基于單片機無線控制的智能插座設計

樊戰亭 FAN Zhan-ting

（咸陽師范學院，咸陽 712000）

0 引言

插座用以給供電設備進行供電，在日常生產、生活中廣泛應用。插座給手機、電動自行車等充電型用電設備供電時，如果在充電型用電設備中電池充滿后沒有及時把充電器從普通插座上拿開，相應用電設備中的電池就會過度充電，就降低了充電型用電設備中電池壽命同時也浪費了寶貴的電能。使用插座給電餅鐺等較大功率電加熱家用電器供電時，如果沒有及時關掉電源時，不僅浪費電能，而且電加熱器中元件就可能因發熱量過大產生損壞甚至起火，出現巨大的安全隱患。普通的插座經過人們日常使用中的多次插拔，插座中的部分彈簧片會松動，接線口也會出現破損的現象，甚至有明顯的裸露電線在外面。插座在人們移動或者使用的過程中會加速老化，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充電型用電設備中電池過充、電加熱設備用電安全和用電設備使用中電能浪費等問題，有效提升插座自身安全性、可靠性及壽命，本文設計了一種基于主單片機、從單片機的無線控制智能插座，能夠根據用電設備與插座的接通或者斷開需要，由主單片機設定指定插座單元接通時間及斷開時間，并通過無線通信芯片把相應的信息發送給從單片機。從單片機利用無線通信芯片接收指定插座單元的接通開始時間和斷開時間信號，控制繼電器實現指定插座單元與交流電源和用電設備之間的接通和關斷，實現插座接通、斷開的時間智能控制。完成插座接通、斷開時間控制，可以實現對充電型用電設備電池充電時間長度的智能控制，可以有效提高用電設備電池的壽命及節約電能。實現插座接通、斷開時間控制，也可以對大功率電加熱設備通電時間進行精確控制，消除了長時間過度加熱可能起火的安全隱患，同時也能大大減少電能浪費；智能插座通過控制繼電器（電子開關）控制指定插座單元接通、斷開，有效地避免了手動插拔插座產生的插座彈簧片松動等不利因素，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計、硬件設計、軟件設計論述智能插座的設計。

1 智能插座總體設計

智能插座系統總體框圖如圖1所示，智能插座系統包括主、從兩個單片機控制部分。主單片機控制部分主要包括電源、按鍵輸入、時鐘模塊、無線發射模塊和液晶顯示模塊，其中主單片機控制部分的電源包括主單片機供電電源、無線發射供電電源兩部分；按鍵部分用來對智能插座指定單元開始接通時間、斷開時間進行按鍵設定；無線發射模塊主要發送智能插座指定單元開始接通時間及關斷時間信號；時鐘模塊通過主單片機可以讀取具體的走時時間；液晶顯示用來顯示智能插座指定單元設定的接通時間、關斷時間。從單片機控制部分主要包括電源、無線接收模塊、多個繼電器模塊，其中從單片機控制部分電源包括從單片機供電電源、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無線發射模塊發送的智能插座指定單元開始接通時間及關斷時間信號；繼電器模塊根據無線接收模塊接收指定插座單元接通或者關斷信號來進行接通或斷開指定插座相連的用電設備，實現智能插座的時間控制功能。

圖1 智能插座系統總體框圖

智能插座運行主要步驟：主單片機控制部分首先通過按鍵設定插座指定單元開始接通時間、斷開時間，并通過液晶顯示單元顯示指定插座單元接通時間和斷開時間；主單片機通過時鐘模塊確定指定單元接通時間達到后，利用無線發射模塊發出指定插座單元的接通信號，主單片機通過時鐘模塊確定斷電時間到達后，通過無線發射模塊發出指定插座單元的斷開信號。從單片機通過無線接收模塊接收到主單片機發出的無線發射的開通、關斷信息，控制相應的繼電器模塊實現對智能插座指定插座單元的開通時間、斷開時間控制，完成交流電源和用電設備通電開始時間、結束時間的控制。如果主單片機設定多個插座單元開通時間、關斷時間，就可以同時實現對多臺用電設備不同開通時間、關斷時間的控制，有效提高智能插座的對不同用電設備接通時間、關斷時間控制功能。

2 智能插座硬件設計

智能插座硬件設計主要包括主單片機硬件電路、從單片機硬件電路兩部分。

2.1 主單片機硬件電路

智能插座主單片機硬件電路結構圖如圖2所示，主要包括主單片機STC89C52、時鐘模塊DYS8100、無線發射模塊NRF24L01、液晶顯示模塊LCD12864和12V鋰電池等主要部分。

圖2 主單片機硬件電路結構圖

主單片機選用我國宏晶公司生產的STC89C52單片機，其特點單片機自身帶有AD、PWM等豐富的外設，能夠提升單片機的性能；價格低，可以很好地降低成本。

NRF24L01是挪威Nordic公司研發的一款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單片機直接相連，同時最多支持六路通道的數據接收，具有125個頻點，能夠滿足多點通信和調頻通信需要。NRF24L01模塊本身體積很小便于結構設計，在兩個NRF24L01之間的通信，任何一個模塊都可以設置為接收或者發送模式，可由主控單片機隨時根據需要設置為發送或接收模式。NRF24L01通信模塊必須兩兩配對使用，滿足三個條件便可以通信成功，第一發射和接收的頻道相同；第二發射和接收的地址相同；第三每次發送和接受的字節數目相同。配置成發送模式后，用單片機把要發送的數據寫進去，它就會自動把數據發出去；配置成接收模式后，單片機通過觀察它的IRQ引腳，就可以知道是否接收到了數據，單片機可以通過SPI口把接收到數據取出來。

DYS8100模塊是8025T時鐘芯片和LM75溫度芯片兩個芯片的集合體。8025T時鐘芯片內部集成了32.768kHz的晶振可以進行精準的走時并讓其不受外界影響，可以使用紐扣電池進行供電，支持系統掉電走時，它是I2C驅動的方式，應用它來進行時間的處理。LM75溫度芯片是一個兩線的串行溫度傳感器。能夠編程設計在溫度超出的時候進行報警。采用的DYS8100模塊為這上述兩個模塊的集合產品，單片機采用I2C總線驅動模式讀取時間和溫度。

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，內部含有國際一級、二級簡體中文字庫的圖形點陣液晶模塊。該型號液晶模塊具有接口方式簡單，指令操作便捷的特點，可構成中文人機交互圖形界面。

主單片機硬件部分工作步驟：首先主單片機通過按鍵設置智能插座指定單元接通時間、斷開時間，同時在液晶顯示模塊LCD12864進行顯示。主ST89C52單片機通過DYS8100模塊檢測開始接通時間達到后，通過無線模塊NRF24L01（配置成發送模式）給從單片機配對的無線接收模塊發出插座接通命令；如果主單片機通過DYS8100模塊檢測斷開時間達到后，就利用無線模塊NRF24L01（發送模式）給從單片機配對的無線接收系統發出插座斷開的命令，從而控制智能插座指定單元（插孔）的接通和斷開時間，實現對智能插座指定單元（插孔）通電開始時間、通電時長的控制。主單片機電路主要實現智能插座指定插孔接通、關斷時間的設定及相應命令的傳送，為了節省電能同時及時發送無線傳送指令，主單片機硬件供電系統采用12V鋰電池進行供電，把12V直流電通過穩壓模塊轉換為5V直流電給單片機和LCD12864模塊供電；5V直流電繼續再轉換為3.3V直流電給無線通信模塊NRT24L01供電。

2.2 從單片機硬件電路

從單片機硬件電路結構圖如圖3所示，智能插座從單片機硬件電路主要包括從單片機STC89C52、無線接收模塊NRF24L01、繼電器驅動模塊ULN2003、繼電器等主要部分。

圖3 從單片機硬件電路結構圖

從單片機同樣選用STC89C52單片機。從單片機STC89C52處理無線接收模塊NRF24L01（設置為接收模式）接收的指定插座單元接通或者斷開的無線信息，利用繼電器驅動模塊ULN2003控制繼電器線圈電流接通或者斷開，實現指定插座單元插孔的接通或者斷開用電設備與220V交流電源的連接，實現對用電設備供電的接通或者斷開功能。

從單片機硬件電路要直接通過智能插座控制220V交流電源與用電設備接通或者斷開，從單片機硬件電路的供電采用220V交流電源進行供電，220V交流電源直接給插座供電。把220V交流電進行整流、穩壓后轉換為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直流電繼續通過電壓轉換及穩壓模塊轉換為5V直流電給從單片機STC89C52供電，5V直流電繼續再轉換為3.3V直流電給無線接收通信模塊NRF24L01供電。

3 智能插座軟件設計

智能插座軟件設計是智能插座系統的關鍵，也是各個功能實現的必要手段，程序主要利用Keil軟件集成環境采用C語言進行編寫。

3.1 軟件編譯環境搭建

Keil軟件集成環境有兩種，一種是為傳統的51單片機編程使用，另一種是為ARM結構的單片機進行使用。在Keil軟件中新建項目時候沒有宏晶公司的STC單片機型號選型，可以使用ATMEL公司的單片機進行代替，因為在結構上它們兩個是相同的。進行軟件設計時先分別編寫好主單片機、從單片機的控制程序，在Keil軟件集成環境中獨立進行編輯、修改、調試、運行等操作，把調試成功的主單片機控制程序、從單片機控制程序編譯成二進制文件，分別通過下載軟件下載到主單片機和從單片機存儲器中。STC-ISP是宏晶公司為旗下的單片機下載程序所開發的一款軟件，同時具備串口功能以及單片機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制文件下載到單片機中。

3.2 軟件主流程圖

智能插座的控制軟件必須與主單片機、從單片機硬件電路配合執行才能完成相應的控制功能。智能插座控制軟件開始要對主單片機、從單片機相應的I/O端口等進行初始化，主單片機根據輸入端口按鍵確定智能插座指定單元的接通時間、關斷時間，并在LCD12864液晶模塊進行顯示；主單片機判定時鐘芯片時間大于等于接通設定時間發出相應的無線接通信號，主單片機判定時鐘芯片時間大于關斷設定時間發出相應的無線關斷信號；從單片機接收主單片機發送的接通或者關斷指令信號，通過控制對應的繼電器模塊完成對指定插座單元接通和關斷的控制。上述過程是智能插座單片機軟件控制運行的一個周期，不斷重復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 結束語

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