基于單片機(jī)無線控制的智能插座設(shè)計(jì)

樊戰(zhàn)亭 FAN Zhan-ting

（咸陽師范學(xué)院，咸陽 712000）

0 引言

插座用以給供電設(shè)備進(jìn)行供電，在日常生產(chǎn)、生活中廣泛應(yīng)用。插座給手機(jī)、電動(dòng)自行車等充電型用電設(shè)備供電時(shí)，如果在充電型用電設(shè)備中電池充滿后沒有及時(shí)把充電器從普通插座上拿開，相應(yīng)用電設(shè)備中的電池就會(huì)過度充電，就降低了充電型用電設(shè)備中電池壽命同時(shí)也浪費(fèi)了寶貴的電能。使用插座給電餅鐺等較大功率電加熱家用電器供電時(shí)，如果沒有及時(shí)關(guān)掉電源時(shí)，不僅浪費(fèi)電能，而且電加熱器中元件就可能因發(fā)熱量過大產(chǎn)生損壞甚至起火，出現(xiàn)巨大的安全隱患。普通的插座經(jīng)過人們?nèi)粘Ｊ褂弥械亩啻尾灏危遄械牟糠謴椈善瑫?huì)松動(dòng)，接線口也會(huì)出現(xiàn)破損的現(xiàn)象，甚至有明顯的裸露電線在外面。插座在人們移動(dòng)或者使用的過程中會(huì)加速老化，這樣就增加了安全隱患，也降低了插座的使用壽命。

為了解決普通插座供電時(shí)充電型用電設(shè)備中電池過充、電加熱設(shè)備用電安全和用電設(shè)備使用中電能浪費(fèi)等問題，有效提升插座自身安全性、可靠性及壽命，本文設(shè)計(jì)了一種基于主單片機(jī)、從單片機(jī)的無線控制智能插座，能夠根據(jù)用電設(shè)備與插座的接通或者斷開需要，由主單片機(jī)設(shè)定指定插座單元接通時(shí)間及斷開時(shí)間，并通過無線通信芯片把相應(yīng)的信息發(fā)送給從單片機(jī)。從單片機(jī)利用無線通信芯片接收指定插座單元的接通開始時(shí)間和斷開時(shí)間信號(hào)，控制繼電器實(shí)現(xiàn)指定插座單元與交流電源和用電設(shè)備之間的接通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)插座接通、斷開的時(shí)間智能控制。完成插座接通、斷開時(shí)間控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)充電型用電設(shè)備電池充電時(shí)間長度的智能控制，可以有效提高用電設(shè)備電池的壽命及節(jié)約電能。實(shí)現(xiàn)插座接通、斷開時(shí)間控制，也可以對(duì)大功率電加熱設(shè)備通電時(shí)間進(jìn)行精確控制，消除了長時(shí)間過度加熱可能起火的安全隱患，同時(shí)也能大大減少電能浪費(fèi)；智能插座通過控制繼電器（電子開關(guān)）控制指定插座單元接通、斷開，有效地避免了手動(dòng)插拔插座產(chǎn)生的插座彈簧片松動(dòng)等不利因素，提高了智能插座的本身使用壽命和安全、可靠性能。以下依次從智能插座總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)論述智能插座的設(shè)計(jì)。

1 智能插座總體設(shè)計(jì)

智能插座系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，智能插座系統(tǒng)包括主、從兩個(gè)單片機(jī)控制部分。主單片機(jī)控制部分主要包括電源、按鍵輸入、時(shí)鐘模塊、無線發(fā)射模塊和液晶顯示模塊，其中主單片機(jī)控制部分的電源包括主單片機(jī)供電電源、無線發(fā)射供電電源兩部分；按鍵部分用來對(duì)智能插座指定單元開始接通時(shí)間、斷開時(shí)間進(jìn)行按鍵設(shè)定；無線發(fā)射模塊主要發(fā)送智能插座指定單元開始接通時(shí)間及關(guān)斷時(shí)間信號(hào)；時(shí)鐘模塊通過主單片機(jī)可以讀取具體的走時(shí)時(shí)間；液晶顯示用來顯示智能插座指定單元設(shè)定的接通時(shí)間、關(guān)斷時(shí)間。從單片機(jī)控制部分主要包括電源、無線接收模塊、多個(gè)繼電器模塊，其中從單片機(jī)控制部分電源包括從單片機(jī)供電電源、無線接收供電電源及繼電器模塊供電電源等三部分；無線接收模塊主要接收主單片機(jī)無線發(fā)射模塊發(fā)送的智能插座指定單元開始接通時(shí)間及關(guān)斷時(shí)間信號(hào)；繼電器模塊根據(jù)無線接收模塊接收指定插座單元接通或者關(guān)斷信號(hào)來進(jìn)行接通或斷開指定插座相連的用電設(shè)備，實(shí)現(xiàn)智能插座的時(shí)間控制功能。

圖1 智能插座系統(tǒng)總體框圖

智能插座運(yùn)行主要步驟：主單片機(jī)控制部分首先通過按鍵設(shè)定插座指定單元開始接通時(shí)間、斷開時(shí)間，并通過液晶顯示單元顯示指定插座單元接通時(shí)間和斷開時(shí)間；主單片機(jī)通過時(shí)鐘模塊確定指定單元接通時(shí)間達(dá)到后，利用無線發(fā)射模塊發(fā)出指定插座單元的接通信號(hào)，主單片機(jī)通過時(shí)鐘模塊確定斷電時(shí)間到達(dá)后，通過無線發(fā)射模塊發(fā)出指定插座單元的斷開信號(hào)。從單片機(jī)通過無線接收模塊接收到主單片機(jī)發(fā)出的無線發(fā)射的開通、關(guān)斷信息，控制相應(yīng)的繼電器模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)智能插座指定插座單元的開通時(shí)間、斷開時(shí)間控制，完成交流電源和用電設(shè)備通電開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間的控制。如果主單片機(jī)設(shè)定多個(gè)插座單元開通時(shí)間、關(guān)斷時(shí)間，就可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)用電設(shè)備不同開通時(shí)間、關(guān)斷時(shí)間的控制，有效提高智能插座的對(duì)不同用電設(shè)備接通時(shí)間、關(guān)斷時(shí)間控制功能。

2 智能插座硬件設(shè)計(jì)

智能插座硬件設(shè)計(jì)主要包括主單片機(jī)硬件電路、從單片機(jī)硬件電路兩部分。

2.1 主單片機(jī)硬件電路

智能插座主單片機(jī)硬件電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，主要包括主單片機(jī)STC89C52、時(shí)鐘模塊DYS8100、無線發(fā)射模塊NRF24L01、液晶顯示模塊LCD12864和12V鋰電池等主要部分。

圖2 主單片機(jī)硬件電路結(jié)構(gòu)圖

主單片機(jī)選用我國宏晶公司生產(chǎn)的STC89C52單片機(jī)，其特點(diǎn)單片機(jī)自身帶有AD、PWM等豐富的外設(shè)，能夠提升單片機(jī)的性能；價(jià)格低，可以很好地降低成本。

NRF24L01是挪威Nordic公司研發(fā)的一款2.4G通訊芯片，NRF24L01具有1.9～3.6V的低工作電壓，其I/O口能夠與5V單片機(jī)直接相連，同時(shí)最多支持六路通道的數(shù)據(jù)接收，具有125個(gè)頻點(diǎn)，能夠滿足多點(diǎn)通信和調(diào)頻通信需要。NRF24L01模塊本身體積很小便于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在兩個(gè)NRF24L01之間的通信，任何一個(gè)模塊都可以設(shè)置為接收或者發(fā)送模式，可由主控單片機(jī)隨時(shí)根據(jù)需要設(shè)置為發(fā)送或接收模式。NRF24L01通信模塊必須兩兩配對(duì)使用，滿足三個(gè)條件便可以通信成功，第一發(fā)射和接收的頻道相同；第二發(fā)射和接收的地址相同；第三每次發(fā)送和接受的字節(jié)數(shù)目相同。配置成發(fā)送模式后，用單片機(jī)把要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫進(jìn)去，它就會(huì)自動(dòng)把數(shù)據(jù)發(fā)出去；配置成接收模式后，單片機(jī)通過觀察它的IRQ引腳，就可以知道是否接收到了數(shù)據(jù)，單片機(jī)可以通過SPI口把接收到數(shù)據(jù)取出來。

DYS8100模塊是8025T時(shí)鐘芯片和LM75溫度芯片兩個(gè)芯片的集合體。8025T時(shí)鐘芯片內(nèi)部集成了32.768kHz的晶振可以進(jìn)行精準(zhǔn)的走時(shí)并讓其不受外界影響，可以使用紐扣電池進(jìn)行供電，支持系統(tǒng)掉電走時(shí)，它是I2C驅(qū)動(dòng)的方式，應(yīng)用它來進(jìn)行時(shí)間的處理。LM75溫度芯片是一個(gè)兩線的串行溫度傳感器。能夠編程設(shè)計(jì)在溫度超出的時(shí)候進(jìn)行報(bào)警。采用的DYS8100模塊為這上述兩個(gè)模塊的集合產(chǎn)品，單片機(jī)采用I2C總線驅(qū)動(dòng)模式讀取時(shí)間和溫度。

LCD12864液晶顯示模塊是一款4位/8位并行、2線或3線接口方式，內(nèi)部含有國際一級(jí)、二級(jí)簡體中文字庫的圖形點(diǎn)陣液晶模塊。該型號(hào)液晶模塊具有接口方式簡單，指令操作便捷的特點(diǎn)，可構(gòu)成中文人機(jī)交互圖形界面。

主單片機(jī)硬件部分工作步驟：首先主單片機(jī)通過按鍵設(shè)置智能插座指定單元接通時(shí)間、斷開時(shí)間，同時(shí)在液晶顯示模塊LCD12864進(jìn)行顯示。主ST89C52單片機(jī)通過DYS8100模塊檢測(cè)開始接通時(shí)間達(dá)到后，通過無線模塊NRF24L01（配置成發(fā)送模式）給從單片機(jī)配對(duì)的無線接收模塊發(fā)出插座接通命令；如果主單片機(jī)通過DYS8100模塊檢測(cè)斷開時(shí)間達(dá)到后，就利用無線模塊NRF24L01（發(fā)送模式）給從單片機(jī)配對(duì)的無線接收系統(tǒng)發(fā)出插座斷開的命令，從而控制智能插座指定單元（插孔）的接通和斷開時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能插座指定單元（插孔）通電開始時(shí)間、通電時(shí)長的控制。主單片機(jī)電路主要實(shí)現(xiàn)智能插座指定插孔接通、關(guān)斷時(shí)間的設(shè)定及相應(yīng)命令的傳送，為了節(jié)省電能同時(shí)及時(shí)發(fā)送無線傳送指令，主單片機(jī)硬件供電系統(tǒng)采用12V鋰電池進(jìn)行供電，把12V直流電通過穩(wěn)壓模塊轉(zhuǎn)換為5V直流電給單片機(jī)和LCD12864模塊供電；5V直流電繼續(xù)再轉(zhuǎn)換為3.3V直流電給無線通信模塊NRT24L01供電。

2.2 從單片機(jī)硬件電路

從單片機(jī)硬件電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，智能插座從單片機(jī)硬件電路主要包括從單片機(jī)STC89C52、無線接收模塊NRF24L01、繼電器驅(qū)動(dòng)模塊ULN2003、繼電器等主要部分。

圖3 從單片機(jī)硬件電路結(jié)構(gòu)圖

從單片機(jī)同樣選用STC89C52單片機(jī)。從單片機(jī)STC89C52處理無線接收模塊NRF24L01（設(shè)置為接收模式）接收的指定插座單元接通或者斷開的無線信息，利用繼電器驅(qū)動(dòng)模塊ULN2003控制繼電器線圈電流接通或者斷開，實(shí)現(xiàn)指定插座單元插孔的接通或者斷開用電設(shè)備與220V交流電源的連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)用電設(shè)備供電的接通或者斷開功能。

從單片機(jī)硬件電路要直接通過智能插座控制220V交流電源與用電設(shè)備接通或者斷開，從單片機(jī)硬件電路的供電采用220V交流電源進(jìn)行供電，220V交流電源直接給插座供電。把220V交流電進(jìn)行整流、穩(wěn)壓后轉(zhuǎn)換為12V直流電，12V直流電可以作為繼電器的線圈的供電電源使用。12V直流電繼續(xù)通過電壓轉(zhuǎn)換及穩(wěn)壓模塊轉(zhuǎn)換為5V直流電給從單片機(jī)STC89C52供電，5V直流電繼續(xù)再轉(zhuǎn)換為3.3V直流電給無線接收通信模塊NRF24L01供電。

3 智能插座軟件設(shè)計(jì)

智能插座軟件設(shè)計(jì)是智能插座系統(tǒng)的關(guān)鍵，也是各個(gè)功能實(shí)現(xiàn)的必要手段，程序主要利用Keil軟件集成環(huán)境采用C語言進(jìn)行編寫。

3.1 軟件編譯環(huán)境搭建

Keil軟件集成環(huán)境有兩種，一種是為傳統(tǒng)的51單片機(jī)編程使用，另一種是為ARM結(jié)構(gòu)的單片機(jī)進(jìn)行使用。在Keil軟件中新建項(xiàng)目時(shí)候沒有宏晶公司的STC單片機(jī)型號(hào)選型，可以使用ATMEL公司的單片機(jī)進(jìn)行代替，因?yàn)樵诮Y(jié)構(gòu)上它們兩個(gè)是相同的。進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)先分別編寫好主單片機(jī)、從單片機(jī)的控制程序，在Keil軟件集成環(huán)境中獨(dú)立進(jìn)行編輯、修改、調(diào)試、運(yùn)行等操作，把調(diào)試成功的主單片機(jī)控制程序、從單片機(jī)控制程序編譯成二進(jìn)制文件，分別通過下載軟件下載到主單片機(jī)和從單片機(jī)存儲(chǔ)器中。STC-ISP是宏晶公司為旗下的單片機(jī)下載程序所開發(fā)的一款軟件，同時(shí)具備串口功能以及單片機(jī)的資料下載功能和程序模板的使用，在下載程序方面擇STC-ISP軟件把編譯成功的二進(jìn)制文件下載到單片機(jī)中。

3.2 軟件主流程圖

智能插座的控制軟件必須與主單片機(jī)、從單片機(jī)硬件電路配合執(zhí)行才能完成相應(yīng)的控制功能。智能插座控制軟件開始要對(duì)主單片機(jī)、從單片機(jī)相應(yīng)的I/O端口等進(jìn)行初始化，主單片機(jī)根據(jù)輸入端口按鍵確定智能插座指定單元的接通時(shí)間、關(guān)斷時(shí)間，并在LCD12864液晶模塊進(jìn)行顯示；主單片機(jī)判定時(shí)鐘芯片時(shí)間大于等于接通設(shè)定時(shí)間發(fā)出相應(yīng)的無線接通信號(hào)，主單片機(jī)判定時(shí)鐘芯片時(shí)間大于關(guān)斷設(shè)定時(shí)間發(fā)出相應(yīng)的無線關(guān)斷信號(hào)；從單片機(jī)接收主單片機(jī)發(fā)送的接通或者關(guān)斷指令信號(hào)，通過控制對(duì)應(yīng)的繼電器模塊完成對(duì)指定插座單元接通和關(guān)斷的控制。上述過程是智能插座單片機(jī)軟件控制運(yùn)行的一個(gè)周期，不斷重復(fù)上述周期就能夠完成智能插座的軟件控制過程，具體軟件主流程圖如圖4所示。

圖4 軟件主流程圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的以主單片機(jī)、從單片機(jī)STC89C52為核心、基于NRF24L01無線通信芯片為基礎(chǔ)的無線控制智能插座，主單片機(jī)設(shè)定指定插座單元的接通、斷開時(shí)間，通過無線芯片發(fā)送相應(yīng)的接通、斷開信號(hào)給從單片機(jī)。從單片機(jī)接收無線信號(hào)，通過控制繼電器模塊完成對(duì)指定插座單元通電和斷電時(shí)間的控制。與傳統(tǒng)插座比較，智能插座用電子開關(guān)代替手工插拔，顯著提高了插座使用壽命。能夠有效防止充電型用電設(shè)備的過充問題，還解決了大功率電加熱設(shè)備長時(shí)間過度加熱可能造成的用電設(shè)備損壞和安全隱患，能夠有效節(jié)約電能，有助于提高充電型用電設(shè)備充電安全性及延長使用壽命，明顯提升生產(chǎn)和生活中用電效益。