基于MSP430-F149的智能插座

中北大学 史 策

电源插座是为家用电器提供电源接口的电气设备，也是住宅电气设计中使用较多的电气附件，它与人们生活有着十分密切的关系。居民搬进新居后，普遍反映电源插座数量太少，使用极不方便，造成住户私拉乱接电源线和加装插座接线板，常常引起人身电击和电气火灾事故，给人身财产安全带来重大隐患。

所以，电源插座的设计也是评价住宅电气设计的重要依据。目前市场上的普通插座或智能插座大多有以下缺陷：没有过流保护，在雷雨天使用有危险、没有定时开关功能，容易造成不必要的浪费、无法远程遥控，没有便利性。这里提出了一种基于MSP430-F149的智能插座，整体结构简单，适用于家中和一般性厂房的使用。插座能保证使用地点的用电安全，支持短路保护、火灾监测，支持功耗监控、定时遥控。

1.智能插座的总体设计

由于产品的主要作用之一是辅助节能，所以功耗的问题就显得非常重要。我们分析了市场上的MCS-51单片机、AVR单片机、ARM以及Linux嵌入式操作系统。ARM、Linux等高端处理器，成本很高，不适用于大众。MCS-51单片机能够实现的功能有限，而且功耗较高。经过讨论分析，决定产用由TI公司推出的MSP430-F149单片机，原因是它成本低，功能强大，电源电压是3.3V，并且处理器可以软件控制进入低功耗模式，只有当其接收到串口的中断后才会被唤醒，综上所述，MSP430-F149单片机满足系统的要求[1]。

系统的功能框图如图1所示：

图1 系统的功能框图

2.硬件组成

由于硬件主要任务是实现保护与遥控。保护分为火灾保护和过流短路保护，遥控是指通过蓝牙传输数据，所以在硬件选择中选择了远红外传感器、光敏电阻和蓝牙模块作为主要模块，另外通过带有过零检测功能的开关进行对电路的控制。

2.1 火焰传感器

远红外传感器能够探测到波长在700纳米～1000纳米范围内的红外光，探测角度为60，其中红外光波长在880纳米附近时，其灵敏度达到最大。远红外火焰探头将外界红外光的强弱变化转化为电流的变化，通过A/D转换器反映为0～255范围内数值的变化。外界红外光越强，数值越小；红外光越弱，数值越大。

2.2 光敏传感器

通过光敏电阻进行光的测量、光的控制和光电转换。由于光敏电阻器对光的敏感性(即光谱特性)与人眼对可见光(0.4～0.76)μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。所以通过光敏电阻可以简单灵敏地实现实验要求。

2.3 温度传感器

单线数字温度传感器DS18B20可以把温度信号直接转换成数字信号，每片DS18B20含有唯一的64位序列号，测温范围是-55℃—+125℃，满足系统要求。DS18B20数字温度计提供9位温度读数，指示器件的温度信息经过单线接口送入DS18B20或从DS18B20送出，与MCU之间只需一条线连接，读写和完成温度转换所需的供电可由数据线提供而无需外部添加。由于每个DS18B20有唯一的系列号(silicon serial number)，因此，多个DS18B20可存在于同一条单线总线上，这就使得产品在温度灵敏度和区域温度检测方面的工作得到了简化。通过此传感器能方便的监视外界以及内部的温度变化。

2.4 电流传感器

电流检测由电流互感器完成，主要优点是大电流转小电流，增加安全性；电线直接穿过传感器就可测量，安装方便。

电流互感器的工作原理：被测电流的绕组(匝数为N1)，称为一次绕组(或原边绕组、初级绕组)；接测量仪表的绕组(匝数为N2)称为二次绕组(或副边绕组、次级绕组)。电流互感器一次绕组电流I1与二次绕组I2的电流比，叫实际电流比K。电流互感器在额定电流下工作时的电流比叫电流互感器额定电流比，用Kn表示：Kn=I1n/I2n。

根据实际用电器的情况，在此处应用的变比为1000/1的电流互感器，可以把实际为5A的电流转变为5mA的电流。再将一个定值电阻与电流互感器进行并联，通过MCU上的A./D转换器能测出定值电阻上的电压，最后通过欧姆定理就可以计算得出转换后的电流值，转换前的电流就为此电流的1000倍。

2.5 蓝牙通信

本系统蓝牙功能在MSP430-F149上的实现，传感器对模拟信号进行采样，并对A/D变换后的数字信号进行处理传输到接收端，最后由单片机将处理结果通过蓝牙发送到上位机内。同样，当上位机需要传输指令时，由蓝牙将指令对应的代码传送到MCU串口，实现双向通信[3]。

2.6 通断开关设计

本产品中的开关是针对家庭插座中220v交流电的，而继电器吸合和断开的时候不是在交流相位的过零点而引起的打火，这种火花的频率成分复杂而且能量很强，RC吸收电路能吸收一部分，仍然有一部分能量辐射出来，会对MCU进行干扰。要解决此现象，光耦的初级经过限流接220V交流，次级接上拉进入GPIO，作用是专门用于监测AC220V的相位，根据继电器的吸合和释放时间，准确的在过零点进行开关，使得开关干扰降至最低限度。

但也有更简单的方法就是用一个带过零检测的光耦MOC3020，去控制双向可控硅，做成固态继电器的方式，对单相AC电源进行控制。

开关设计电路如图2所示：

图2 开关设计电路

3.软件设计

3.1 温度传感器的通信命令和时序

DS18B20工作过程中的协议为：(1)初始化；(2)操作命令；(3)存储器操作命令；(4)时序。主机使用时间隙(time slots)读写DS18B20的数据位和写命令字的位。由于DS18B20采用单总线协议方式，即在1根数据线实现数据的双向传输，而对MSP430-F149单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们需要采用软件方法模拟单总线的协议时序，从而完成对DS18B20的访问。

3.2 温度数据的计算处理方法

从DS18B20读取出的值为二进制，要想用于字符的显示必须先转换成十进制值才可以。因为DS18B20的转换精度为9-12位，所以在采用12位转换精度时温度寄存器里的值是以0.0625为单位步进的，即实际的十进制温度值为寄存器里的二进制值乘以0.0625。一个十进制值和一个二进制值之间有很明显的关系：二进制的高字节的低半字节和低字节的高半字节组成的一个字节内部的二进制值转化为十进制值后，该十进制值就是温度值的小数部分。由于小数部分是半个字节，所以二进制值范围的0-F转换成了十进制小数值就变成了0.0625的倍数(0-15倍)，这样我们就需要4位的数码管来显示小数部分。这样对于实际的应用而言，如果用1位数码管来显示小数，这样的精确度可以达到0.1℃[4]。

3.3 蓝牙设置

软件系统首先要对单片机MSP430进行初始化，设置其ACLK辅助时钟，设置UART0和UART1等内部模块时钟为ACLKM蓝牙模块复位。当蓝牙发送任务启动后，蓝颜将把通过RS232口采集到的数据打包发送。每当发送完一个数据包后，等待中央单位的确认信息，完成确认工作后，然后进行下一个数据包的发送。如果无法收到确认信息，则根据主控任务提供的信息切换到其他备用的通道上，以继续当前的发送任务，同时通知主控任务当前使用的通道信息。从而实现建立起两个蓝牙通道[5]。

4.结束语

本系统的设计围绕低功耗、高性能和全面的安全保障。以MSP430-F149作为主控芯片，以多种传感器作为外部电路。在创新的同时也在一些地方对电路做了改进，使得整体体积更小，运行更加稳定。在软件方面充分发挥了MCU强劲的数据处理能力和低功耗特性，省去了外设ADC转换器、大大节省了系统本身的耗电量。在家庭、公司、工厂等用电场所都可以安装本产品来管理其用电设备，保证其用电安全，应用前景广阔。

[1]张福才,张锐,茹洪芳.MSP430单片机自学笔记[M].北京:北京航空航天大学出版社,2011.

[2]张军.基于MSP430单片机和DS18B20的数字温度计[J].电子设计工程,2010,18(11).

[3]洪利,章扬,李世宝.MSP430单片机原理与应用实例详解[M].北京:北京航空航天大学出版社,2010.

[4]沈建华,杨艳琴,翟骁曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理及应用[M].北京:清华大学出版社,2004.

[5]孙红军.基于MSP430和蓝牙技术的数据传输系统[J].井冈山学院学报,2009,30(4).