1、安徽大学课程设计报告（嵌入式课程设计）题 目： 多功能智能插座设计报告 学生姓名（学号）：陈超（P71214054） 董芳（P71214005） 陆天乐（P71214024） 叶旭媛（P71214047） 张欣（P71214045）曲畅（P71214058）于子潇（P71214003） 课程院（系）： 电子信息工程学院 物联网工程系 指导老师姓名： 刘瑜 职称/学位： 副教授 指导老师所在单位： 安徽大学 电子信息工程学院 完成时间： 2014 年 12 月 多功能智能插座设计报告摘要:智能家居是物联网的主要应用之一，它将实现家居的智能化和信息化。智能插座是智能家居的重要组成部分，它具有供电远
2、程控制、用电状态监测、通信组网等功能，目前市场上的智能插座功能还达不到智能家居系统的要求，因此我们需要设计出新型智能插座。我们设计的智能插座主要利用 arduino 单片机及 esp8266 串口 WIFI 等模块，不仅可以做到传统的过载保护，供电定时预约还可以利用微信平台与家用电器实现交互控制，实现远程遥控，借助微信平台还可实现社交物联网，该产品随着智能家居系统的推广，将拥有良好的市场前景。本文首先介绍了传统的几种智能插座及其功能，并提出了一种新型的智能插座设计方案。从其系统设计方案上介绍了其功能以及其组成部分，并分硬件和软件部分详细的介绍了多功能智能插座的设计方案。关键字：智能插座； ar
3、duino； esp8266 串口 wifi； 蓝牙目 录1 引言 .12 智能插座发展现状 .13 系统设计方案 .23.1 智能插座的功能 .23.2 智能插座设计实现 .34 硬件设计方案 .34.1 单片机的选择与简介 .44.1.1 相关参数 .44.1.2 供电方式 .44.1.3 输入输出口简介 .54.2 ESP8266 串口 WIFI 模块简介 .54.3 HC05 蓝牙模块简介 .64.4 按键电路 .75 软件设计方案 .75.1 程序分析 .85.1.1 延时程序的设计 .85.1.2 按键部分 .95.1.3 按键扫描部分 .105.1.4 继电器的开关控制 .105
4、.1.5 红外传感器障碍物检测 .115.2 软件调试 .116 小结 .1211 引言智能插座的未来发展是成为智能家居的组成部分智能家居是物联网的重要应用， 它将融合自动化控制系统、 计算机网络系统和网络通讯技术于一体， 将各种家庭设备如家电设备、 照明系统、安防系统、 网络家电等通过智能家庭网络联网实现自动化。本文介绍了多功能智能插座的功能和设计方法，它具有智能控制、本地监测、通信组网等多种功能，将满足智能家居系统和物联网的发展需求。智能插座的应用不能单一实现，它必须与智能家居系统相配套，并在系统中发挥作用。随着智能家居系统的快速发展，智能插座的应用将越来越广泛。市场现有的绝大多数插座不具
5、备任何智能功能，极少所谓的智能插座，也只具备定时开关功能，无法对非正常状况进行监测与断电控制，不具备真正的智能功能，并且价格昂贵现有的插座已经不能适应各方面的需要，多功能的智能插座有着强大的市场需求。为此，本文研究了一种以 arduino 单片机为信息处理核心的多功能智能插座，这种插座具有过流过压保护、定时开通、定时关断、远程控制及电量监控远程查询等功能。 2 智能插座发展现状传统的电源插座功能仅是分配多路电源， 而智能插座除具备该功能外， 还具有智能化的特点， 普通插座和智能插座从外形到功能均有较大不同， 如图一所示为智能插座与普通插座的对比图。 智能插座 普通插座图一：智能插座与普通插座对
6、比图2目前市场上已经出现了多种不同功能的智能插座，主要可以分为以下几类：（1）漏电保护型智能插座。该类插座具有漏电保护、超限断电等功能，当发现超过一定幅值的电流未与零线构成回路，认为漏电并立刻切断供电，同时在输入电压过高、用电负荷异常时可自动切断电源，保护电器。（2）定时型智能插座。该类插座主要为用户分时用电而设计。例如在电价便宜时启动电热水器、洗衣机等工作，从而节约电费。该类插座一般具有时钟功能，可对插座中的每一个插口进行编程，控制电源定时开断。（3）主路控制型智能插座。该类型插座一般有一个主路，其它为辅路。如电脑主机断电后，判断出该主路无电流，则切断整个插座的电源，这样当电脑关机后， 可以
7、将辅路上的其他设备如显示器、音箱等也进行断电，从而减少待机功耗， 提高用电安全性。（4）遥控型智能插座。 插座中的每一路都可以由无线遥控器进行远程控制， 该类插座一般需要同时配一个无线遥控器， 通信方式一般为红外或小无线， 也可声控。（5）计量型智能插座。这类插座的功能类似于单相多功能电表，它可以计量插座中用电设备的电压、电流、功率、电能值等。该类插座一般配有按键和 LCD屏，也可将数据传送到电脑上，分析设备的用电情况。图 1 中的智能插座即为此类。由以上几类智能插座的分析可以得知，智能插座内部均集成了微处理器芯片， 可进行智能处理，但目前的智能插座设计以提供单一的保护、 监测或控制为主，产品
8、功能较为单一，很难实现信息化和远程控制，还无法达到智能家居系统的应用要求。3 系统设计方案3.1 智能插座的功能为满足智能家居系统的需求，我们需要设计出新型的智能插座，其必须具有智能化、信息化的特点，除具有电源分配功能外，还应该具备以下功能：（1）过载及漏电保护功能。当用电器超出预设阈值时，自动切断电源，以实现对家用电器及线路的保护。（2）定时预约功能。可利用按键输入定时时间，使智能插座在某一时间节点时打开或关闭电源。如：利用按键设置开电源定时时间 3 小时，关电源定时时间4 小时，则在设置定时 3 小时之后主控器会自动控制开继电器，在设置定时 4小时后，主控器会自动控制关继电器，以实现供电的
9、定时预约功能。（3）远程控制功能。结合蓝牙，串口 WIFI 等通信模块实现近距离或远距离的3自动化控制，实现远程实时打开或关闭家用电器。通过开发与微信平台的接口，无论你身在何方，利用微信公众号输入指令即可完成对家用电器设备的控制。（4）用电量监测功能，可实现实时远程查看在某一时间节点后的耗电量及当前设备的功率。可在微信公众好号中输入对应的指令，完成对相关信息的查询。3.2 智能插座设计实现如下图(2)所示，我们设计的智能插座由以下几个部分构成：主控制器 通信模块按键电路信号检测模块传感器模块继电器控制部分图 2 智能插座系统结构图(1)主控制器：主控制器主要由一片 arduino 单片机构成，
10、是整个智能插座的核心，负责整个系统的测量、控制、通信、管理，arduino 单片机是一款开源的8bit 处理器，兼容性比较强，开发难度较为容易，因此在本课程设计中以arduino 单片机作为核心芯片。(2)通信模块：智能插座通过无线通信模块与主控制器进行数据交互，我们设计的智能插座利用 esp8266 串口 WIFI 模块以及蓝牙模块作为通信模块，实现远程控制插座的通断电以及将主控器采集的功率等数值传上互联网实现，利用微信公众好可查看相关数据以及完成家电设备的控制。(3)按键电路：采用单按键的输入方式触发外部中断,用于开启定时模式，以及完 成定时时间的设定。 (4)信号检测模块：输入的电压、电
11、流强电信号先通过分压电阻、锰铜片等转换为弱电信号，再输入给专用的计量芯片，如 ATT7022B，其内部具有 A/D 转换、数字运算电路，可自动完成多路电压电流有效值、功率等计算，生成的数据由MCU 抄取后处理。(5)传感器模块：由于本系统中很多模块都会耗电，在无人使用时可关掉总电源，因此可用主动式红外模块监测智能插座是否有人使用，若无人使用，则关掉电源，已达到节电的目的。(6)继电器模块：继电器是利用单片机高低电平控制插座通断电的桥梁，可实现小电压控制大电压。负载继电器模块信号测量传感器按键电路通信模块UART主控制器44 硬件设计方案4.1 单片机的选择与简介如下图所示为本课程设计所使用 a
12、rduino 单片机的实物图，arduino 单片机版本众多，本课程设计使用的是 arduino UNO，下面对 arduino UNO 进行简单介绍。 图 3 arduino 单品机实物图4.1.1 相关参数 处理器 ATmega328 工作电压 5V 输入电压（推荐） 7-12V 输入电压（范围） 6-20V 数字 IO 脚 14 (其中 6 路作为 PWM 输出） 模拟输入脚 6 IO 脚直流电流 40 mA 3.3V 脚直流电流 50 mA Flash Memory 32 KB （ATmega328，其中 0.5 KB 用于 Bootloader） SRAM 2 KB （ATmega3
13、28） EEPROM 1 KB （ATmega328） 工作时钟 16 MHz4.1.2 供电方式Arduino UNO 可以通过 3 种方式供电，而且能自动选择供电方式 外部直流电源通过电源插座供电。 电池连接电源连接器的 GND 和 VIN 引脚。 USB 接口直接供电。电源引脚说明5 VIN - 当外部直流电源接入电源插座时，可以通过 VIN 向外部供电；也可以通过引 脚向 UNO 直接供电；VIN 有电时将忽略从 USB或者其他引脚接入的电源。 5V - 通过稳压器或 USB 的 5V 电压，为 UNO 上的 5V 芯片供电。 3.3V - 通过稳压器产生的 3.3V 电压，最大驱动电
14、流 50mA。 GND - 地脚。4.1.3 输入输出口简介14 路数字输入输出口：工作电压为 5V，每一路能输出和接入的最大电流为40mA。每一路 配置了 20-50K 欧姆内部上拉电阻（默认不连接)。除此之外，有些引脚有特定的功能： 串口信号 RX（0 号）、TX（1 号）: 与内部 ATmega8U2 USB-to-TTL 芯片相连，提供 TTL 电压水平的串口接收信号。 外部中断（2 号和 3 号）：触发中断引脚，可设成上升沿、下降沿或同时触发。 脉冲宽度调制 PWM（3 、5 、6、9、10 、11）：提供 6 路 8 位 PWM 输出。 SPI（10(SS) ，11(MOSI)，1
15、2(MISO)，13(SCK) ）：SPI 通信接口。 LED（13 号）： Arduino 专门用于测试 LED 的保留接口，输出为高时点亮 LED，反之输出为低时 LED 熄灭。 6 路模拟输入 A0 到 A5：每一路具有 10 位的分辨率（即输入有 1024 个不同值），默认输入信号范围为 0 到 5V，可以通过 AREF 调整输入上限。除此之外，有些引脚有特定功能： AREF：模拟输入信号的参考电压。 Reset：信号为低时复位单片机芯片。4.2 ESP8266 串口 WIFI 模块简介ESP8266 是一款高度集成的芯片，该芯片专门针对无线连接的需求而开发，是一个完整且自成系统的 W
16、i-Fi 网络解决方案。它能够搭载软件应用，也能通过另一个应用处理器卸载所有的 Wi-Fi 网络功能。ESP8266 具备强大的片上处理和存储功能，这使其可通过 GPIO 口集成传感器及其他应用的特定设备，既缩短前期开发时间，也最大限度减少运行中系统资源的占用。ESP8266 高度片内集成，仅需极少的外部电路，而其包括前端模块在内的整个解决方案，可将设计中 PCB 所占 图 4 ESP8266 串口 WIFI 模块 6的空间降到最低。产品特性：SDIO 2.0、SPI、UART 接口32-pin QFN 封装集成 RF 开关、 balun、LNA、24 dBm PA 、DCXO 和电源管理单元
17、（PMU ）集成 RISC 处理器、片上存储器和外部存储器接口集成 MAC/基带处理器高品质的服务管理高保真音频应用所需的 I2S 接口所有内部供电均包含片上低压差线性稳压器专有的无杂散时钟生成架构集成 WEP、TKIP、AES 和 WAPI 引擎产品规格：802.11 b/g/nWi-Fi Direct (P2P)、soft-AP集成 TCP/IP 协议栈集成 TR 开关、balun、LNA、PA 和匹配网络集成 PLL、稳压器、DCXO 和电源管理单元802.11b 模式下 +19.5dBm 的输出功率小于 10uA 的断电泄露电流集成低功耗 32 位 CPU，可以兼作应用处理器SDIO 1.1/2.0、 SPI、UART 接口STBC、 11 MIMO、21 MIMOA-MPDU & A-MSDU 聚合 & 0.4ms 的保护间隔2ms 之内唤醒并传递数据包待机状态消耗功率少于 1.0mW (DTIM3)4.3 HC05 蓝牙模块简介HC05 蓝牙模块与属于 HC 民用级串口蓝牙模块。可用于各种带蓝牙功能的电脑、蓝牙主机、手机、PDA 等智能终端配对，兼容单片机系统。当主从模式两个蓝牙模块配对成功后，可以取代串口线通讯为无线蓝牙。图 5 HC05 蓝牙模块
