郭芷妍，胡立夫，史佳偉，劉雨珊

（沈陽航空航天大學 自動化學院，遼寧沈陽，110036）

0 引言

隨著移動網絡技術和無線數據傳輸技術的不斷發(fā)展，智能家居逐漸火熱起來，便捷了人們的生活。但隨之而來也出現了如家用電器過載、內部線路老化引發(fā)大量火災的問題，而插座作為根本的多通道配電組件能夠實現家用電器的間接控制。因此本文提出了基于單片機的多功能插座設計方案，用戶能夠通過Android 手機控制插座，以此間接控制家用電器的供電開關或定時開關電源，對于能源的有效利用有著重要意義。而且，當插座檢測到相連家用電器的電壓或電流超出安全范圍，或插座內部器件檢測到溫度超過安全范圍時，會自動停止供電，同時蜂鳴器報警，避免發(fā)生火災。

1 系統(tǒng)總體設計

基于單片機的多功能插座設計以STC15F2K60S2 芯片作為下位機的控制核心，通過CS5463 電能計量傳感器對電壓、電流、功率和溫度等物理數據實行采集，通過時鐘模塊實時讀取時間數據，采用藍牙無線通信技術實現數據的傳輸，繼電器模塊控制電源的開關。單片機將不同模塊的數據結合并處理和顯示，達到無線控制，插座保護，蜂鳴器報警等功能。多功能插座硬件整體結構圖如圖1所示。軟件部分由單片機軟件和Android 手機APK 軟件組成，軟件程序由不同的子函數共同搭建，通過調用合理地結合在一起，實現各個功能。

圖1 多功能插座硬件整體結構圖

2 系統(tǒng)硬件電路設計

多功能插座的硬件電路部分包括微控制器模塊、顯示模塊、傳感器模塊、無線通信模塊、報警模塊、繼電器模塊和電源模塊共八個模塊。

■2.1 微控制器模塊

STC15F2K60S2 微控制器引腳與傳統(tǒng)8051 單片機的最小應用系統(tǒng)兼容。本設計中，由于OLED 采用I2C 通信方式，因此利用它自帶的普通I/O 口定義為I2C 通信協(xié)議中的兩條總線。STC15F2K60S2 微控制器內部帶有IRC 時鐘，通過下載軟件時調節(jié)晶振頻率的方法選定內部IRC 時鐘頻率。STC15F2K60S2 單片機最小系統(tǒng)電路圖如圖2 所示。

圖2 STC15F2K60S2 最小系統(tǒng)電路圖

■2.2 顯示模塊

本設計顯示器選用OLED 12864。在多功能插座使用時，難免會有大的加速度動作，這種情況下，相比LCD 顯示屏，OLED12864 顯示屏的抗震性能更優(yōu)越。而且即使陽光直射，顏色也不會顯弱。OLED12864 與STC15F2K60S2 的連接電路圖如圖3 所示。

圖3 OLED12864 與STC15F2K60S2 的連接電路圖

■2.3 傳感器模塊

本設計采用CS5463 傳感器模塊，它通過SPI 通信協(xié)議直接輸出數字量的參數信息，使用方法簡單，靈敏度高且功率損耗低。CS5463功率測量芯片由兩個24 位高速ADC、1 個電能轉換頻率器、1 個計算功率器、一個串行接口組成。它能夠測量高精度的瞬時電壓、電流以及功率，自帶溫度傳感器，可以實行系統(tǒng)校準。CS5463與STC15F2K60S2 的連接電路圖如圖4所示。

圖4 CS5463B 傳感器模塊與STC15F2K60S2 的連接電路圖

■2.4 無線通信模塊

本設計的無線數據傳輸器選用HC06，其模塊采用Blue2.0 技術，支持主從模式。本設計采用從機模式，通過AT 命令修改HC06 模塊通訊波特率，波特率范圍為1200~1382400。通過微控制器串口通信功能，TXD 端口連接P3.0 口引腳，藍牙發(fā)送數據，微控制器接收。RXD 端口連接P3.1 口引腳，藍牙接收數據，微控制器發(fā)送。其與STC15F2K60S2的連接電路圖如圖5 所示。

圖5 HC06 與STC15F2K60S2 的連接電路圖

■2.5 報警模塊

本設計報警電路選擇使用蜂鳴器實行聲報警。因為蜂鳴器發(fā)聲需較大的電流，須通過一個三極管電路實現電流的放大，然后微控制器對三極管基極輸出高低電平來控制完成聲報警。當檢測到電壓、電流和溫度超過安全范圍時，單片機管腳置低電平，蜂鳴器報警。三極管基級串行一個電阻與P2.4 口引腳相連，為控制器輸出高低電平控制報警。其與STC15F2K60S2 的連接電路圖如圖6 所示。

圖6 蜂鳴器與STC15F2K60S2 的連接電路圖

■2.6 繼電器模塊

繼電器電路采用繼電器和發(fā)光二極管。三極管基極串行一個電阻與P3.5 口引腳相連，繼電器導通或關閉受微控制器輸出高低電平控制。LED 端口與P1.6 口引腳相連，微控制器輸出高低電平控制二極管亮滅。其與STC15F2K60S2的連接電路圖如圖7 所示。當繼電器模塊接上電源時，電源和地之間的D3 發(fā)光二極管發(fā)光，模塊電源接通。

圖7 繼電器與STC15F2K60S2 的連接電路圖

■2.7 電源模塊

本設計電源模塊采用PM01。PM01 模塊為AC-DC 隔離開關電源，輸出穩(wěn)定5V 電壓功耗低，功耗低，綠色環(huán)保，空載損耗<0.1W。+Vo 與VCC 口相連，-Vo 與GND 相連，給單片機提供電源。其與STC15F2K60S2 的連接電路圖如圖8 所示。

圖8 PM01 與STC15F2K60S2 的連接電路圖

3 系統(tǒng)軟件設計

多功能插座的軟件設計包含微控制器程序編寫、Android 編程軟件的介紹和Android 手機軟件編寫，選擇使用采用自低向上，逐步整合的設計方法。

■3.1 微控制器程序編寫

本設計必要讀取多個物理量數據，包含功率、電壓、電流和溫度信號，微控制器通過利用模擬SPI 通信協(xié)議從傳感器CS5463 電能計量模塊中讀取數據，再通過OLED 顯示屏顯示。DS1302 時鐘模塊，第一次使用時首先關閉寫保護，向其寫入實時時鐘數據，然后打開寫保護，防止初始時間數據改變，再讀取DS1302 時鐘信息并顯示。報警模塊，通過比較所讀取信息和閾值大小，進行報警，并關閉繼電器。在主程序外有一個串口通信中斷，它會查看上位機是否發(fā)送信息，接收信息后，單片機直接控制繼電器開關，或者定時控制繼電器開關。微控制器程序結構框圖如圖9 所示。

圖9 微控制器程序結構框圖

■3.2 Android 編程軟件

本設計選用了一款國內安卓軟件E4A 易安卓，它是基于安卓系統(tǒng)下的應用程序開發(fā)的編程語言。易安卓軟件界面簡練，操作便捷，功能強大，提供的安卓APP 代碼編寫語言通過簡單的學習便可以使用。易安卓軟件界面如圖10 所示，代碼編程區(qū)如圖11 所示。

圖10 E4A 軟件界面圖

圖11 代碼編程區(qū)圖

■3.3 Android 手機程序設計

本設計中Android 手機發(fā)送數據、微控制器令串口接收數據均通過藍牙模塊進行。用戶通過設計界面按鈕先實現與藍牙相關函數間的連接，再進行數據傳輸，從而控制單片機系統(tǒng)，Android 手機程序結構框圖如圖12所示，由主窗口函數、搜索藍牙設備子函數、連接藍牙設備子函數、直接控制子函數和定時設置子函數構成。

圖12 Android 手機程序結構框圖

4 系統(tǒng)測試與分析

首先進行單片機系統(tǒng)上電，觀察到電源模塊和3.3 V 降壓模塊指示燈發(fā)光。接著OLED12864 模塊在系統(tǒng)啟動完成后，會循環(huán)顯示電能、時間和溫度信息。插上試驗電器，觀察電壓、電流和功率變化。藍牙HC06 模塊安裝后，其燈光一直閃爍，當與上位機連接成功時，燈光停止閃爍，保持常亮狀態(tài)。繼電器模塊的控制指示燈和插座指示燈最初為熄滅狀態(tài)，當上位機發(fā)送數據使繼電器導通時，這兩盞指示燈均發(fā)光。蜂鳴器模塊在比較電能、溫度信息和閾值后，超出安全范圍時發(fā)出報警聲，并關閉繼電器模塊，熄滅兩盞指示燈。單片機系統(tǒng)調試結果圖如圖13 所示。

圖13 單片機系統(tǒng)聯合調試時的結果圖

單片機系統(tǒng)聯合調試后，開始上位機與單片機的結合調節(jié)。點擊多功能插座APP，若未啟動藍牙，界面會彈出是否啟動藍牙的選擇框，點擊確定后，藍牙啟動，點擊搜索設備按鈕，列表會出現附近藍牙設備名稱，點擊需要連接藍牙設備，若連接成功，左上角會顯示已連接該設備，其右側按鈕會變?yōu)椤皵嚅_連接”。本插座系統(tǒng)藍牙名稱：Socket，密碼：8888，當初次連接設備時，需要輸入密碼。然后點擊按鈕直接控制下位機，觀察插座指示燈是否點亮或者熄滅，點亮即繼電器導通。點擊設置時間，選擇定時時間；點擊開關按鈕，確定定時開關。再點擊發(fā)送按鈕，發(fā)送定時信息，觀察達到定時時間時，插座指示燈是否點亮或者熄滅。多功能插座系統(tǒng)調試結果圖如圖14 所示。

圖14 多功能插座系統(tǒng)聯合調試時結果圖

5 結束語

本文設計的基于單片機的多功能插座，可以對功率、電壓、電流和溫度信號實時收集監(jiān)測，OLED 顯示屏進行顯示。當監(jiān)測值超過安全范圍時，會停止插座供電。同時，用戶可以通過手機藍牙對插座進行控制，以此間接控制家用電器的供電開關或者定時開關電源，解決了由于過載、線路老化導致的安全隱患，實現了能源的有效利用，作為智能家居產品研發(fā)的伴隨產物，對智能家居的發(fā)展也有著重要的意義。