智能无线控制插线板的设计

2020-08-19 06:47石雨婷徐逸刘芸芸张俊
电脑知识与技术 2020年19期

石雨婷 徐逸 刘芸芸 张俊

摘要:设计了基于LPC单片机及无线通信技术的智能无线控制插线板,能够对电能实时监控;通过蓝牙上传和发送控制指令,单片机接收和处理指令来实现对电源的通断控制;相对于市面上其他智能插线板,具有控制器选型更加新型可靠、操作更加方便、系统更加节能等优点;实际操作中,用户可使用手机APP实时监控插线板。

关键词:插线板;LPC;蓝牙通讯;无线控制

中图分类号:TP271.9 文献标识码:A

文章编号:1009-3044(2020)19-0042-02

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

插线板是人们生活中必不可少的消费类电子产品,它能够为大量的用电设施提供灵活的供电位置,目前各种智能用电设备在没关电源的情况下一直是低功耗待机模式,这在方便人们生活的同时也造成了电能的浪费。针对这个问题,本项目设计出了智能无线控制插线板——它可以对用电设备进行全面的监控,也可以使用手机控制插线板的耗损模式,还比普通插线板更加节能。用户在使用过程中可以通过手机控制插座电源的接通和关断,从而达到节约能源、方便人们生活的目的。

1 总设计方案

该智能无线控制插线板主要由五部分组成:电源、电能计量模块、继电器、蓝牙、主控制器。智能插线板工作原理:由用户向APP发送控制信息,控制信息通过手机蓝牙、插线板的蓝牙、最终到达单片机。单片机将接收的控制信息经过程序处理后,相应管脚输出高,低电平控制继电器动作,继电器断开,连接插座端,继而控制插座电源的通断,由此达到无线控制用电设备电源通断的目的。

电能计量模块实时检测电量参数,数据参数将通过电能计量模块到单片机,再由蓝牙到手机端,从而达到手机端实时监控的目的,因此用户可以随时查看用电器耗电情况。

2 硬件电路设计

如图1,设计中LPC11U48、蓝牙及继电器电路的电源均由电源模块提供。

2.1 电源模块

如图2所示,电源由电网供能,将220V交流电经电力电子器件(IGBT)转换成低压交流电,再经电桥将波形整流为正弦半波,接着使用电解电容和瓷片电容滤低高频信号,利用三端集成稳压技术,使用7805和1117输出5v和3.3V直流电压。电路具有输入电压范围宽、可以交直流两用、超小体积、输出电压稳定、高精度等优点。

2.2 蓝牙模块

蓝牙是单片机与手机APP( BLE安卓串口助手)交换数据的通道,用户通过HC-COM APP发送指令。

如表2所示,设计选用HC-08蓝牙模块,模块上引出了VCC,GND,TXD和RXD四根管脚。主从连上以后就相当于一根串口线使用,不分主从,即透传模式。蓝牙配对成功后,连接串口就相当于一个普通的串口,波特率默认设置为9600,数据位8位,停止位l位,工作模式为从机。

TXD端接收到控制信息后,控制信息将由TXD端发送给单片机,单片机从低功耗模式中被唤醒,经过程序运行,单片机将相应端口置高,低电平,继电器模块线圈吸引,释放开关使用电器插孔通电状况改变,实现了用手机控制插孔电源的开通。值得一提的是,手机控制插孔电源关断时,单片机与蓝牙模块均处于低功耗模式,此功能使智能无线控制插线板更加的节能。

2.3 电能计量模块

电能计量模块对用电器进行耗能统计与计算。

如图3,电能计量模块选用IM1253B AC直入式。IM1253BAC可测量40-65HZ的交流电压、电流、功率、功率因数、频率以及直流的电压、电流、功率。在电路中,电能计量模块由电源模块供电,对插线板的电量实时监测采集,并将得到的电压、电流、功率等数据参数通过UART口传送给LPCIIU48。单片机通过软件程序将数据信息分析出来并保存到存储器中,同时将数据信息发送到手机端,实现用电状况实时监视。

2.4 继电器

继电器在电路中起开关作用。

本设计选用的继电器工作电压为5v,常开接口最大负载为:交流250V/IOA,直流30V/IOA(可带负载较大,智能无线插线板适用于一般功率的家电)。

如图4,继电器的工作原理:线圈通电或断电使开关动作,由此来控制插孔电源。在实际操作中,因为线圈相当于一个电感,断电之后不会立即失电,会有一个放电过程,这一过程可能会烧坏单片机。为解决这一问题,本设计决定使用外部电路来消耗回流,电路原理为:使用续流二极管来消耗线圈的回流,三极管来防止回流损伤单片机。

3 软件设计

程序的流程如图5所示,设计总体程序由以下子程序和定义构成:定义蓝牙与继电器的名称、输入/出10口、继电器状态、蓝牙接收,发送数据的长度、定时器时间,子程序有初始化、系统时钟的配置、检测蓝牙连接状态、分析和处理蓝牙数据以及许多中断程序。下面详细的解说程序运行的流程。

程序运行时,须进行系统初始化及板子初始化。初始化程序主要分为三个部分:系统核心时钟、板子、UARTI和10口以及各定时器初始化。初始化完成之后,首先读取上一次继电器的状态、设置插孔状态。接下来检测单片机与手机能否正常通信,具体操作为:单片机发送一段数据,如果这时蓝牙与单片机连接成功,APP将接收到一段数据。如果单片机与蓝牙连接不成功,APP将不会有任何反应。

单片机与手机正常通信之后,运行相关程序,使用定时器倒计时来控制每个功能函数在程序循环周期中执行的频率。比如蓝牙数据处理子函数中,一旦定时器计时到0,通过寄存器获得此时蓝牙的状态,板子上的led灯将根据STATE端的状态来改变颜色,对蓝牙的数据进行相应处理。处理蓝牙数据时,相应定时器到0,单片机从缓冲区接收复制数据,最后继电器执行相应动作。

控制继电器:假设继电器之前的状态为连接,相关定时器到零,因为继电器之前状态为连接,所以这时板子上LED灯变换成亮色,寄存器当前状态置1,这种情况下用户看不到插线板状态改变。相反,继电器之前的状态为断开时,板子上LED灯颜色不会变化,寄存器当前状态置0。

控制插孔电源开断的有效指令:KZB,指令为打开最左边端口的插座电源。KZJ,打开中间的插座电源。KYB,为打开右边的插座电源。GZB,为关上左边的插座电源,GZJ,为关上中间的插座电源,GYB,为关上右边的插座电源。

定时:插线板总电源在规定时间关闭,定时功能的指令是t,后面加上自己想定的时间,这里的时间统一以小时为单位,小时数为1,2,3_向上遞增,上限为99。软件设计流程如图所示。

4 结束语

本设计的智能插线板使我们在生活中更加方便地使用插线板、省去了传统的手动遥控器、按键等辅助工具、大大减少了不必要的能耗,也适用于各种电源端口,电能损耗低,经济实用。现在市面上有出现的很多电子产品出现了共享设施,如共享电瓶车的充电端口、小区的智能公共停车场所等,这些场所的各充电端口一般带电并且不会有人去关闭,这就造成了很大的电能浪费,本设计应用于这些场合不仅仅会节省电能,也会使用电更加安全,同时公共电源伤人机率也会大大降低。但是,目前设计也还不完善,比如硬件电路占位过大、插线板插孔不能全部使用等,在产品后续改进中,控制部分要做的更加灵活小巧,去适应各种型号的插线板。

参考文献:

[1]刘雨佳,漆梓渊,徐明坤,蔡琴,等.一种基于Arduino Nano单片机的智能插座设计[J].计算机产品与流通,2019(3):176-177.

[2]刘诗涵,齐胜男,王全山.基于蓝牙技术的智能插座设计[J].中国科技信息,2018(10):47-49.

[3]周奇,苏绚,何政伟,计算机网络技术[D].北京:清华大学出版社,2018.

[4]沈新锋,基于蓝牙和网络的智能插座控制系统[J].山东工业技术,2014(20):132.

【通联编辑:王力】

基金项目:国家级大学生创新创业训练计划项目(编号:201910959057)

作者简介:石雨婷(1999-),女,安徽蚌埠人,学生,本科.主要研究方向:电子电气工程、自动化。