基于MSP430的智能插座设计

朱晓亮，赵玲娜

（无锡中微爱芯电子有限公司，江苏 无锡 214072）

基于MSP430的智能插座设计

朱晓亮，赵玲娜

（无锡中微爱芯电子有限公司，江苏 无锡 214072）

智能插座是新兴的电气产品，是物联网和智能家居的概念下伴随发展的产物。现有智能插座的功能基本围绕在手机端进行定时通电、断电操作，但这些功能还不能完全解决用户的实际问题。设计了智能插座实现对电子设备充电、功率因数测量比对和电能计量方面等功能，使得电子设备充电更加精确和安全。设计在发现低功率因数可淘汰的产品、儿童上网控制、宾馆计费插座等应用领域有较好的应用前景。

智能插座；Wi-Fi；MSP430；智能家居

1　引言

随着科技的发展，家庭中的各类电子产品越来越多，但经常出现电子产品长时间充电导致设备损坏的问题，各类低功率因数产品充斥市场，严重影响家庭内电网质量。为此本文设计了基于MSP430F2274处理器的智能插座，通过测量插座输出的瞬时电流和瞬时电压，再经过公式计算可得到电压有效值、电流有效值、实际消耗的电能、功率因数值、有功电能和无功电能等参数。智能插座通过这些参数可对插座的各项状态进行监控。该智能插座还将数据通过WiFi模块上传至Internet。用户可在电脑、手机和PAD上监控插座各项状态，并控制插座导通与关断。

2　基本原理

我国市电频率为50 Hz、220 V的正弦交流电。电流和电压有瞬时值、最大值、有效值。一般瞬时值用小写字母（如u、i等）表示，最大值用大写字母附有下标m字母表示（如Um、Im）。有效值用大写字母（U、I）表示。最大值与有效值的关系为：

有功功率又叫平均功率。交流电的瞬时功率不是一个恒定值，功率在一个周期内的平均值叫做有功功率，以字母P表示，单位为千瓦（kW）。

P=UI cosφ

电能是指电以各种形式做功的能量。家用电表一般计量有功电能：

1度电=1 kW×1 h

功率因数是电网上电压与电流之间的相位差φ的余弦值，用符号cosφ表示。 功率因数的测量可以通过电网频率f和相位差φ的时间t来计算。

每个家用设备的功率因数都有一个固定范围，劣质家用设备的功率因数普遍低于这个范围。本设计通过功率因数计量可分辨家用设备的质量。

表1　常用家电功率因数表

3　方案特点

3.1基于电流信号的充电控制策略

本特点主要保护电子产品（手机、Pad等）的充电过程。这些产品一般为锂电池。这种电池的充电过程一般分为涓流充电（低压预充）、恒流充电、恒压充电以及充电终止。现有的智能插座一般通过预估或设定充电时间来开通和关断插座，并不能检测充电情况。

本方案通过采集插座上流过的电流来判断充电状态。当插座上流过的电流从恒流充电时的几百毫安下降到充电终止时的几毫安时认定为充电结束，插座即刻关闭输出。

3.2低功率因数报警

功率因数低说明线路中无功功率过大，就有大量的无功电流在电源（发电机）与负载之间不停地作无益的循环。无功电流不能做功，但却在线路电阻中产生热量，消耗电能，同时也在输电线路和电源内阻上造成电压损失，使用户用电器上的电压得不到保证。故我们需要更多地关注家用电器的功率因数。

本方案通过采集瞬时电流和电压来计算功率因数并通过与大量相同设备的功率因数数据库进行对比。如果分析该设备是低功率因数设备，智能插座会向PC端或手机端发出警示信号。

3.3电能持续计算

本特点能够在用户设定的一段时间内对插座上的用电设备进行电能计算，并将数据上传至用户手机端。如监控儿童上网、宾馆计费插座等功能都可以通过本特点实现。

4　方案硬件组成

本方案共有5个模块：电源模块、信号处理模块、WiFi模块、控制模块和主控模块。220 V交流电通过电源模块产生其他模块所需要的3.3 V和5 V直流电源。交流电压通过电阻分压产生电压信号、交流电流通过采样电阻产生电流信号经过信号处理模块进行滤波、抬升处理后可供主控芯片进行AD采集。主控MSP430对瞬时电压和电流进行运算可得出有效电压、有效电流功率、电能和功率因数等参数。主控可以通过这些参数进行插座开通、关断处理，也可以通过WiFi模块将数据上传。

4.1电源模块

本方案电源部分使用AC-DC模块产生5 V电压，供信号处理模块和控制模块使用。5 V再通过LM1117产生3.3 V电源供主控模块和WiFi模块使用。整个电源模块精致小巧，功率适中，效率高，十分符合智能插座方案设计的要求。

4.2主控模块

本设计选用TI公司的16位低功耗单片机MSP430F2274作为主控。该单片机具有高主频、低功耗、外围功能丰富等特点。本方案使用芯片10位A/D采集瞬时电压、瞬时电流、电源电压和模块温度等信号，经过内部运算后，再通过内部UART模块将智能插座的各类信息传送到WiFi模块。该方案还通过外接32.768 kHz进行实时计时，可精准地计算插座耗电量。本方案使用部分端口进行多种模式选择，使该方案能够更好地适应各种运行场合。

图1　方案原理图

图2　系统框图

4.3信号处理模块

由于智能插座的空间比较紧凑，交流电压和电流信号采用非隔离式取样方式。电压信号通过电阻分压获取；电流信号直接获取采样电阻Rsen的电压。取样信号在硬件上保证最大峰峰值为Vref/2。信号处理模块使用运放构成的加法器将取样的信号抬高Vref/2。

信号处理模块输出的信号为0～Vref之间的正弦信号，供单片机进行AD采集。

4.4WiFi模块

ESP8266是一个完整且自成体系的WiFi网络解决方案，专为移动设备和物联网应用设计，可将用户的物理设备连接到WiFi无线网络上，进行互联网或局域网通信，实现联网功能。ESP8266硬件接口可支持UART、IIC等。本方案中通过UART与ESP8266进行通信。方案中的数据通过ESP8266的透传模式上传至路由器。

4.5控制模块

主控芯片通过一个普通输出端口控制继电器的开通和断开，进而控制插座与市电的连接和断开。这样本方案就可实现对插座的输出进行控制。

5　软件设计

智能插座软件包括自检、模块状态检测、数据采集、参数计算、Uart通讯5部分。

5.1自检

模块上电后，首先对基准电压进行检测，如果发现异常，则断开插座输出同时指示灯闪烁提醒。

5.2模块状态检测

模块状态检测主要内容为模块温度和模块供电检测。MSP430通过内部温度传感器模块进行智能插座温度监控，通过采集5 V分压后的电压进行模块电压监控。这两项状态监控都需要用到MSP430的AD模块，底层转换函数如下：

U16 ADC10_SingleChannelSingleConvert（U8 Channel）

｛

// ADC10控制寄存器设置

// 内核开启，启动内部基准，选择2.5V基准，设置采样保持时间

ADC10CTL0 = ADC10ON + REFON + REF2_5V + SHT0_2；

// 时钟源为内部震荡器， 出发信号来自采样定时器， 转换地址为ADC10MCTL4

A D C 1 0 C T L 1 = A D C 1 0 S S E L_0 + S H P + CSTARTADD_4；

// 转换通道设置

ADC10MCTL4 = SREF_1 + Channel；

// 参考电压：V+=Vref+，V-=AVssADC通道：Channel

// 启动转换

ADC10CTL0 |= ENC + ADC10SC；

// 转换使能开始转换

while（（ADC10IFG & ADC10CTL0） == 0）；

// 软件查询中断标志， 等待转换结束

_NOP（）；

Return ADC10MEM； //返回ad数据

｝

5.3数据采集

程序先根据模式端口获取标准的市电频率（如我国50 Hz，美国60 Hz）。按照我国50 Hz的市电频率设定采样周期为20 ms。一个采样周期内瞬时电压和瞬时电流交叉采集，并将采样数据分别保存至不同的数据BUF中。

5.4参数计算

函数在一个采样周期结束后将数据BUF中的数据进行过滤处理后获取峰峰值。程序通过峰峰值与有效值之间的公式：

进行计算就可得到电压和电流有效值。程序通过瞬时电压和瞬时电流的过零采样点的时间间隔计算出功率因数。这样就可以通过交流电的计算公式计算出所有的参数。如果数据出现异常或者数据与设定值相同时，程序将控制继电器开通或关断。程序还将结果传输至UART模块的BUF中。

5.5特殊功能模块

插座正在为电子设备充电时，程序中将时刻监控一个周期的电流有效值。根据锂电池在整个充电过程（涓流充电（低压预充）、恒流充电、恒压充电以及充电终止）中消耗的电流不同来区分充电状态。程序如果判断到电流有效值很长一段时间内低于阈值时即认为充电终止，切断插座输出。

图3　软件流程图

当插座正在为家用电器供电时，我们可以通过手机或PAD等设备将该家用电器的型号通过WiFi发送给智能插座。智能插座主控MSP430将通过内部保存的数据库进行比对，调取该家用电器的功率因数范围。通过一段时间内的采集和计算得出比较精准的功率因数。程序将该功率因数与对应的范围进行比较，并将比较后的结果反馈给手机或PAD端。若手机或PAD端发送计量电能的指令给智能插座后，MSP430将每隔一个小时发送一次电量数值；当然手机或PAD端也可以通过发送查询指令时刻进行查询。

5.6通讯模块

Uart模块通过AT指令与WiFi模块进行通讯。如需要连接至路由器，则可通过使用SendATCmd（"AT +CWJAP="MyRoute"，"12345678""）函数进行设置（其中“12345678”为密码）。

6　结果分析

本方案智能插座和手持式用电检测仪同时对飞利浦显示器（型号19S4L）进行功率因数监控，监控数据如图4。

由图可知本方案与专业的手持式用电检测仪在功率因数测量方面仅有3%左右的偏差，完全能够满足功率因数监控的要求。

图4　功率因数监控数据

7　结论

该智能插座对各类电子设备充电过程进行电流监控，最终达到电子设备充满电后切断电源的目标；低功率因数设备虽然不会导致电费的增加，但是对电网上其他设备依然存在影响，故本智能插座旨在提醒用户更多地关注电网健康。电能持续计算能够更好地监控用电设备的耗电情况，并能适时切断电源以节约能源。

［1］ 周金治，徐霞，赵海霞，著. 基于MSP430的嵌入式系统

［2］ 张新星，著. 基于Android手机的智能插座设计［J］. 2014.03.

［3］ 金逸超，孙力娟，王汝传，黄海平，著. 物联网环境下智能插座的设计［J］. 2010.9.

［4］ 喻菲，Jackie著. ESP8266用户手册［M］. 2014.9.

Design of Intelligent Socket Based on MSP430

ZHU Xiaoliang， ZHAO Lingna
（Wuxi i-CORE Electronics Co.，Ltd， Wuxi 214072， China）

Smart socket is a new electrical product， is the product of the development of the concept of the Internet of things and smart home.Nowadays the smart sockets can be basically used to switch on&off power，timing on&off operation via mobile terminal ，but these functions cannot fully solve users' practical problem .In this paper， the design of the smart socket to achieve the electronic device charging， power factor measurement and measurement of electric power， and other functions， making electronic devices more accurate and safe. The design of the low power factor can be out of the product， children access control， hotel billing and other applications in the field has a good application prospect.

smart socket； Wi-Fi； MSP430； smart home

TN402

A

1681-1070（2015）12-0043-05

朱晓亮（1989—），男，江苏无锡人，2011年毕业于江苏科技大学电气工程及自动化专业，助理工程师，主要从事MCU嵌入式方案开发工作。开发与应用（第1版）［M］. 2013.11.

2015-8-20