基于PWM脉冲宽度调试的智能插座

丛义正 王立尧 孙吉祥 张洪旭 庄林桐

摘要：在当今社会节奏逐渐加快的阶段，可以想象在回家之前打开热水器或者空调等所带来的身心的愉悦。同时，家庭安防方面也是家具的重中之重。而智能插座在智能家电系统中起到关键作用，是不可缺少的一部分。所以本文基于PWM脉冲宽度调制设计一款高性能、低价位智能插座。本款智能插座是为了实现控制家用电气的开关和记录用户耗电量。照明监控智能插座增加了光强采集和PWM调控灯光功能。智能监控插座在监控电气的同时还可以对家庭安全进行监控。本文基于这种插座给出了硬件设计和软件设计方案。在本系统中，借用云平台进行手机APP的远程通信。通过手机APP监听云平台的服务器地址进行远程控制方便简单而不需要自己再另外搭建服务器。

关键词：PWM调控;智能插座;智能家电系统

1、引言

随着经济和科技的快速发展， 现在的家居不太具有智能化，操作起来也比较不方便。家庭灯光设计不合理，太强或者太暗都会伤害人的眼睛，是当今社会眼睛近视率增长的一个重要原因。随着经济社会的快速发展，社会电气化程度不断提高，人们对于电的依赖越来越强，使用电器的范围日益扩大，导致电气火灾事故频繁发生。其中，线路短路、插座接触不良是最常见的引发火灾的原因。针对于家用插座引起火灾的隐患，特设计一款智能插座。可通过手机APP或小程序对插座进行灯光亮度检测和插座状态监控。

2、智能插座发展背景

传统电源插座只有分配多只电路功能，而目前市场上出现的成型智能插座的一共可以分為大致以下几类：

流行的计量插座、定时插座、遥控插座等节能型插座的产品，能够解决部分实际问题，但都存在各种缺陷。

计量插座能够直观反映出插座上的电器运行功率，电流，电压等信息，仅仅能够让用户知道电器的耗电情况，需要具备一定专业知识的用户才能根据测量结果分析电器是否耗电正常，才能及时发现电器异常，避免不正常耗电。定时插座能够控制用电器在特定时段工作，在一定程度上减少了空闲时段的能源浪费，但实际用电时段并非固定，情况一旦变化，需要重新进行设定，使用不方便。遥控插座需要配备专用遥控器，成本较高而且使用麻烦，难以得到用户接受。另外，这些插座不能同时具备全面的电网参数测量和负载控制功能，无法对用电器实现安全保护，更无法避免长期超负荷用电引发的安全事故。

3、硬件

3.1 单片机选用与最小系统

单片机系统一般来说是由以下部分组成的，分别是程序存储器、单片机、复位电路和时钟电路。如图1所示。

3.2 时钟电路的选取

使用一个6兆赫的晶振和两个电容组装成一个简易时钟电路，另外使用一个单片机内部反向放大器构成时钟振荡器[1]。自激振荡器由输入端和输出端并联接上一个晶振和两个贴片拼接而成。两个电容器对振荡频率起到调节作用，本设计中对两个电容取30PF。

3.3复位电路选取

复位端子，复位时只需在复位端置1即可。一般在RST端和电源之间串接一个按键，按键一端接高电平，一端接复位端，当按键接通时， +5V电压就会立即输入复位端子[2]。手动按钮复位的电路如图2所示。

3.4 照明检测插座

单片机以及各个辅助电路组成的电路原理图如图3所示。

3.5 PWM脉冲宽度调制

在我们生活中的LED在电灯中占据很大的市场，所以在设计过程中，对于传统的电灯使用单一开关，对于智能插座中的开关使用脉冲宽度调制调节灯的亮度。不仅能够便于人们生活中使用，同时也能够很大程度上减小用电量。PWM电路输出高低电平控制电路的导通与闭合，引起的平均导通时间来控制灯的亮暗。由这个原理可知由N沟管去控制灯的亮度[3]。

4、软件部分

随着单片机的发展，人们逐渐应用代码控制取代了以往的数模转换控制，本次研究我们计划以单片机为核心，通过各种辅助电路实现预期的智能插座功能，为了解决智能插座痛点之一的灯光亮度调节问题，经过查阅资料，我们决定通过PWM脉冲宽度调制来使智能插座控制灯光至人眼舒适的范围。

PWM脉冲宽度调制是利用定时器控制产生占空比可变的PWM波[4]，我们可以通过设置程序中的占空比来进行PWM调制，当PWM值增加时，占空比减小而灯光强度变暗;当PWM值减小时，占空比增加而灯光强度变亮。我们在开始时设置人眼适合的灯光强度的占空比，当检测低于此占空比时，PWM值减小，占空比增加，调整直至达到人眼合适灯光强度的占空比，此时灯光强度逐渐变高到人眼适合的程度;如果检测高于初始设定的占空比，则PWM值增大，占空比减小，灯光强度逐渐变暗直至人眼舒适的程度。

5、实验结果

对于本次研究的系统，需要远程监控智能插座的运行环境为光照强度，用电量等信息并可通过手机远程智能控制插座的断开与连接，现在我们首先可通过网络调试助手如下图4来模拟基于PWM脉冲宽度的智能插座控制系统的运行情况和对智能插座的控制[5]。本测试过程的思想在于通过网络调试助手来测试PWM脉冲宽度调制智能插座的通信功能包括接受和发送命令。而在本测试系统中关键就在于通过网络调试助手来监听安信可云平台的IP的地址，这样就能完成对串口数据的接收和发送[6]。

手机APP作为智能插座的上位机，既可以远程监视现场的环境参数，还可以进行远程控制。首先打开APP，选择工作模式为TCP client工作模式，然后配置所要监控ESP8266串口WiFi模块所自带的云平台的IP地址如下图5所示。

由于在本次研究中所涉及的到的传感器模块等元器件较多，故现在采取对一只LED小灯的控制来模拟所搭建的智能插座控制系统。当通过手机APP发送“0x01”指令时候，单片机控制LED小灯打开;当发送非“0x01”指令时，单片机关闭小灯。

6、总结

本论文通过总结分析现有的单一功能的智能插座，智能性和互动性不足、价格较高等特点，设计了适合家庭使用的照明智能插座，使用单片机作为主控芯片，主要采用PWM脉冲调制通信技术构建可远程监控的智能插座系统。本次研究采用了单片机和PWM脉冲调制连接以此模型构建的智能插座系统具有简单、方便还比较容易上手等优点。

基于PWM脉冲调制的智能插座检测系统将单片机、通讯技术、家用电器相结合，通过有线、无线等手段将家居中设备“智能化”，实现了物与物、人与物之间的通信，将家电设备集中控制和管理。

本次研究所做的主要工作如下：

调查研究智能插座的研究背景和重要意义以及在智能插座的快速发展过程中智能插座的研究意义，提出了智能插座的概念，深刻分析了智能插座的研究现状，并提出了基于PWM脉冲调制的智能插座系统的优越性和发展的必要性。

综合比较了各种通讯方式，包括有线、无线各个方面，充分比較各个方面的优缺点，采用PWM脉冲调制的方式，通过单片机构建的三种智能插座：照明智能插座、家庭环境智能监控插座、安防监控智能插座，提出了以智能插座、智能网关、手机组建的智能插座监控系统的整体构架方案。

本次论文研究构想为以STC15F2K60S2单片机为核心，各种辅助电路为媒介，组成能实现预期目的的三款智能插座。

详细论述了PWM脉冲调制的优缺点以及如何用其实现预期功能的方法。

实现手机APP端的测试工作。

随着时代发展我们迎来了物联网的时代，互联网、智能家居、物联网越来越被人们所熟识，同时也激励着人们对于美好未来的展望和期盼。在当今时代下，本次论文研究了基于PWM脉冲宽度调制的智能插座系统来响应当今时代的需要。面对市场上存在的智能插座的智能化不足和性价比不高的特点，在本次研究系统中按照引用的电气的不同种类进行归纳和总结设计了照明智能插座。但因为时间不足等原因，本论文还有很多在为未来可以去完善，主要包括：在本系统中并没有自己去开发配套的手机APP，而是通过指令式的手机APP去进行监控和控制，不管从控制方面和监控效果都不如去开发一套界面式样的手机APP。这样不仅可以操作简单另外对室内环境的现场环境也比较清晰。

在室内监控智能插座中，对于温、湿度通知我们只能通过控制傻瓜式的加热器或者加湿器，而对于现代家用电器都需要红外开关电器，我们可以设计一款可以智能学习红外命令并发送红外命令的智能插座，那样既可以对现代智能家电比如电视机、空调等进行控制，另外还可以实现简化遥控器的美好愿景。

智能家居的时代已然到来，愿我们的生活更加具有智能化和健康。

参考文献：

[1]董思乔，赵荣建，孙通.基于WiFi构建的智能家居控制系统的设计.《电视技术》，2015，39（4）：89—91

[2]张新星.基于Android手机的智能插座设计[D].浙江大学.2014.

[3]吴银琴，陈锟.《51单片机实践教程》.北京：科学出版社，2011

[4]皮大能，南光群，刘金华.《单片机课程设计指导书》.北京：北京理工大学出版社，2010，7

[5]胡启明，葛祥磊.《proteus从入门到精通100例》.北京：电子工业出版社，2012

[6]张力平.智能插座开启未来智能家居生活.《电信快报》，2015，（3）：34—34

作者简介：

丛义正（1998-），男，汉族，吉林四平人，吉林建筑大学本科在读，自动化方向。

基金项目：

2021年吉林省大学生实践创新训练项目“基于物联网的智能插座的研究”（S202110191069）。