基于单片机的多功能插座设计

郭芷妍，胡立夫，史佳伟，刘雨珊

（沈阳航空航天大学 自动化学院，辽宁沈阳，110036）

0 引言

随着移动网络技术和无线数据传输技术的不断发展，智能家居逐渐火热起来，便捷了人们的生活。但随之而来也出现了如家用电器过载、内部线路老化引发大量火灾的问题，而插座作为根本的多通道配电组件能够实现家用电器的间接控制。因此本文提出了基于单片机的多功能插座设计方案，用户能够通过Android 手机控制插座，以此间接控制家用电器的供电开关或定时开关电源，对于能源的有效利用有着重要意义。而且，当插座检测到相连家用电器的电压或电流超出安全范围，或插座内部器件检测到温度超过安全范围时，会自动停止供电，同时蜂鸣器报警，避免发生火灾。

1 系统总体设计

基于单片机的多功能插座设计以STC15F2K60S2 芯片作为下位机的控制核心，通过CS5463 电能计量传感器对电压、电流、功率和温度等物理数据实行采集，通过时钟模块实时读取时间数据，采用蓝牙无线通信技术实现数据的传输，继电器模块控制电源的开关。单片机将不同模块的数据结合并处理和显示，达到无线控制，插座保护，蜂鸣器报警等功能。多功能插座硬件整体结构图如图1所示。软件部分由单片机软件和Android 手机APK 软件组成，软件程序由不同的子函数共同搭建，通过调用合理地结合在一起，实现各个功能。

图1 多功能插座硬件整体结构图

2 系统硬件电路设计

多功能插座的硬件电路部分包括微控制器模块、显示模块、传感器模块、无线通信模块、报警模块、继电器模块和电源模块共八个模块。

■2.1 微控制器模块

STC15F2K60S2 微控制器引脚与传统8051 单片机的最小应用系统兼容。本设计中，由于OLED 采用I2C 通信方式，因此利用它自带的普通I/O 口定义为I2C 通信协议中的两条总线。STC15F2K60S2 微控制器内部带有IRC 时钟，通过下载软件时调节晶振频率的方法选定内部IRC 时钟频率。STC15F2K60S2 单片机最小系统电路图如图2 所示。

图2 STC15F2K60S2 最小系统电路图

■2.2 显示模块

本设计显示器选用OLED 12864。在多功能插座使用时，难免会有大的加速度动作，这种情况下，相比LCD 显示屏，OLED12864 显示屏的抗震性能更优越。而且即使阳光直射，颜色也不会显弱。OLED12864 与STC15F2K60S2 的连接电路图如图3 所示。

图3 OLED12864 与STC15F2K60S2 的连接电路图

■2.3 传感器模块

本设计采用CS5463 传感器模块，它通过SPI 通信协议直接输出数字量的参数信息，使用方法简单，灵敏度高且功率损耗低。CS5463功率测量芯片由两个24 位高速ADC、1 个电能转换频率器、1 个计算功率器、一个串行接口组成。它能够测量高精度的瞬时电压、电流以及功率，自带温度传感器，可以实行系统校准。CS5463与STC15F2K60S2 的连接电路图如图4所示。

图4 CS5463B 传感器模块与STC15F2K60S2 的连接电路图

■2.4 无线通信模块

本设计的无线数据传输器选用HC06，其模块采用Blue2.0 技术，支持主从模式。本设计采用从机模式，通过AT 命令修改HC06 模块通讯波特率，波特率范围为1200~1382400。通过微控制器串口通信功能，TXD 端口连接P3.0 口引脚，蓝牙发送数据，微控制器接收。RXD 端口连接P3.1 口引脚，蓝牙接收数据，微控制器发送。其与STC15F2K60S2的连接电路图如图5 所示。

图5 HC06 与STC15F2K60S2 的连接电路图

■2.5 报警模块

本设计报警电路选择使用蜂鸣器实行声报警。因为蜂鸣器发声需较大的电流，须通过一个三极管电路实现电流的放大，然后微控制器对三极管基极输出高低电平来控制完成声报警。当检测到电压、电流和温度超过安全范围时，单片机管脚置低电平，蜂鸣器报警。三极管基级串行一个电阻与P2.4 口引脚相连，为控制器输出高低电平控制报警。其与STC15F2K60S2 的连接电路图如图6 所示。

图6 蜂鸣器与STC15F2K60S2 的连接电路图

■2.6 继电器模块

继电器电路采用继电器和发光二极管。三极管基极串行一个电阻与P3.5 口引脚相连，继电器导通或关闭受微控制器输出高低电平控制。LED 端口与P1.6 口引脚相连，微控制器输出高低电平控制二极管亮灭。其与STC15F2K60S2的连接电路图如图7 所示。当继电器模块接上电源时，电源和地之间的D3 发光二极管发光，模块电源接通。

图7 继电器与STC15F2K60S2 的连接电路图

■2.7 电源模块

本设计电源模块采用PM01。PM01 模块为AC-DC 隔离开关电源，输出稳定5V 电压功耗低，功耗低，绿色环保，空载损耗<0.1W。+Vo 与VCC 口相连，-Vo 与GND 相连，给单片机提供电源。其与STC15F2K60S2 的连接电路图如图8 所示。

图8 PM01 与STC15F2K60S2 的连接电路图

3 系统软件设计

多功能插座的软件设计包含微控制器程序编写、Android 编程软件的介绍和Android 手机软件编写，选择使用采用自低向上，逐步整合的设计方法。

■3.1 微控制器程序编写

本设计必要读取多个物理量数据，包含功率、电压、电流和温度信号，微控制器通过利用模拟SPI 通信协议从传感器CS5463 电能计量模块中读取数据，再通过OLED 显示屏显示。DS1302 时钟模块，第一次使用时首先关闭写保护，向其写入实时时钟数据，然后打开写保护，防止初始时间数据改变，再读取DS1302 时钟信息并显示。报警模块，通过比较所读取信息和阈值大小，进行报警，并关闭继电器。在主程序外有一个串口通信中断，它会查看上位机是否发送信息，接收信息后，单片机直接控制继电器开关，或者定时控制继电器开关。微控制器程序结构框图如图9 所示。

图9 微控制器程序结构框图

■3.2 Android 编程软件

本设计选用了一款国内安卓软件E4A 易安卓，它是基于安卓系统下的应用程序开发的编程语言。易安卓软件界面简练，操作便捷，功能强大，提供的安卓APP 代码编写语言通过简单的学习便可以使用。易安卓软件界面如图10 所示，代码编程区如图11 所示。

图10 E4A 软件界面图

图11 代码编程区图

■3.3 Android 手机程序设计

本设计中Android 手机发送数据、微控制器令串口接收数据均通过蓝牙模块进行。用户通过设计界面按钮先实现与蓝牙相关函数间的连接，再进行数据传输，从而控制单片机系统，Android 手机程序结构框图如图12所示，由主窗口函数、搜索蓝牙设备子函数、连接蓝牙设备子函数、直接控制子函数和定时设置子函数构成。

图12 Android 手机程序结构框图

4 系统测试与分析

首先进行单片机系统上电，观察到电源模块和3.3 V 降压模块指示灯发光。接着OLED12864 模块在系统启动完成后，会循环显示电能、时间和温度信息。插上试验电器，观察电压、电流和功率变化。蓝牙HC06 模块安装后，其灯光一直闪烁，当与上位机连接成功时，灯光停止闪烁，保持常亮状态。继电器模块的控制指示灯和插座指示灯最初为熄灭状态，当上位机发送数据使继电器导通时，这两盏指示灯均发光。蜂鸣器模块在比较电能、温度信息和阈值后，超出安全范围时发出报警声，并关闭继电器模块，熄灭两盏指示灯。单片机系统调试结果图如图13 所示。

图13 单片机系统联合调试时的结果图

单片机系统联合调试后，开始上位机与单片机的结合调节。点击多功能插座APP，若未启动蓝牙，界面会弹出是否启动蓝牙的选择框，点击确定后，蓝牙启动，点击搜索设备按钮，列表会出现附近蓝牙设备名称，点击需要连接蓝牙设备，若连接成功，左上角会显示已连接该设备，其右侧按钮会变为“断开连接”。本插座系统蓝牙名称：Socket，密码：8888，当初次连接设备时，需要输入密码。然后点击按钮直接控制下位机，观察插座指示灯是否点亮或者熄灭，点亮即继电器导通。点击设置时间，选择定时时间；点击开关按钮，确定定时开关。再点击发送按钮，发送定时信息，观察达到定时时间时，插座指示灯是否点亮或者熄灭。多功能插座系统调试结果图如图14 所示。

图14 多功能插座系统联合调试时结果图

5 结束语

本文设计的基于单片机的多功能插座，可以对功率、电压、电流和温度信号实时收集监测，OLED 显示屏进行显示。当监测值超过安全范围时，会停止插座供电。同时，用户可以通过手机蓝牙对插座进行控制，以此间接控制家用电器的供电开关或者定时开关电源，解决了由于过载、线路老化导致的安全隐患，实现了能源的有效利用，作为智能家居产品研发的伴随产物，对智能家居的发展也有着重要的意义。