中北大學(xué) 史 策

電源插座是為家用電器提供電源接口的電氣設(shè)備，也是住宅電氣設(shè)計(jì)中使用較多的電氣附件，它與人們生活有著十分密切的關(guān)系。居民搬進(jìn)新居后，普遍反映電源插座數(shù)量太少，使用極不方便，造成住戶私拉亂接電源線和加裝插座接線板，常常引起人身電擊和電氣火災(zāi)事故，給人身財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)重大隱患。

所以，電源插座的設(shè)計(jì)也是評(píng)價(jià)住宅電氣設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。目前市場(chǎng)上的普通插座或智能插座大多有以下缺陷：沒(méi)有過(guò)流保護(hù)，在雷雨天使用有危險(xiǎn)、沒(méi)有定時(shí)開關(guān)功能，容易造成不必要的浪費(fèi)、無(wú)法遠(yuǎn)程遙控，沒(méi)有便利性。這里提出了一種基于MSP430-F149的智能插座，整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于家中和一般性廠房的使用。插座能保證使用地點(diǎn)的用電安全，支持短路保護(hù)、火災(zāi)監(jiān)測(cè)，支持功耗監(jiān)控、定時(shí)遙控。

1.智能插座的總體設(shè)計(jì)

由于產(chǎn)品的主要作用之一是輔助節(jié)能，所以功耗的問(wèn)題就顯得非常重要。我們分析了市場(chǎng)上的MCS-51單片機(jī)、AVR單片機(jī)、ARM以及Linux嵌入式操作系統(tǒng)。ARM、Linux等高端處理器，成本很高，不適用于大眾。MCS-51單片機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能有限，而且功耗較高。經(jīng)過(guò)討論分析，決定產(chǎn)用由TI公司推出的MSP430-F149單片機(jī)，原因是它成本低，功能強(qiáng)大，電源電壓是3.3V，并且處理器可以軟件控制進(jìn)入低功耗模式，只有當(dāng)其接收到串口的中斷后才會(huì)被喚醒，綜上所述，MSP430-F149單片機(jī)滿足系統(tǒng)的要求[1]。

系統(tǒng)的功能框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)的功能框圖

2.硬件組成

由于硬件主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)保護(hù)與遙控。保護(hù)分為火災(zāi)保護(hù)和過(guò)流短路保護(hù)，遙控是指通過(guò)藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)，所以在硬件選擇中選擇了遠(yuǎn)紅外傳感器、光敏電阻和藍(lán)牙模塊作為主要模塊，另外通過(guò)帶有過(guò)零檢測(cè)功能的開關(guān)進(jìn)行對(duì)電路的控制。

2.1 火焰?zhèn)鞲衅?/h3>

遠(yuǎn)紅外傳感器能夠探測(cè)到波長(zhǎng)在700納米～1000納米范圍內(nèi)的紅外光，探測(cè)角度為60，其中紅外光波長(zhǎng)在880納米附近時(shí)，其靈敏度達(dá)到最大。遠(yuǎn)紅外火焰探頭將外界紅外光的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器反映為0～255范圍內(nèi)數(shù)值的變化。外界紅外光越強(qiáng)，數(shù)值越?。患t外光越弱，數(shù)值越大。

2.2 光敏傳感器

通過(guò)光敏電阻進(jìn)行光的測(cè)量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換。由于光敏電阻器對(duì)光的敏感性(即光譜特性)與人眼對(duì)可見(jiàn)光(0.4～0.76)μm的響應(yīng)很接近，只要人眼可感受的光，都會(huì)引起它的阻值變化。所以通過(guò)光敏電阻可以簡(jiǎn)單靈敏地實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)要求。

2.3 溫度傳感器

單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20可以把溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，每片DS18B20含有唯一的64位序列號(hào)，測(cè)溫范圍是-55℃—+125℃，滿足系統(tǒng)要求。DS18B20數(shù)字溫度計(jì)提供9位溫度讀數(shù)，指示器件的溫度信息經(jīng)過(guò)單線接口送入DS18B20或從DS18B20送出，與MCU之間只需一條線連接，讀寫和完成溫度轉(zhuǎn)換所需的供電可由數(shù)據(jù)線提供而無(wú)需外部添加。由于每個(gè)DS18B20有唯一的系列號(hào)(silicon serial number)，因此，多個(gè)DS18B20可存在于同一條單線總線上，這就使得產(chǎn)品在溫度靈敏度和區(qū)域溫度檢測(cè)方面的工作得到了簡(jiǎn)化。通過(guò)此傳感器能方便的監(jiān)視外界以及內(nèi)部的溫度變化。

2.4 電流傳感器

電流檢測(cè)由電流互感器完成，主要優(yōu)點(diǎn)是大電流轉(zhuǎn)小電流，增加安全性；電線直接穿過(guò)傳感器就可測(cè)量，安裝方便。

電流互感器的工作原理：被測(cè)電流的繞組(匝數(shù)為N1)，稱為一次繞組(或原邊繞組、初級(jí)繞組)；接測(cè)量?jī)x表的繞組(匝數(shù)為N2)稱為二次繞組(或副邊繞組、次級(jí)繞組)。電流互感器一次繞組電流I1與二次繞組I2的電流比，叫實(shí)際電流比K。電流互感器在額定電流下工作時(shí)的電流比叫電流互感器額定電流比，用Kn表示：Kn=I1n/I2n。

根據(jù)實(shí)際用電器的情況，在此處應(yīng)用的變比為1000/1的電流互感器，可以把實(shí)際為5A的電流轉(zhuǎn)變?yōu)?mA的電流。再將一個(gè)定值電阻與電流互感器進(jìn)行并聯(lián)，通過(guò)MCU上的A./D轉(zhuǎn)換器能測(cè)出定值電阻上的電壓，最后通過(guò)歐姆定理就可以計(jì)算得出轉(zhuǎn)換后的電流值，轉(zhuǎn)換前的電流就為此電流的1000倍。

2.5 藍(lán)牙通信

本系統(tǒng)藍(lán)牙功能在MSP430-F149上的實(shí)現(xiàn)，傳感器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，并對(duì)A/D變換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理傳輸?shù)浇邮斩?，最后由單片機(jī)將處理結(jié)果通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送到上位機(jī)內(nèi)。同樣，當(dāng)上位機(jī)需要傳輸指令時(shí)，由藍(lán)牙將指令對(duì)應(yīng)的代碼傳送到MCU串口，實(shí)現(xiàn)雙向通信[3]。

2.6 通斷開關(guān)設(shè)計(jì)

本產(chǎn)品中的開關(guān)是針對(duì)家庭插座中220v交流電的，而繼電器吸合和斷開的時(shí)候不是在交流相位的過(guò)零點(diǎn)而引起的打火，這種火花的頻率成分復(fù)雜而且能量很強(qiáng)，RC吸收電路能吸收一部分，仍然有一部分能量輻射出來(lái)，會(huì)對(duì)MCU進(jìn)行干擾。要解決此現(xiàn)象，光耦的初級(jí)經(jīng)過(guò)限流接220V交流，次級(jí)接上拉進(jìn)入GPIO，作用是專門用于監(jiān)測(cè)AC220V的相位，根據(jù)繼電器的吸合和釋放時(shí)間，準(zhǔn)確的在過(guò)零點(diǎn)進(jìn)行開關(guān)，使得開關(guān)干擾降至最低限度。

但也有更簡(jiǎn)單的方法就是用一個(gè)帶過(guò)零檢測(cè)的光耦MOC3020，去控制雙向可控硅，做成固態(tài)繼電器的方式，對(duì)單相AC電源進(jìn)行控制。

開關(guān)設(shè)計(jì)電路如圖2所示：

圖2 開關(guān)設(shè)計(jì)電路

3.軟件設(shè)計(jì)

3.1 溫度傳感器的通信命令和時(shí)序

DS18B20工作過(guò)程中的協(xié)議為：(1)初始化；(2)操作命令；(3)存儲(chǔ)器操作命令；(4)時(shí)序。主機(jī)使用時(shí)間隙(time slots)讀寫DS18B20的數(shù)據(jù)位和寫命令字的位。由于DS18B20采用單總線協(xié)議方式，即在1根數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對(duì)MSP430-F149單片機(jī)來(lái)說(shuō)，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，我們需要采用軟件方法模擬單總線的協(xié)議時(shí)序，從而完成對(duì)DS18B20的訪問(wèn)。

3.2 溫度數(shù)據(jù)的計(jì)算處理方法

從DS18B20讀取出的值為二進(jìn)制，要想用于字符的顯示必須先轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制值才可以。因?yàn)镈S18B20的轉(zhuǎn)換精度為9-12位，所以在采用12位轉(zhuǎn)換精度時(shí)溫度寄存器里的值是以0.0625為單位步進(jìn)的，即實(shí)際的十進(jìn)制溫度值為寄存器里的二進(jìn)制值乘以0.0625。一個(gè)十進(jìn)制值和一個(gè)二進(jìn)制值之間有很明顯的關(guān)系：二進(jìn)制的高字節(jié)的低半字節(jié)和低字節(jié)的高半字節(jié)組成的一個(gè)字節(jié)內(nèi)部的二進(jìn)制值轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制值后，該十進(jìn)制值就是溫度值的小數(shù)部分。由于小數(shù)部分是半個(gè)字節(jié)，所以二進(jìn)制值范圍的0-F轉(zhuǎn)換成了十進(jìn)制小數(shù)值就變成了0.0625的倍數(shù)(0-15倍)，這樣我們就需要4位的數(shù)碼管來(lái)顯示小數(shù)部分。這樣對(duì)于實(shí)際的應(yīng)用而言，如果用1位數(shù)碼管來(lái)顯示小數(shù)，這樣的精確度可以達(dá)到0.1℃[4]。

3.3 藍(lán)牙設(shè)置

軟件系統(tǒng)首先要對(duì)單片機(jī)MSP430進(jìn)行初始化，設(shè)置其ACLK輔助時(shí)鐘，設(shè)置UART0和UART1等內(nèi)部模塊時(shí)鐘為ACLKM藍(lán)牙模塊復(fù)位。當(dāng)藍(lán)牙發(fā)送任務(wù)啟動(dòng)后，藍(lán)顏將把通過(guò)RS232口采集到的數(shù)據(jù)打包發(fā)送。每當(dāng)發(fā)送完一個(gè)數(shù)據(jù)包后，等待中央單位的確認(rèn)信息，完成確認(rèn)工作后，然后進(jìn)行下一個(gè)數(shù)據(jù)包的發(fā)送。如果無(wú)法收到確認(rèn)信息，則根據(jù)主控任務(wù)提供的信息切換到其他備用的通道上，以繼續(xù)當(dāng)前的發(fā)送任務(wù)，同時(shí)通知主控任務(wù)當(dāng)前使用的通道信息。從而實(shí)現(xiàn)建立起兩個(gè)藍(lán)牙通道[5]。

4.結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圍繞低功耗、高性能和全面的安全保障。以MSP430-F149作為主控芯片，以多種傳感器作為外部電路。在創(chuàng)新的同時(shí)也在一些地方對(duì)電路做了改進(jìn)，使得整體體積更小，運(yùn)行更加穩(wěn)定。在軟件方面充分發(fā)揮了MCU強(qiáng)勁的數(shù)據(jù)處理能力和低功耗特性，省去了外設(shè)ADC轉(zhuǎn)換器、大大節(jié)省了系統(tǒng)本身的耗電量。在家庭、公司、工廠等用電場(chǎng)所都可以安裝本產(chǎn)品來(lái)管理其用電設(shè)備，保證其用電安全，應(yīng)用前景廣闊。

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