基于單片機(jī)的智能節(jié)能插座的設(shè)計(jì)

(遼寧科技學(xué)院中美雙百學(xué)院 遼寧 本溪 117004)

在日常生活中，插座作為一個(gè)為用電設(shè)備供電的器件，人們對(duì)其要求越來(lái)越高，其智能程度也越來(lái)越明顯。一方面智能插座可以通過(guò)需要人為設(shè)定插座的定時(shí)開(kāi)關(guān)，從而達(dá)到安全節(jié)能的目的；另一方面，應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)遠(yuǎn)距離的遙控，可實(shí)現(xiàn)家居的安全化監(jiān)控，達(dá)到控制各種家用電器和設(shè)施的目的[1]，提高人們的生活品質(zhì)。

一、總體方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能節(jié)能插座的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 智能插座的總體結(jié)構(gòu)圖

主要包括：定時(shí)控制、紅外接收、遠(yuǎn)程控制、電量檢測(cè)、繼電控制、實(shí)時(shí)顯示及蜂鳴器報(bào)警電路。定時(shí)控制單元可以手動(dòng)或自動(dòng)控制供電時(shí)間；紅外接收單元利用熱釋電紅外傳感器檢測(cè)被測(cè)區(qū)域是否有人員在場(chǎng)，以此判斷是否對(duì)插座實(shí)施通斷控制；遠(yuǎn)程控制單元主要傳送遠(yuǎn)程的信息和接收指令通過(guò)控制電路將用電設(shè)備切斷；電量檢測(cè)單元用于檢測(cè)電壓、電流、功率等參數(shù)；繼電控制單元主要接收遠(yuǎn)程控制指令、利用檢測(cè)單元檢測(cè)的數(shù)據(jù)與設(shè)定值比較、定時(shí)器發(fā)送來(lái)的指令或是紅外單元發(fā)送的信號(hào)，來(lái)控制插座上電器的供電；實(shí)時(shí)顯示單元主要顯示電壓、電流、耗電量等參數(shù)；蜂鳴器當(dāng)檢測(cè)到的電壓、電流和功率超過(guò)預(yù)設(shè)極限值時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，控制聲光報(bào)警。

二、硬件設(shè)計(jì)

(一)定時(shí)控制

采用AT89C51單片機(jī)和DS1302芯片可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，DS1302的供電方式以主電源供電為主，外加備用的3V紐扣電池電源，以防在系統(tǒng)電源出現(xiàn)故障時(shí)，能確保在系統(tǒng)電源恢復(fù)前時(shí)鐘繼續(xù)工作，確保時(shí)間的精準(zhǔn)[2]。時(shí)鐘電路配以按鍵電路，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)或紅外遙控控制供電時(shí)間，隨時(shí)控制插座通電與否。

(二)紅外接收單元

利用AT89C51單片機(jī)和紅外接收頭HS0038構(gòu)成紅外線發(fā)射/接收控制電路，這種發(fā)射/接收控制電路電路簡(jiǎn)單實(shí)用，而且輸出的控制方式可以選擇。具體工作過(guò)程為：發(fā)射信號(hào)時(shí)，將從單片機(jī)的P3.2口送出數(shù)據(jù),然后經(jīng)過(guò)紅外發(fā)射二極管發(fā)射出去,最遠(yuǎn)可發(fā)射10m。接收信號(hào)時(shí)，利用紅外接收頭,將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)接收后送到單片機(jī)P3.2口,再由系統(tǒng)確認(rèn)接收數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)是否一致,一致則開(kāi)鎖,二極管亮；否則不開(kāi)鎖，二極管滅[3]。

(三)電量檢測(cè)電路

圖2 電量檢測(cè)電路

如圖2所示的電量檢測(cè)電路主要由電能計(jì)量芯片ADE7755和電壓、電流檢測(cè)電路構(gòu)成。電流互感器檢測(cè)到的電流經(jīng)過(guò)濾波以后送入ADE7755的V1P和V1N端；電壓互感器檢測(cè)到的電壓會(huì)有干擾，所以需要濾除干擾然后再送入ADE7755進(jìn)行處理。處理完的信號(hào)從CF端送到單片機(jī)計(jì)數(shù)器上，單片機(jī)將處理好的信號(hào)顯示。通過(guò)讀取ADE7755寄存器中的數(shù)據(jù)，可以在顯示電路中顯示出電壓、電流和有功功率，隨時(shí)了解電器耗能情況。

(四)繼電器控制電路

單片機(jī)通過(guò)控制繼電器，可以控制負(fù)載的失電與得電。為了使繼電器能夠正常工作，本設(shè)計(jì)中采用三極管對(duì)繼電器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并利用續(xù)流二極管對(duì)電路進(jìn)行了保護(hù)。如圖3所示。

圖3 繼電器控制電路

(五)實(shí)時(shí)顯示電路

使用LCD1602顯示模塊，有以下幾個(gè)特點(diǎn)，外觀小巧、低功率消耗、價(jià)格低廉、屏幕展現(xiàn)內(nèi)容多，性能價(jià)格比高于數(shù)碼管。LCD1602芯片顯示信息時(shí)，畫面能展示雙排數(shù)據(jù)，共計(jì)32個(gè)字符，首排字符地址為80F-8FH,下一行地址是C0H-CFFH。工作時(shí)由正5伏電源供電，它以250kHZ的頻率進(jìn)行工作。

(六)蜂鳴器報(bào)警電路

用一個(gè)揚(yáng)聲器和三極管、電阻接到單片機(jī)的P2.0引腳上，構(gòu)成聲音報(bào)警電路，低電平觸發(fā)即可實(shí)現(xiàn)。當(dāng)功率超出限定范圍，插座提前預(yù)警提醒，避免強(qiáng)制斷電時(shí)電器產(chǎn)生的傷害。

(七)遠(yuǎn)程控制單元

利用網(wǎng)絡(luò)將手機(jī)和家中的無(wú)線網(wǎng)進(jìn)行連接，然后利用手機(jī)軟件控制插座的導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能，根據(jù)用戶的需要控制家用電器的開(kāi)關(guān)時(shí)間。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主程序主要包括系統(tǒng)初始化、遠(yuǎn)程控制程序、顯示程序、紅外接收程序等。通過(guò)軟件設(shè)計(jì)，插座可以完成分段定時(shí)、遠(yuǎn)程控制、紅外控制等功能，并且通過(guò)中斷服務(wù)程序可以完成電壓、電流及功率的測(cè)量。圖4為主程序流程圖，圖5為wifi遠(yuǎn)程通信流程圖。

四、總結(jié)

本文所設(shè)計(jì)的節(jié)能插座，即可做普通插座來(lái)用，又具有定時(shí)開(kāi)關(guān)的功能，可避免人們用完電器設(shè)備不切斷電源導(dǎo)致電能的浪費(fèi)和安全隱患。通過(guò)移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控開(kāi)關(guān)是智能插座的最大的特色，也是家居系統(tǒng)智能化發(fā)展的必然方向。實(shí)驗(yàn)證明，這種節(jié)能插座具有節(jié)能環(huán)保，安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，值得推廣。