基于單片機的智能插座設計

林嘉 劉炳全 邱小群

摘 ?要：近些年來，智能家居新產品層出不窮，智能插座就是其中一種。傳統家電大部分沒有智能化和信息化功能，智能插座就起到了輔助傳統家電的作用，包括供電遠程控制，用電狀態監測與控制等功能。本文提出一種低成本、高效率的智能插座設計方案。

關鍵詞：智能家居;智能插座;遠程控制;用電狀態監測

中圖分類號：TM503.5;TP368.1 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）13-0044-03

Design of Intelligent Socket Based on MCU

LIN Jia，LIU Bingquan，QIU Xiaoqun

（Zhuhai City Polytechnic，Zhuhai ?519090，China）

Abstract：In recent years，new products of smart home emerge in endlessly，and smart socket is one of them. Most of the traditional household appliances do not have the functions of intellectualization and informatization. Intelligent sockets play an auxiliary role in traditional household appliances，including remote control of power supply，monitoring and control of power consumption status. In this paper，a low cost and high efficiency design scheme of intelligent socket is proposed.

Keywords：smart home;smart socket;remote control;power status monitoring

0 ?引 ?言

在能源日益缺乏的今天，大量開發清潔且穩定高效的能源是一種辦法;另外也應該考慮如何能節約用電，防止不必要的電力浪費，并且做到監控用電設備運行，及時調整用電規則和習慣。目前市場上的智能插座大部分不可本地操作，且沒有遠程監控用電狀況（包括電壓、電流、功率）的功能。智能插座應該能實現控制用電設備通斷電，讓用電設備在適當的時候自動通電，其他時間自動斷電;能夠通過主控制器監測用電設備狀況并手動控制用電設備通斷;能夠監測用電設備的運行參數，并可設定超限報警;當參數超過設定值時，觸發蜂鳴器報警，并通過Wi-Fi傳輸至服務器端。本文提出的智能插座實用性和性價比較高，能滿足以上需求。

1 ?系統設計

本設計包括電源模塊，電能計量模塊，Wi-Fi模塊，繼電器模塊，STC12C5A60S2單片機控制模塊和人機交互模塊六個主要模塊。人機交互模塊包括蜂鳴器報警，LCD1602顯示器和按鍵輸入。該系統的整體框圖如圖1所示。單片機控制模塊（以下稱單片機）是智能插座的核心;電能計量模塊負責采集電能數據并傳輸出至單片機，單片機再通過Wi-Fi模塊上傳至服務器;用戶可以通過人機交互模塊設置智能插座通、斷電的時間。

2 ?硬件設計

2.1 ?單片機控制模塊

單片機控制模塊負責智能插座所有模塊的集中管理。從電能計量模塊獲取電壓、電流、功率等信息，通過Wi-Fi模塊上傳至服務器，以便用戶查看，并進一步實現電能分析;用戶也可以通過操作人機交互模塊的顯示屏直接實時查看電能信息，也可以通過人機交互模塊設置插座的通斷電時間，以適應用戶的用電習慣;通斷電的功能由單片機控制繼電器模塊控制實現。單片機控制模塊以STC12C5A60S2為核心，該芯片內部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換，抗干擾能力強。外加芯片（DS1302）組成的實時時鐘電路以實現時間計量功能。

2.2 ?電能計量模塊

電能計量模塊是以HLW8012為核心搭建的電路。HLW8012一般采用SOP8封裝，體積小，可以測量有功功率、電量、電壓有效值、電流有效值;其引腳CF輸出高頻脈沖，指示有功功率，在1000：1范圍內達到±0.3%的精度;引腳CF1同樣輸出高頻脈沖，指示電流或電壓有效值，通SEL引腳選擇，在500：1范圍內達到±0.5%的精度;內置晶振、2.43V電壓參考源及電源監控電路;5V單電源供電，工作電流小于3mA。通過電阻采樣用電負載的電壓和電流信息，經過HLW8012的處理，把信息通過高頻脈沖的形式輸出至單片機控制模塊。其結構如圖2所示。

2.3 ?Wi-Fi模塊

Wi-Fi模塊由ESP8266為核心的電路組成。ESP8266是一款超低功耗的UART-Wi-Fi透傳模塊，擁有極簡的封裝尺寸和超低能耗技術，專為移動設備和物聯網環境應用設計，可將用戶的物理設備連接到Wi-Fi無線網絡上，進行互聯網或局域網通信。電路附帶PCB天線，外圍電路簡潔，阻抗匹配強，信號輸出穩定，抗干擾能力強。對ESP8266進行二次功能開發，能夠和單片機控制模塊完美配合，實現數據的遠距離、無障礙傳輸。為了使通信更加安全，還可與上位機協同增添加密算法。ESP8266與單片機通過UART連接即可，單片機采用串行口工作方式1，與ESP8266模塊通信。

2.4 ?繼電器模塊

繼電器模塊以SAI4005D為核心。其主要優點是，開關觸點承壓達到480V，性能優越，對于電機、變壓器等感性負載具有良好的穩定控制效果。單片機需一個GPIO與繼電器模塊的輸入端，通過程序控制繼電器觸點的開閉。

2.5 ?人機交互模塊

人機交互模塊分為顯示部分和操作部分。顯示部分主要由LCD1602、兩個微動開關（按鍵）和蜂鳴器組成;LCD1602可以顯示2行*16字符，滿足插座的全部需求參數顯示;蜂鳴器電路則實現超限報警。設置和調整時間或者查看用戶信息，兩個按鍵即可完成。

2.6 ?電源模塊

電源模塊由阻容降壓方式把220V交流電壓降低，經過1N4738穩壓8.2V，最后經過7805和AMS1117穩壓至5V和3.3V，分別給單片機及相關電路、Wi-Fi模塊供電。

3 ?軟件設計

本設計中除單片機控制模塊外，其余5個模塊均受到單片機模塊的控制或監視。可按照功能的劃分進行軟件設計。

3.1 ?人機交互功能

人機交互功能包括單片機控制模塊、人機交互模塊。用戶可以直接觀察當前時間，用電設備的電壓、電流、功率及電量等信息。通過兩個按鍵即可設置當前時間及繼電器通電或者斷電時間，其程序流程如圖3所示。首先讀取DS1302的時間信息，經過數據轉換，在LCD1602上顯示出來。要想查看電壓、電流、功率等信息，只要把兩個按鍵同時按下即可。信息顯示如圖4所示。另外，在程序中可根據需要，判斷當前電量數值超過設定值，觸發蜂鳴器蜂鳴。

3.2 ?繼電器通斷用電設備功能

繼電器的輸入控制端與單片機的一個GPIO連接，在程序中加入判斷當前時間與設置的通電時間是否相等。如果兩個時間相等，GPIO輸出低電平，觸發繼電器常開觸點接通;另外，也要判斷當前時間與設置的斷電時間是否相等，如果相等，GPIO輸出高電平，繼電器的常開觸點斷開，從而實現用電設備的通斷電。

3.3 ?電量信息獲取功能

單片機兩個外部中斷IO與一個普通IO與電能計量芯片HLW8012相連接。在處理CF（功率）、CF1（電壓、電流）兩個脈沖時，外部中斷模式設置為下降沿觸發中斷，使用MCU外部中斷來確定2次中斷間隔，使用MCU定時器來測量相鄰2次外部中斷的時間間隔，即可得到脈沖的周期與頻率。根據有功功率值、電流有效值、電壓有效值的大小與頻率的大小成正比，與周期的大小成反比這一規律，即可以計算出各電量數值。

3.4 ?數據上傳功能

單片機的RX（P3.0）和TX（P3.1）與ESP8266模塊的RXD和TXD交叉連接，且xxx兩者共地;單片機以串行口工作方式1，把測量得到的電能信息發至ESP8266，由于ESP8266的轉傳功能，再通過Wi-Fi發送至指定IP的服務器端，服務器端即可查看智能插座的電能信息。顯示效果如圖5所示。

4 ?結 ?論

智能家居是未來社會家用電器的主要發展方向，而節能減排則是智能家居的重要功能。本設計從節能功能、用戶使用方便性及用戶數據的延展性方面進行研究?？紤]到了用戶在本地即可操作設置用電設備的運行時間，也為遠程用戶提供用電數據以便進一步分析用電負荷、用電習慣。本設計充分利用單片機資源，通過人性化的人機界面，用戶通過簡單設置即可實現自動通斷用電設備的目的，且通過Wi-Fi把電能信息傳輸至服務器端。本設計中的智能插座成本低廉，操作簡便，運行穩定，在相關領域較有推廣價值。

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作者簡介：林嘉（1981.05-），男，漢族，廣東云浮人，講師，碩士，研究方向：嵌入式技術、物聯網技術、人工智能技術。