基于单片机无线控制的智能插座设计

樊战亭 FAN Zhan-ting

（咸阳师范学院，咸阳 712000）

0 引言

插座用以给供电设备进行供电，在日常生产、生活中广泛应用。插座给手机、电动自行车等充电型用电设备供电时，如果在充电型用电设备中电池充满后没有及时把充电器从普通插座上拿开，相应用电设备中的电池就会过度充电，就降低了充电型用电设备中电池寿命同时也浪费了宝贵的电能。使用插座给电饼铛等较大功率电加热家用电器供电时，如果没有及时关掉电源时，不仅浪费电能，而且电加热器中元件就可能因发热量过大产生损坏甚至起火，出现巨大的安全隐患。普通的插座经过人们日常使用中的多次插拔，插座中的部分弹簧片会松动，接线口也会出现破损的现象，甚至有明显的裸露电线在外面。插座在人们移动或者使用的过程中会加速老化，这样就增加了安全隐患，也降低了插座的使用寿命。

为了解决普通插座供电时充电型用电设备中电池过充、电加热设备用电安全和用电设备使用中电能浪费等问题，有效提升插座自身安全性、可靠性及寿命，本文设计了一种基于主单片机、从单片机的无线控制智能插座，能够根据用电设备与插座的接通或者断开需要，由主单片机设定指定插座单元接通时间及断开时间，并通过无线通信芯片把相应的信息发送给从单片机。从单片机利用无线通信芯片接收指定插座单元的接通开始时间和断开时间信号，控制继电器实现指定插座单元与交流电源和用电设备之间的接通和关断，实现插座接通、断开的时间智能控制。完成插座接通、断开时间控制，可以实现对充电型用电设备电池充电时间长度的智能控制，可以有效提高用电设备电池的寿命及节约电能。实现插座接通、断开时间控制，也可以对大功率电加热设备通电时间进行精确控制，消除了长时间过度加热可能起火的安全隐患，同时也能大大减少电能浪费；智能插座通过控制继电器（电子开关）控制指定插座单元接通、断开，有效地避免了手动插拔插座产生的插座弹簧片松动等不利因素，提高了智能插座的本身使用寿命和安全、可靠性能。以下依次从智能插座总体设计、硬件设计、软件设计论述智能插座的设计。

1 智能插座总体设计

智能插座系统总体框图如图1所示，智能插座系统包括主、从两个单片机控制部分。主单片机控制部分主要包括电源、按键输入、时钟模块、无线发射模块和液晶显示模块，其中主单片机控制部分的电源包括主单片机供电电源、无线发射供电电源两部分；按键部分用来对智能插座指定单元开始接通时间、断开时间进行按键设定；无线发射模块主要发送智能插座指定单元开始接通时间及关断时间信号；时钟模块通过主单片机可以读取具体的走时时间；液晶显示用来显示智能插座指定单元设定的接通时间、关断时间。从单片机控制部分主要包括电源、无线接收模块、多个继电器模块，其中从单片机控制部分电源包括从单片机供电电源、无线接收供电电源及继电器模块供电电源等三部分；无线接收模块主要接收主单片机无线发射模块发送的智能插座指定单元开始接通时间及关断时间信号；继电器模块根据无线接收模块接收指定插座单元接通或者关断信号来进行接通或断开指定插座相连的用电设备，实现智能插座的时间控制功能。

图1 智能插座系统总体框图

智能插座运行主要步骤：主单片机控制部分首先通过按键设定插座指定单元开始接通时间、断开时间，并通过液晶显示单元显示指定插座单元接通时间和断开时间；主单片机通过时钟模块确定指定单元接通时间达到后，利用无线发射模块发出指定插座单元的接通信号，主单片机通过时钟模块确定断电时间到达后，通过无线发射模块发出指定插座单元的断开信号。从单片机通过无线接收模块接收到主单片机发出的无线发射的开通、关断信息，控制相应的继电器模块实现对智能插座指定插座单元的开通时间、断开时间控制，完成交流电源和用电设备通电开始时间、结束时间的控制。如果主单片机设定多个插座单元开通时间、关断时间，就可以同时实现对多台用电设备不同开通时间、关断时间的控制，有效提高智能插座的对不同用电设备接通时间、关断时间控制功能。

2 智能插座硬件设计

智能插座硬件设计主要包括主单片机硬件电路、从单片机硬件电路两部分。

2.1 主单片机硬件电路

智能插座主单片机硬件电路结构图如图2所示，主要包括主单片机STC89C52、时钟模块DYS8100、无线发射模块NRF24L01、液晶显示模块LCD12864和12V锂电池等主要部分。

图2 主单片机硬件电路结构图

主单片机选用我国宏晶公司生产的STC89C52单片机，其特点单片机自身带有AD、PWM等丰富的外设，能够提升单片机的性能；价格低，可以很好地降低成本。

NRF24L01是挪威Nordic公司研发的一款2.4G通讯芯片，NRF24L01具有1.9～3.6V的低工作电压，其I/O口能够与5V单片机直接相连，同时最多支持六路通道的数据接收，具有125个频点，能够满足多点通信和调频通信需要。NRF24L01模块本身体积很小便于结构设计，在两个NRF24L01之间的通信，任何一个模块都可以设置为接收或者发送模式，可由主控单片机随时根据需要设置为发送或接收模式。NRF24L01通信模块必须两两配对使用，满足三个条件便可以通信成功，第一发射和接收的频道相同；第二发射和接收的地址相同；第三每次发送和接受的字节数目相同。配置成发送模式后，用单片机把要发送的数据写进去，它就会自动把数据发出去；配置成接收模式后，单片机通过观察它的IRQ引脚，就可以知道是否接收到了数据，单片机可以通过SPI口把接收到数据取出来。

DYS8100模块是8025T时钟芯片和LM75温度芯片两个芯片的集合体。8025T时钟芯片内部集成了32.768kHz的晶振可以进行精准的走时并让其不受外界影响，可以使用纽扣电池进行供电，支持系统掉电走时，它是I2C驱动的方式，应用它来进行时间的处理。LM75温度芯片是一个两线的串行温度传感器。能够编程设计在温度超出的时候进行报警。采用的DYS8100模块为这上述两个模块的集合产品，单片机采用I2C总线驱动模式读取时间和温度。

LCD12864液晶显示模块是一款4位/8位并行、2线或3线接口方式，内部含有国际一级、二级简体中文字库的图形点阵液晶模块。该型号液晶模块具有接口方式简单，指令操作便捷的特点，可构成中文人机交互图形界面。

主单片机硬件部分工作步骤：首先主单片机通过按键设置智能插座指定单元接通时间、断开时间，同时在液晶显示模块LCD12864进行显示。主ST89C52单片机通过DYS8100模块检测开始接通时间达到后，通过无线模块NRF24L01（配置成发送模式）给从单片机配对的无线接收模块发出插座接通命令；如果主单片机通过DYS8100模块检测断开时间达到后，就利用无线模块NRF24L01（发送模式）给从单片机配对的无线接收系统发出插座断开的命令，从而控制智能插座指定单元（插孔）的接通和断开时间，实现对智能插座指定单元（插孔）通电开始时间、通电时长的控制。主单片机电路主要实现智能插座指定插孔接通、关断时间的设定及相应命令的传送，为了节省电能同时及时发送无线传送指令，主单片机硬件供电系统采用12V锂电池进行供电，把12V直流电通过稳压模块转换为5V直流电给单片机和LCD12864模块供电；5V直流电继续再转换为3.3V直流电给无线通信模块NRT24L01供电。

2.2 从单片机硬件电路

从单片机硬件电路结构图如图3所示，智能插座从单片机硬件电路主要包括从单片机STC89C52、无线接收模块NRF24L01、继电器驱动模块ULN2003、继电器等主要部分。

图3 从单片机硬件电路结构图

从单片机同样选用STC89C52单片机。从单片机STC89C52处理无线接收模块NRF24L01（设置为接收模式）接收的指定插座单元接通或者断开的无线信息，利用继电器驱动模块ULN2003控制继电器线圈电流接通或者断开，实现指定插座单元插孔的接通或者断开用电设备与220V交流电源的连接，实现对用电设备供电的接通或者断开功能。

从单片机硬件电路要直接通过智能插座控制220V交流电源与用电设备接通或者断开，从单片机硬件电路的供电采用220V交流电源进行供电，220V交流电源直接给插座供电。把220V交流电进行整流、稳压后转换为12V直流电，12V直流电可以作为继电器的线圈的供电电源使用。12V直流电继续通过电压转换及稳压模块转换为5V直流电给从单片机STC89C52供电，5V直流电继续再转换为3.3V直流电给无线接收通信模块NRF24L01供电。

3 智能插座软件设计

智能插座软件设计是智能插座系统的关键，也是各个功能实现的必要手段，程序主要利用Keil软件集成环境采用C语言进行编写。

3.1 软件编译环境搭建

Keil软件集成环境有两种，一种是为传统的51单片机编程使用，另一种是为ARM结构的单片机进行使用。在Keil软件中新建项目时候没有宏晶公司的STC单片机型号选型，可以使用ATMEL公司的单片机进行代替，因为在结构上它们两个是相同的。进行软件设计时先分别编写好主单片机、从单片机的控制程序，在Keil软件集成环境中独立进行编辑、修改、调试、运行等操作，把调试成功的主单片机控制程序、从单片机控制程序编译成二进制文件，分别通过下载软件下载到主单片机和从单片机存储器中。STC-ISP是宏晶公司为旗下的单片机下载程序所开发的一款软件，同时具备串口功能以及单片机的资料下载功能和程序模板的使用，在下载程序方面择STC-ISP软件把编译成功的二进制文件下载到单片机中。

3.2 软件主流程图

智能插座的控制软件必须与主单片机、从单片机硬件电路配合执行才能完成相应的控制功能。智能插座控制软件开始要对主单片机、从单片机相应的I/O端口等进行初始化，主单片机根据输入端口按键确定智能插座指定单元的接通时间、关断时间，并在LCD12864液晶模块进行显示；主单片机判定时钟芯片时间大于等于接通设定时间发出相应的无线接通信号，主单片机判定时钟芯片时间大于关断设定时间发出相应的无线关断信号；从单片机接收主单片机发送的接通或者关断指令信号，通过控制对应的继电器模块完成对指定插座单元接通和关断的控制。上述过程是智能插座单片机软件控制运行的一个周期，不断重复上述周期就能够完成智能插座的软件控制过程，具体软件主流程图如图4所示。

图4 软件主流程图

4 结束语

本文设计的以主单片机、从单片机STC89C52为核心、基于NRF24L01无线通信芯片为基础的无线控制智能插座，主单片机设定指定插座单元的接通、断开时间，通过无线芯片发送相应的接通、断开信号给从单片机。从单片机接收无线信号，通过控制继电器模块完成对指定插座单元通电和断电时间的控制。与传统插座比较，智能插座用电子开关代替手工插拔，显著提高了插座使用寿命。能够有效防止充电型用电设备的过充问题，还解决了大功率电加热设备长时间过度加热可能造成的用电设备损坏和安全隐患，能够有效节约电能，有助于提高充电型用电设备充电安全性及延长使用寿命，明显提升生产和生活中用电效益。