智能無線控制插線板的設計

石雨婷 徐逸 劉蕓蕓 張俊

摘要：設計了基于LPC單片機及無線通信技術的智能無線控制插線板，能夠對電能實時監控;通過藍牙上傳和發送控制指令，單片機接收和處理指令來實現對電源的通斷控制;相對于市面上其他智能插線板，具有控制器選型更加新型可靠、操作更加方便、系統更加節能等優點;實際操作中，用戶可使用手機APP實時監控插線板。

關鍵詞：插線板;LPC;藍牙通訊;無線控制

中圖分類號：TP271.9 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）19-0042-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

插線板是人們生活中必不可少的消費類電子產品，它能夠為大量的用電設施提供靈活的供電位置，目前各種智能用電設備在沒關電源的情況下一直是低功耗待機模式，這在方便人們生活的同時也造成了電能的浪費。針對這個問題，本項目設計出了智能無線控制插線板——它可以對用電設備進行全面的監控，也可以使用手機控制插線板的耗損模式，還比普通插線板更加節能。用戶在使用過程中可以通過手機控制插座電源的接通和關斷，從而達到節約能源、方便人們生活的目的。

1 總設計方案

該智能無線控制插線板主要由五部分組成：電源、電能計量模塊、繼電器、藍牙、主控制器。智能插線板工作原理：由用戶向APP發送控制信息，控制信息通過手機藍牙、插線板的藍牙、最終到達單片機。單片機將接收的控制信息經過程序處理后，相應管腳輸出高，低電平控制繼電器動作，繼電器斷開，連接插座端，繼而控制插座電源的通斷，由此達到無線控制用電設備電源通斷的目的。

電能計量模塊實時檢測電量參數，數據參數將通過電能計量模塊到單片機，再由藍牙到手機端，從而達到手機端實時監控的目的，因此用戶可以隨時查看用電器耗電情況。

2 硬件電路設計

如圖1，設計中LPC11U48、藍牙及繼電器電路的電源均由電源模塊提供。

2.1 電源模塊

如圖2所示，電源由電網供能，將220V交流電經電力電子器件（IGBT）轉換成低壓交流電，再經電橋將波形整流為正弦半波，接著使用電解電容和瓷片電容濾低高頻信號，利用三端集成穩壓技術，使用7805和1117輸出5v和3.3V直流電壓。電路具有輸入電壓范圍寬、可以交直流兩用、超小體積、輸出電壓穩定、高精度等優點。

2.2 藍牙模塊

藍牙是單片機與手機APP（ BLE安卓串口助手）交換數據的通道，用戶通過HC-COM APP發送指令。

如表2所示，設計選用HC-08藍牙模塊，模塊上引出了VCC，GND，TXD和RXD四根管腳。主從連上以后就相當于一根串口線使用，不分主從，即透傳模式。藍牙配對成功后，連接串口就相當于一個普通的串口，波特率默認設置為9600，數據位8位，停止位l位，工作模式為從機。

TXD端接收到控制信息后，控制信息將由TXD端發送給單片機，單片機從低功耗模式中被喚醒，經過程序運行，單片機將相應端口置高，低電平，繼電器模塊線圈吸引，釋放開關使用電器插孔通電狀況改變，實現了用手機控制插孔電源的開通。值得一提的是，手機控制插孔電源關斷時，單片機與藍牙模塊均處于低功耗模式，此功能使智能無線控制插線板更加的節能。

2.3 電能計量模塊

電能計量模塊對用電器進行耗能統計與計算。

如圖3，電能計量模塊選用IM1253B AC直入式。IM1253BAC可測量40-65HZ的交流電壓、電流、功率、功率因數、頻率以及直流的電壓、電流、功率。在電路中，電能計量模塊由電源模塊供電，對插線板的電量實時監測采集，并將得到的電壓、電流、功率等數據參數通過UART口傳送給LPCIIU48。單片機通過軟件程序將數據信息分析出來并保存到存儲器中，同時將數據信息發送到手機端，實現用電狀況實時監視。

2.4 繼電器

繼電器在電路中起開關作用。

本設計選用的繼電器工作電壓為5v，常開接口最大負載為：交流250V/IOA，直流30V/IOA（可帶負載較大，智能無線插線板適用于一般功率的家電）。

如圖4，繼電器的工作原理：線圈通電或斷電使開關動作，由此來控制插孔電源。在實際操作中，因為線圈相當于一個電感，斷電之后不會立即失電，會有一個放電過程，這一過程可能會燒壞單片機。為解決這一問題，本設計決定使用外部電路來消耗回流，電路原理為：使用續流二極管來消耗線圈的回流，三極管來防止回流損傷單片機。

3 軟件設計

程序的流程如圖5所示，設計總體程序由以下子程序和定義構成：定義藍牙與繼電器的名稱、輸入/出10口、繼電器狀態、藍牙接收，發送數據的長度、定時器時間，子程序有初始化、系統時鐘的配置、檢測藍牙連接狀態、分析和處理藍牙數據以及許多中斷程序。下面詳細的解說程序運行的流程。

程序運行時，須進行系統初始化及板子初始化。初始化程序主要分為三個部分：系統核心時鐘、板子、UARTI和10口以及各定時器初始化。初始化完成之后，首先讀取上一次繼電器的狀態、設置插孔狀態。接下來檢測單片機與手機能否正常通信，具體操作為：單片機發送一段數據，如果這時藍牙與單片機連接成功，APP將接收到一段數據。如果單片機與藍牙連接不成功，APP將不會有任何反應。

單片機與手機正常通信之后，運行相關程序，使用定時器倒計時來控制每個功能函數在程序循環周期中執行的頻率。比如藍牙數據處理子函數中，一旦定時器計時到0，通過寄存器獲得此時藍牙的狀態，板子上的led燈將根據STATE端的狀態來改變顏色，對藍牙的數據進行相應處理。處理藍牙數據時，相應定時器到0，單片機從緩沖區接收復制數據，最后繼電器執行相應動作。

控制繼電器：假設繼電器之前的狀態為連接，相關定時器到零，因為繼電器之前狀態為連接，所以這時板子上LED燈變換成亮色，寄存器當前狀態置1，這種情況下用戶看不到插線板狀態改變。相反，繼電器之前的狀態為斷開時，板子上LED燈顏色不會變化，寄存器當前狀態置0。

控制插孔電源開斷的有效指令：KZB，指令為打開最左邊端口的插座電源。KZJ，打開中間的插座電源。KYB，為打開右邊的插座電源。GZB，為關上左邊的插座電源，GZJ，為關上中間的插座電源，GYB，為關上右邊的插座電源。

定時：插線板總電源在規定時間關閉，定時功能的指令是t，后面加上自己想定的時間，這里的時間統一以小時為單位，小時數為1，2，3_向上遞增，上限為99。軟件設計流程如圖所示。

4 結束語

本設計的智能插線板使我們在生活中更加方便地使用插線板、省去了傳統的手動遙控器、按鍵等輔助工具、大大減少了不必要的能耗，也適用于各種電源端口，電能損耗低，經濟實用。現在市面上有出現的很多電子產品出現了共享設施，如共享電瓶車的充電端口、小區的智能公共停車場所等，這些場所的各充電端口一般帶電并且不會有人去關閉，這就造成了很大的電能浪費，本設計應用于這些場合不僅僅會節省電能，也會使用電更加安全，同時公共電源傷人機率也會大大降低。但是，目前設計也還不完善，比如硬件電路占位過大、插線板插孔不能全部使用等，在產品后續改進中，控制部分要做的更加靈活小巧，去適應各種型號的插線板。

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【通聯編輯：王力】

基金項目：國家級大學生創新創業訓練計劃項目（編號：201910959057）

作者簡介：石雨婷（1999-），女，安徽蚌埠人，學生，本科.主要研究方向：電子電氣工程、自動化。