多功能智能插座的应用与设计

课程设计报告（嵌入式课程设计）题目：多功能智能插座设计学生姓名（学号）：课程院（系）：指导老师姓名：职称/学位：指导老师所在单位：完成时间：年月多功能智能插座设计报告摘要:智能家居是物联网的主要应用之一，它将实现家居的智能化和信息化。智能插座是智能家居的重要组成部分，它具有供电远程控制、用电状态监测、通信组网等功能，目前市场上的智能插座功能还达不到智能家居系统的要求，因此我们需要设计出新型智能插座。我们设计的智能插座主要利用arduino单片机及esp8266串口WIFI等模块，不仅可以做到传统的过载保护，供电定时预约还可以利用微信平台与家用电器实现交互控制，实现远程遥控，借助微信平台还可实现社交物联网，该产品随着智能家居系统的推广，将拥有良好的市场前景。本文首先介绍了传统的几种智能插座及其功能，并提出了一种新型的智能插座设计方案。从其系统设计方案上介绍了其功能以及其组成部分，并分硬件和软件部分详细的介绍了多功能智能插座的设计方案。关键字：智能插座；arduino；esp8266串口wifi；蓝牙目录1引言............................................................12智能插座发展现状................................................13系统设计方案....................................................23.1智能插座的功能................................................23.2智能插座设计实现..............................................34硬件设计方案....................................................34.1单片机的选择与简介............................................44.1.1相关参数....................................................44.1.2供电方式....................................................44.1.3输入输出口简介..............................................54.2ESP8266串口WIFI模块简介......................................54.3HC05蓝牙模块简介..............................................64.4按键电路......................................................75软件设计方案....................................................75.1程序分析......................................................85.1.1延时程序的设计..............................................85.1.2按键部分....................................................95.1.3按键扫描部分................................................95.1.4继电器的开关控制...........................................105.1.5红外传感器障碍物检测.......................................115.2软件调试.....................................................116小结...........................................................1211引言智能插座的未来发展是成为智能家居的组成部分智能家居是物联网的重要应用，它将融合自动化控制系统、计算机网络系统和网络通讯技术于一体，将各种家庭设备如家电设备、照明系统、安防系统、网络家电等通过智能家庭网络联网实现自动化。本文介绍了多功能智能插座的功能和设计方法，它具有智能控制、本地监测、通信组网等多种功能，将满足智能家居系统和物联网的发展需求。智能插座的应用不能单一实现，它必须与智能家居系统相配套，并在系统中发挥作用。随着智能家居系统的快速发展，智能插座的应用将越来越广泛。市场现有的绝大多数插座不具备任何智能功能，极少所谓的智能插座，也只具备定时开关功能，无法对非正常状况进行监测与断电控制，不具备真正的智能功能，并且价格昂贵现有的插座已经不能适应各方面的需要，多功能的智能插座有着强大的市场需求。为此，本文研究了一种以arduino单片机为信息处理核心的多功能智能插座，这种插座具有过流过压保护、定时开通、定时关断、远程控制及电量监控远程查询等功能。2智能插座发展现状传统的电源插座功能仅是分配多路电源，而智能插座除具备该功能外，还具有智能化的特点，普通插座和智能插座从外形到功能均有较大不同，如图一所示为智能插座与普通插座的对比图。智能插座普通插座图一：智能插座与普通插座对比图目前市场上已经出现了多种不同功能的智能插座，2主要可以分为以下几类：（1）漏电保护型智能插座。该类插座具有漏电保护、超限断电等功能，当发现超过一定幅值的电流未与零线构成回路，认为漏电并立刻切断供电，同时在输入电压过高、用电负荷异常时可自动切断电源，保护电器。（2）定时型智能插座。该类插座主要为用户分时用电而设计。例如在电价便宜时启动电热水器、洗衣机等工作，从而节约电费。该类插座一般具有时钟功能，可对插座中的每一个插口进行编程，控制电源定时开断。（3）主路控制型智能插座。该类型插座一般有一个主路，其它为辅路。如电脑主机断电后，判断出该主路无电流，则切断整个插座的电源，这样当电脑关机后，可以将辅路上的其他设备如显示器、音箱等也进行断电，从而减少待机功耗，提高用电安全性。（4）遥控型智能插座。插座中的每一路都可以由无线遥控器进行远程控制，该类插座一般需要同时配一个无线遥控器，通信方式一般为红外或小无线，也可声控。（5）计量型智能插座。这类插座的功能类似于单相多功能电表，它可以计量插座中用电设备的电压、电流、功率、电能值等。该类插座一般配有按键和LCD屏，也可将数据传送到电脑上，分析设备的用电情况。图1中的智能插座即为此类。由以上几类智能插座的分析可以得知，智能插座内部均集成了微处理器芯片，可进行智能处理，但目前的智能插座设计以提供单一的保护、监测或控制为主，产品功能较为单一，很难实现信息化和远程控制，还无法达到智能家居系统的应用要求。3系统设计方案3.1智能插座的功能为满足智能家居系统的需求，我们需要设计出新型的智能插座，其必须具有智能化、信息化的特点，除具有电源分配功能外，还应该具备以下功能：（1）过载及漏电保护功能。当用电器超出预设阈值时，自动切断电源，以实现对家用电器及线路的保护。（2）定时预约功能。可利用按键输入定时时间，使智能插座在某一时间节点时打开或关闭电源。如：利用按键设置开电源定时时间3小时，关电源定时时间4小时，则在设置定时3小时之后主控器会自动控制开继电器，在设置定时4小时后，主控器会自动控制关继电器，以实现供电的定时预约功能。（3）远程控制功能。结合蓝牙，串口WIFI等通信模块实现近距离或远距离的自动化控制，实现远程实时打开或关闭家用电器。通过开发与微信平台的接口，3无论你身在何方，利用微信公众号输入指令即可完成对家用电器设备的控制。（4）用电量监测功能，可实现实时远程查看在某一时间节点后的耗电量及当前设备的功率。可在微信公众好号中输入对应的指令，完成对相关信息的查询。3.2智能插座设计实现如下图(2)所示，我们设计的智能插座由以下几个部分构成：主控制器通信模块按键电路信号检测模块传感器模块继电器控制部分图2智能插座系统结构图(1)主控制器：主控制器主要由一片arduino单片机构成，是整个智能插座的核心，负责整个系统的测量、控制、通信、管理，arduino单片机是一款开源的8bit处理器，兼容性比较强，开发难度较为容易，因此在本课程设计中以arduino单片机作为核心芯片。(2)通信模块：智能插座通过无线通信模块与主控制器进行数据交互，我们设计的智能插座利用esp8266串口WIFI模块以及蓝牙模块作为通信模块，实现远程控制插座的通断电以及将主控器采集的功率等数值传上互联网实现，利用微信公众好可查看相关数据以及完成家电设备的控制。(3)按键电路：采用单按键的输入方式触发外部中断,用于开启定时模式，以及完成定时时间的设定。(4)信号检测模块：输入的电压、电流强电信号先通过分压电阻、锰铜片等转换为弱电信号，再输入给专用的计量芯片，如ATT7022B，其内部具有A/D转换、数字运算电路，可自动完成多路电压电流有效值、功率等计算，生成的数据由MCU抄取后处理。(5)传感器模块：由于本系统中很多模块都会耗电，在无人使用时可关掉总电源，因此可用主动式红外模块监测智能插座是否有人使用，若无人使用，则关掉电源，已达到节电的目的。(6)继电器模块：继电器是利用单片机高低电平控制插座通断电的桥梁，可实现小电压控制大电压。4硬件设计方案负载继电器模块信号测量传感器按键电路通信模块UART主控制器44.1单片机的选择与简介如下图所示为本课程设计所使用arduino单片机的实物图，arduino单片机版本众多，本课程设计使用的是arduinoUNO，下面对arduinoUNO进行简单介绍。图3arduino单品机实物图4.1.1相关参数处理器ATmega328工作电压5V输入电压（推荐）7-12V输入电压（范围）6-20V数字IO脚14(其中6路作为PWM输出）模拟输入脚6IO脚直流电流40mA3.3V脚直流电流50mAFlashMemory32KB（ATmega328，其中0.5KB用于Bootloader）SRAM2KB（ATmega328）EEPROM1KB（ATmega328）工作时钟16MHz4.1.2供电方式ArduinoUNO可以通过3种方式供电，而且能自动选择供电方式外部直流电源通过电源插座供电。电池连接电源连接器的GND和VIN引脚。USB接口直接供电。电源引脚说明VIN---当外部直流电源接入电源插座时，可以通过VIN向外部供电；也可以通过引脚向UNO直接供电；VIN有电时将忽略从USB或者其他引脚接入的电源。55V---通过稳压器或USB的5V电压，为UNO上的5V芯片供电。3.3V---通过稳压器产生的3.3V电压，最大驱动电流50mA。GND---地脚。4.1.3输入输出口简介14路数字输入输出口：工作电压为5V，每一路能输出和接入的最大电流为40mA。每一路配置了20-50K欧姆内部上拉电阻（默认不连接)。除此之外，有些引脚有特定的功能：串口信号RX（0号）、TX（1号）:与内部ATmega8U2USB-to-TTL芯片相连，提供TTL电压水平的串口接收信号。外部中断（2号和3号）：触发中断引脚，可设成上升沿、下降沿或同时触发。脉冲宽度调制PWM（3、5、6、9、10、11）：提供6路8位PWM输出。SPI（10(SS)，11(MOSI)，12(MISO)，13(SCK)）：SPI通信接口。LED（13号）：Arduino专门用于测试LED的保留接口，输出为高时点亮LED，反之输出为低时LED熄灭。6路模拟输入A0到A5：每一路具有10位的分辨率（即输入有1024个