號給89C51單片機，與聲控模塊和人體感應模塊的感應信號相結合，主控制模塊做出邏輯判斷處理，以此來智能控制家電的工作狀態。

遙控接收模塊采用6路無線紅外遙控接收板，為6路非鎖存輸出接收模塊，超再生接收板（固定碼）采用LC振蕩電路，輸出的信號為高電平，可直接驅動一只發光二極管，有密碼保護功能。接收板工作頻率為315 MHz，工作電壓為直流5 V，靜態電流為5 mA，接收靈敏度為-103 dBm。6路超再生接收模塊有9個引出端，分別為VCC，GND，D0，D1，D2，D3，D4，D5，VT，其中VCC為5 V供電端，GND為接地端， VT端為解碼有效輸出端，D0，D1，D2，D3，D4，D5，PT2272集成電路的7～13腳，為6位數據鎖存輸出端，有信號時能輸出5 V高電平，驅動電流約2 mA，與發射器上的6個按鍵一一相對應。發射器按鍵被按下，接收板收到控制信號，相對應的引腳輸出高電平，發送控制信號給主控制模塊，主控制模塊做邏輯處理。

主控制模塊為AT89C51單片機。AT89C51 單片機擁有4 KB FLASH閃速存儲器，128 B內部RAM，32 個I/O口線，2個16位定時/計數器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。單片機分別與遙控接收板上的常規模式信號腳、夜間模式信號發送腳、定時信號發送腳、減小信號發送腳和增大信號發送腳相連接，用于接收并發送指令；電源模塊分別與同步信號提取模塊、單片機相連，把交流電轉化為直流電后再把直流電供給同步信號提取模塊和單片機；同步信號提取模塊與單片機相連，用于向單片機發送同步信號，使插座本體的控制狀態和遙控器的控制狀態一致；電源通斷模塊與單片機相連，增大按鍵或減小按鍵被按下時觸發單片機，單片機同時發送觸發信號給電源通斷模塊從而使電源通斷模塊進行無觸點式以小電流控制大電流；光控模塊與單片機相連，用于感應插座本體所處周圍環境的亮度情況并做出判斷是否進入夜間模式；聲控模塊與單片機相連，在插座本體處于夜間模式下根據聲音控制插座本體的導通從而控制接在插座上的電器的打開與關斷狀態；人體感應模塊與單片機相連，在插座本體處于夜間模式下根據人體是否存在感應范圍內來控制插座本體的導通從而控制接在插座上的電器的打開與關斷狀態；紅外遙控模塊與單片機相連，用于接收遙控器發射的紅外信號并把接收到的信號傳送給單片機。進一步地，插座本體還包括定時模塊，定時模塊分別與單片機、定時按鍵相連，用于控制常規模式下定時的時間[7?8]。

3 智能遙控插座的軟件設計

常規模式下可通過遙控按鍵“增加”和“減少”按鍵來進行連續調節家電的工作功率，使家電處于最舒服的工作功率。實現常規模式下的調節工作功率功能，要控制的對象是50 Hz的正弦交流信號，通過同步信號檢測電路，將同步信號送至單片機的外部中斷口INT0，單片機接收到同步信號后就啟動一個延時程序Delay（），延時的具體時間由按鍵來改變。延時結束后，單片機立即產生觸發信號。觸發信號可使雙向硅導通，電流經過雙向可控硅流過負載，使負載導通。按下增加按鍵，延時時間減少，觸發角變大，家電工作功率上升，反之亦然。延時越長，負載導通的時間就越短，負載的工作功率就越小。由于延時的長短是由按鍵決定的，所以實際上就是通過“增加”和“減少”按鍵來做到控制負載的工作功率。

理論上來講，延時時間應該可以是0～10 ms內的任意值。在程序中，將一個周期均等分成N等份，每次按鍵只需要去改變其等份數，N越大越好，但由于受到單片機本身的限制和基于實際必要性的考慮，只需要分成100份左右即可，實際采用的值是95。雙向可控硅的觸發脈沖寬度要根據具體的光耦結合示波器觀察而定，在本設計中取20 μs。程序中使用定時器T1來控制這個時間。

常規模式下的定時功能，可由遙控按鍵“定時”來控制實現。定時時間可由定時按鍵設置，總共有4個檔位：無定時、1 h、2 h、3 h。遙控的定時按鍵發送控制信號給單片機，單片機啟動定時器1，定時工作檔位時間后，關閉外部中斷INT0，觸發信號就斷開，雙向可控硅斷開，家電處于斷開狀態，實現定時工作控制。

夜間模式下的智能識別，可對周圍環境進行智能識別，做到周圍光亮度較暗時且有人時，自動使家電處于工作狀態，并且做到沒人時，自動延時1 min斷開家電 [9]。常規模式和夜間模式可以有遙控按鍵“常規”和“夜間”進行相互切換。夜間模式下，光控模塊可對周圍的光亮度進行判斷，并把感應信號實時發送給主控模塊；聲控模塊對周圍環境進行判斷，看是否有人說話，并且將感應信號發送給主控模塊；人體感應模塊可對周圍環境進行判斷，看周圍是否有人走動，并且將感應信號發送給主控制模塊。主控制模塊對周圍環境進行判斷，若是周圍光線條件較暗且有人走動的話，開啟外部中斷INT0，單片機延時1 ms，提供觸發信號，使雙向可控硅導通，家電處于通電狀態。并且實時對周圍環境進行判斷，若沒人，通過定時器0進行自動延時1 min后關閉外部中斷，家電處于掉電狀態[9]。

單片機的空閑模式：當單片機進入空閑模式時，除CPU處于休眠狀態外，其余硬件全部處于活動狀態，芯片中程序未涉及到的數據存儲器和特殊功能寄存器中的數據在空閑模式期間都將保持原值。但假若定時器正在運行，那么計數器寄存器中的值還將會增加。單片機在空閑模式下可由任一個中斷或硬件復位喚醒，需要注意的是，使用中斷喚醒單片機時，程序從原來停止處繼續運行，當使用硬件復位喚醒單片機時，程序將從頭開始執行。

單片機的掉電模式：當單片機進入掉電模式時，外部晶振停振、CPU、定時器、串行口全部停止工作，只有外部中斷繼續工作。使單片機進入休眠模式的指令將成為休眠前單片機執行的最后一條指令，進入休眠模式后，芯片中程序未涉及到的數據存儲器和特殊功能寄存器中的數據都將保持原值。可由外部中斷低電平觸發或由下降沿觸發中斷或者硬件復位模式喚醒單片機 。

單片機內部有一個電源管理寄存器PCON，這個寄存器的最低兩位，IDL和PD分別用來設定使單片機進入空閑模式和掉電模式。IDL為空閑模式設定位，當IDL=0時，單片機處于正常工作狀態；當IDL=1時，家電進入空閑模式。PD為掉電模式設定位，當PD=0時，單片機處于正常工作狀態；當PD=1時，家電進入掉電模式[9?10]。

4 結 語

隨著物聯網時代的到來，各種設備甚至于人都成了物聯網的一個環節，家居的智能化是今后科技發展的必然趨勢。在我國，尤其是農村市場，已存在大量低端電器設備資源。如何將這些資源很好的利用起來，讓人人都能以較低的花費享受到高端智能設備帶來的便利，是一個值得研究的課題。智能遙控插座，通過對電源的智能控制，實現普通家電的智能化，適用于臺燈、電扇等功能簡單且應用廣泛的家電市場，擺脫了傳統插座功能單一的局限，以低廉的成本提供舒適的智能家居體驗，在廣大低端電器市場具有巨大的應用潛力。

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