市電定時開關系統(tǒng)設計

郝 沛，黃 魯（中國科學技術大學信息科學技術學院，安徽合肥230026）

應用案例

市電定時開關系統(tǒng)設計

郝 沛，黃 魯
（中國科學技術大學信息科學技術學院，安徽合肥230026）

傳統(tǒng)市電開關需要人為干預，在某些重復定時開關場景下使用不方便，且需要人為判斷通斷的條件。設計了一種智能開關，可以實現(xiàn)設置時間段內開關的自動通斷，并且能夠借助傳感器數(shù)據輔助判斷通斷條件。實測結果表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，控制界面簡潔友好。

市電定時開關；時鐘芯片；傳感器；繼電器

O 引言

隨著家用電器的普及，傳統(tǒng)的手動開關已經無法滿足日益復雜的應用場景。比如定時照明系統(tǒng)，人為地去控制照明開關，不但不方便，而且很難精確掌控開啟與停止時間。如果在市電與照明系統(tǒng)之間增加一級控制系統(tǒng)，在設定好開關時間后，由系統(tǒng)執(zhí)行開關操作，并且可以根據環(huán)境光照度來選擇是否照明，則會帶來極大的方便［1］。推而廣之，定時抽水系統(tǒng)、定時充電系統(tǒng)、定時加熱系統(tǒng)都可以采用此種控制方案，從而給市電應用場景帶來極大便利。

1 系統(tǒng)簡介

本系統(tǒng)設計的核心思路是“以弱控強，用戶定制；控時為主，傳感為輔”。硬件上，系統(tǒng)需要實現(xiàn)對傳感器以及外圍模塊的驅動；軟件上，系統(tǒng)需要實現(xiàn)人機交互界面的繪制、時間檢測以及傳感器數(shù)據的處理。

1.1 系統(tǒng)功能框圖

如圖1所示，系統(tǒng)輸入為220 V的市電，通過繼電器后，輸出到被控電器，從而控制被控電器的開關。繼電器的作用為隔離強弱電，同時控制市電的通斷，其控制信號由控制系統(tǒng)提供。控制系統(tǒng)輸入電壓為9 V，由電源適配器提供。傳感器提供判斷通斷的輔助信號，如光照度、水位、溫濕度等［2］。

圖1 市電定時開關系統(tǒng)功能框圖

1.2 系統(tǒng)主要模塊

1.2.1 主控制器STN 32

STM32是基于ARM Cortex-M3內核的32位微處理器，主頻最高為72 MHz。它包含豐富的接口，且其內部時鐘頻率可由用戶自主定制，能夠方便地開發(fā)出PWM輸出、頻率捕獲、脈寬捕獲等功能［3］。其GPIO口可自由配置為輸入/輸出模式、中斷模式、復用模式［4］。

1.2.2 定時器DS13O2

DS1302是DALLAS公司設計的一款低功耗時鐘芯片，具有涓流充電、閏年補償功能。芯片采用32.768 kHz晶振，且內部集成了31 B的用于臨時數(shù)據存放的RAM寄存器。其采用3線I/O口與控制器通信：SCLK-時鐘引腳，由主控芯片提供，用以實現(xiàn)數(shù)據的同步交互；I/O-數(shù)據輸入/輸出引腳，用以串行數(shù)據傳輸；RST-復位引腳，需在數(shù)據傳輸時強制拉高，在數(shù)據傳輸結束后強制拉低。

1.2.3 液晶顯示模塊LPH7366

LPH7366是一款分辨率為84×48的單色液晶顯示模塊，具有功耗低、操作簡便等優(yōu)點，廣泛應用于手機顯示屏、便攜式設備中，如NOKIA5110的液晶屏。

LPH7366模塊采用四線I/O口與主機通信：CE-使能引腳，低有效；SCK-時鐘引腳；DATA-串行數(shù)據傳輸引腳；CD-命令/數(shù)據選擇引腳（低電平代表傳輸命令，高電平代表傳輸數(shù)據）。

由于LPH7366沒有集成字庫，所以需要把ASICII字庫嵌入到代碼中去。

2 系統(tǒng)硬件

根據硬件功能，系統(tǒng)被劃分為以下幾個子系統(tǒng)：電源系統(tǒng)、STM32主控系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、時鐘系統(tǒng)、繼電器系統(tǒng)。各系統(tǒng)功能如下：

（1）電源系統(tǒng)：為整個定時開關系統(tǒng)提供工作電平。系統(tǒng)工作電平有兩種：9 V和3.3 V；

（2）主控系統(tǒng)：完成對整個系統(tǒng)的控制以及數(shù)據的采集處理；

（3）人機交互系統(tǒng)：提供人機交互接口，實現(xiàn)數(shù)據的反饋以及控制參數(shù)的配置；

（4）時鐘系統(tǒng)：提供實時時鐘數(shù)據，供主控系統(tǒng)使用；

（5）繼電器系統(tǒng)：隔離強弱電系統(tǒng)，并實現(xiàn)3.3 V電平對9 V電平的驅動。

2.1 系統(tǒng)硬件框圖

系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2.2 系統(tǒng)電路圖

2.2.1 STN 32最小系統(tǒng)電路

STM32能夠工作的最小系統(tǒng)電路包含電源輸入、復位電路、晶振電路。如圖3所示。

圖3 STM32最小系統(tǒng)電路框圖

2.2.2 外圍設備電路

外設電路包括電源電路、液晶+按鍵電路、實時時鐘電路和繼電器驅動電路。

（1）電源電路，如圖4所示。

圖4 開關電源TPS5430應用電路

其輸出電壓由以下公式得到：

當R1=10 kΩ，R2=2.7 kΩ時，VOUT=3.301 V。

（2）時鐘電路

時鐘電路采用DS1302方案。芯片有兩組供電電源Vcc1和Vcc2。Vcc2為主電源，Vcc1為備用電源。芯片會以電平較高的一端作為電源輸入，所以，為確保在系統(tǒng)掉電時時鐘芯片能夠正常工作，需要在Vcc1引腳處外加3 V蓄電池。

（3）液晶驅動電路

由于LPH7366液晶模塊的邏輯驅動電平為3 V，所以可直接將其引腳連接到STM32上。按鍵系統(tǒng)采用自彈式輕觸按鍵，連接到STM32的GPIO上，以中斷方式輸入。

（4）繼電器驅動電路

圖5 繼電器驅動電路

由于繼電器線圈的工作電平為9 V，而STM32的邏輯電平為3.3 V，所以需要驅動電路才能夠用STM32的驅動電平來控制繼電器。此處使用晶體管SS8050作為驅動電路，且將其設定為工作在飽和區(qū)內。如圖5所示，假設晶體管BJT1的β=100，Vbe=0.7 V；繼電器線圈電阻Rk= 70 Ω，繼電器工作電壓VIN=9 V。設STM32的PB.9腳輸出到R4上的電壓為Vin，三極管基極電流為Ib，集電極電流為Ic。假設三極管工作在臨界飽和區(qū)，則：

可以得到三極管達到飽和狀態(tài)的最小輸入電壓Vin= 0.75 V。即輸入電平超過0.75 V，三極管便會導通，從而繼電器吸合。由于在默認條件下繼電器應處于斷開狀態(tài)，所以在三極管輸入端增加下拉電阻R5 =10 kΩ。

3 系統(tǒng)軟件

3.1 程序流程圖

主程序的思路是，實時讀取時鐘芯片DS1302的時間，并顯示在液晶顯示屏上；同時檢測當前時間是否進入了用戶設定的繼電器吸合時間。如果進入了設定時間，則吸合繼電器；如果在設定時間外，則斷開繼電器。主程序流程圖如圖6。

圖6 主程序流程圖

本系統(tǒng)中，按鍵的檢測是在中斷程序中實現(xiàn)的。由于在處理某一個中斷函數(shù)時，其他同級或者更低級的中斷是被屏蔽的，所以中斷函數(shù)應盡可能簡短。本系統(tǒng)的按鍵中斷函數(shù)僅實現(xiàn)檢測哪個按鍵被按下，而按鍵消息處理函數(shù)是在中斷函數(shù)外實現(xiàn)的。按鍵中斷處理程序流程圖如圖7。

圖7 按鍵中斷處理程序流程圖

3.2 人機交互界面設計

人機交互界面是本系統(tǒng)軟件的主要構成部分。其完成的功能有：顯示當前時間與定時時間段，繪制菜單以配合按鍵進行設置，響應按鍵信號并完成對應功能。

3.2.1 菜單的繪制

本系統(tǒng)菜單共有兩級，采用鏈表結構設計，其結構如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)菜單結構圖

鏈表中，每個節(jié)點的結構如下：

tyPedef struct

｛

int Location_Leve1［3］；

char* Item_Name；

Menu_Item* Next；

｝Menu_Item；

其中，Location_Leve1［3］表示當前節(jié)點的位置。Location_Leve1［0］的值代表此節(jié)點在主菜單的第幾項；Location _Leve1［1］的值代表此節(jié)點在二級子菜單的第幾項；Location_Leve1［2］代表此節(jié)點在三級子菜單的第幾項。

Item_Name表示當前節(jié)點名稱。在顯示時會根據對應節(jié)點打印出此字符串。

Next指向下一節(jié)點的指針。

比如，圖8中的二級子菜單中的項目“年設置”，其Location_Leve1［0］=1，代表其隸屬于主菜單的“設定時間”項；Location_Leve1［1］=1，代表其隸屬于二級菜單的“年設置”項；Location_Leve1［2］=0，代表其止于二級菜單，沒有進入三級菜單。其Item_Name=“年設置”；Next指向“年設置”節(jié)點的下一個節(jié)點。

用鏈表設計菜單的優(yōu)點在于，無論在菜單的什么位置添加項，都可以直接添加在鏈表的尾部。因為定位當前節(jié)點位置靠的是當前節(jié)點的Location_Leve1［3］中的3個變量，在菜單級數(shù)較少時，靠鏈表遍歷就足夠了。

3.2.2 按鍵的響應

按鍵的檢測是在中斷函數(shù)中完成的。中斷處理函數(shù)僅完成按鍵序號的確認，而按鍵處理函數(shù)是在中斷外實現(xiàn)的。本系統(tǒng)的按鍵有4個，分別為“向前”，“向后”，“確認”，“返回”，對應標識號依次為1、2、3、4。

按鍵處理的思路是：中斷檢測出當前按下的是哪個按鍵，然后根據當前指針指向的節(jié)點來確定要完成的動作。如圖9所示。

圖9 按鍵響應示意圖

假設當前指針指向菜單項“設定時間”，則Location _ Leve1［3］=｛1，0，0｝，說明當前節(jié)點處于主菜單的第一項。如果此時“確認”按鍵被按下，那么按鍵處理函數(shù)從表中找到此時位置對應動作。假設此動作為“進入二級菜單”，則指針會跳轉到Location_Leve1［3］=｛1，1，0｝的位置，同時在屏幕上刷新出二級菜單。其他3個按鍵的響應與此類似。

3.3 定時時間的設定

定時時間設定是在按鍵響應函數(shù)中實現(xiàn)的。程序流程圖如圖10所示。

圖10 定時時間設定流程圖

1.2.2節(jié)介紹過，DS1302時鐘芯片內部有31 B的RAM寄存器，可用于存放臨時數(shù)據。由于市電定時開關系統(tǒng)需要保證在系統(tǒng)掉電后，配置數(shù)據不會丟失，從而在再次上電時依舊可用。所以，本系統(tǒng)使用了DS1302的臨時數(shù)據寄存器作為配置數(shù)據的保存位置。由于DS1302有備用電源，配置數(shù)據不會因掉電而丟失。

3.4 傳感器的數(shù)據處理

考慮到應用場景的不同，系統(tǒng)給出了8位GPIO擴展接口，可用于各種數(shù)字傳感器的擴展，如溫濕度傳感器、液位傳感器、光強傳感器等。傳感器數(shù)據處理流程圖如圖11所示。

以光強傳感器為例。設光照強度標志為Light_F1ag，定時器的標志為Time_F1ag，則傳感器與定時時間標志變量關系表如表1。

圖11 傳感器數(shù)據處理流程圖

表1 傳感器與定時時間標志變量表

如果被控電器為照明電路，要求“在設定時間段內，當光照度低于某閾值時，照明電路被開啟”，則偽代碼如下：

if（（Light_F1ag&&Time_F1ag）==1）

｛打開繼電器；｝

e1se

｛關閉繼電器；｝

同理，液位傳感器、溫度傳感器等的數(shù)據都可以采用這種處理思路。

4 測試效果

測試中使用了3個定時時間段，并觀察繼電器的通斷狀態(tài)。

如圖12中主菜單界面所示，共有3個選項，可通過屏幕下方的按鍵實現(xiàn)光標的上下移動以及選擇、取消等功能；右圖為實時時鐘設置界面，通過按鍵實現(xiàn)從年到秒的選擇。

圖12 主菜單（左）與時間設定界面（右）

圖13左為定時時間設置界面。共有四個時間段可以配置。當配置完畢后，回到主菜單，進入“TIMEDISPLAY”子菜單，便可看到右圖的效果。可以看到，時間顯示界面除了顯示當前時間外，還用不同的箭頭表示出了定時時間段。舉例來說，對于定時時間1（7：40～9：00），對應右圖的純黑色箭頭（黑框之內）所指時間段，可以從時間軸上非常清晰地顯示出來。

圖13 定時設置界面（左）與時間顯示界面（右）

當前時間如果落在任何一段設定時間內，則繼電器吸合，其指示燈亮起。

5 結束語

本系統(tǒng)界面簡潔，操作方便，可適用于大多數(shù)家用電器。經實際測試，系統(tǒng)用于定時照明場景，持續(xù)工作兩周未出現(xiàn)異常。

［1］陳致遠，朱葉承，周卓泉，等.一種基于STM32的智能家居控制系統(tǒng)［J］.電子技術應用，2012，38（9）：138-140.［2］張逢雪，王香婷，王通生，等.基于STM32單片機的無線智能家居控制系統(tǒng)［J］.自動化技術與應用，2011，30（8）：98-101.

［3］徐端全.嵌入式系統(tǒng)原理與設計［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2009.

［4］李寧.基于MDK的STM32處理器開發(fā)應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2008.

Design of time-based househo1d e1ectricity switch

Hao Pei，Huang Lu
（Information Science and Techno1ogy，University of Science and Techno1ogy of China，Hefei230026，China）

Traditiona1 househo1d e1ectricity switch is usua11y oPerated by hands.However，it is inconvenient to use in some rePetitive timing switch scenes，and it needs to judge on-off condition by hands.This PaPer introduces the design of an inte11igent switch，which can run automatica11y based on time Preset and can judge the circumstance by sensors.The test resu1ts show that this system is stabi1ity and can be easi1y oPerated. Key words：time-based househo1d e1ectricity switch；c1ock chiP；sensor；re1ay

TP273.5

A

10.19358 /j.issn.1674-7720.2016.09.027

郝沛，黃魯.市電定時開關系統(tǒng)設計［J］.微型機與應用，2016，35（9）：93-96，100.

2016-01-14）

郝沛（1989 -），男，碩士，主要研究方向：嵌入式硬件系統(tǒng)設計與系統(tǒng)驅動軟件設計。