應用筆記|基于單片機的智能插座系統(tǒng)設計

關鍵詞：ESP8266,HWPT01,ZHT118F,物聯(lián)網云平臺;

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0前言

1硬件電路設計

2系統(tǒng)軟件設計

3系統(tǒng)測試結果分析

4 小結

0. 前言

隨著物聯(lián)網技術以及科技的發(fā)展與進步，基于物聯(lián)網技術的智能插座逐漸進入市場。該插座能夠接入網絡并實現(xiàn)手機等設備的遠程開關機操作，實現(xiàn)對熱水器、傳統(tǒng)空調等電器設備的遠程控制。

當前的物聯(lián)網插座僅適用于墻面安裝的插座，而對于拓展用的插排，尚未有成熟的產品上市。因此，本文提出了一種基于物聯(lián)網的智能插座設計，該設計以***ATmega328P作為主控制器，對接機智云平臺，結合Android APP和Web端實現(xiàn)對插排的遠程控制。

1.硬件電路設計

采用內置模/數轉換器的ATmega328P單片機作為智能插排MCU核心，它通過控制ESP8266無線WiFi模塊、隔離繼電器、LCD顯示器、報警蜂鳴器并結合電流傳感ZHT118F、電壓傳感器HWPT01、電壓電流采集器實現(xiàn)了對智能插排的遠程控制以及過載警報及功能。

用戶可以在手機APP端對智能插排進行遠程控制，實現(xiàn)自動聯(lián)網，遠程控制開關，上傳實時電流、電壓和功率等參數信息至云平臺，過載警報等功能。

各模塊電路設計

1.2

(1)ESP8266模塊

成本低、體積小，方便嵌入到設備中，可運行LwIP協(xié)議，支持AP、STP、AP+STP三種模式[2]。它集成了 net、PWM、I2C、GPIO接口，而且支持 LUA 腳本語言開發(fā)，大大降低了開發(fā)難度。

(2)電壓傳感器模塊

它具有一次電壓變二次電壓、保護電路、測量等作用。

(3)電流傳感器模塊

測量電流的模塊選用ZHT118F,匝數比為1000∶1,最大可感測5 A電流，由于其輸出電流信號同樣為交流信號，因此，通過整流電路轉換為直流信號后被單片機讀取。

(4)電壓/電流采集電路設計

該芯片為CS5460,它是一款常用的電能計量芯片，能夠實現(xiàn)對直流以及交流電壓/電流的采集，內置的24位高精度ADC也能滿足采集精度要求。CS5460芯片原理圖如圖2所示。

(5)電磁繼電器控制模塊

電壓為250 V、最大電流為10 A,為保證電路安全，通過光耦電路實現(xiàn)信號隔離。

2.系統(tǒng)軟件設計

顯示屏幕通過SPI總線與單片機相連，單片機不具有硬件SPI總線設計，編譯器集成有軟件SPI庫文件，僅需按照庫文件的需求初始化SPI總線，即可使用SPI總線通信。設置顯示屏顯示時，首先應設置顯示屏初始化，發(fā)送相關控制指令至顯示屏，設置光標移動方向以及初始顯示位置等信息后才可進行顯示操作，顯示程序流程如圖3所示。

先需進行SPI總線的初始化，之后向SPI總線發(fā)送顯示屏的控制指令，完成對顯示屏的設置工作后，向顯示屏發(fā)送數據指令，之后顯示屏顯示內容，完成一次顯示，再次顯示時無須重新設置顯示屏，可直接移動光標至指定位置后，發(fā)送顯示數據即可實現(xiàn)顯示屏的顯示功能，完成操作。

2.2 電壓/電流感測及警報程序流程設計

電壓/電流的感測通過CS5460實現(xiàn)，該電路通過一組四線制通信總線實現(xiàn)與系統(tǒng)的通信，系統(tǒng)通過對芯片的寄存器操作實現(xiàn)對數據的讀取，其數據讀取程序流程如圖4所示。

進行電壓以及電流數據讀取時，首先初始化通信總線，之后通過寄存器控制命令將讀取電壓/電流的控制指令寫入芯片的寄存器，之后芯片將啟動轉換并將數據發(fā)送至輸出寄存器，系統(tǒng)通過讀取輸出寄存器的值即可獲知電路的電壓以及電流數據，然后轉換為實際的電壓/電流值，并相乘計算有功功率。

聯(lián)網服務器設置

2.3

使用機智云平臺的服務器設計，該平臺屬于開放式平臺，目前可以免費接入10臺設備進行測試，在產品發(fā)布之前將免費提供使用服務，適合本次設計使用。

機智云平臺對ESP8266模塊具有很好的支持，并提供專用的固件程序用于簡化通信設計。首先打開機智云官網，然后登錄機智云開發(fā)者中心，在下載中心找到模組相對應固件，如果平臺未開放您所需的固件，也可以到機智云官方店鋪去采購，固件下載示意圖如圖5所示。

機智云提供各常用無線模塊的專用固件下載，針對ESP8266有兩種固件，由于本次不涉及大數據處理計算，因此無須采用支持ECE霧計算的固件，下載后，利用燒錄器配合專用的燒錄軟件對固件進行燒錄。

固件燒錄完成后，可配置聯(lián)網服務器，登錄機智云服務器后，創(chuàng)建新的項目，同時采用WiFi類型的數據傳輸,其余設置采用默認設置即可。設置完成后，系統(tǒng)將自動生成產品的PK序列號以及PS數據通信密碼，序列號用于識別項目名稱，通信密碼用于進行數據傳輸加密，工程創(chuàng)建完成后，即可針對各個傳輸的數據進行數據節(jié)點的創(chuàng)建。

2.4 手機APP設計

手機APP是實現(xiàn)數據監(jiān)控以及系統(tǒng)控制的重要工具，采用機智云服務器時，通過項目可生成集成有通信協(xié)議的以及數據打包格式的APP源代碼，僅需在源代碼中添加部分項目信息并編譯，即可實現(xiàn)手機APP的設計。

其中，ControlModule模塊為設備控制模塊，用于控制模塊；DeviceModule模塊為設備模塊，用于控制設備。本設計中，將設備信息以及數據通信設置添加至對應模塊后，即可實現(xiàn)與手機的通信。

3.系統(tǒng)測試結果

完成對硬件電路的搭建以及對軟件程序的編譯后，將軟件程序通過下載器燒錄至單片機中。系統(tǒng)上電后開始工作，將采集各個傳感器數據并通過LCD1602顯示，同時上傳至服務器，通過手機APP進行顯示。圖中顯示，當前電壓為237 V,電流為0.19 A,此時功率為46 W,與負載標稱額定功率大致相等，系統(tǒng)檢測結果準確，啟動手機APP,顯示情況如圖6所示?？梢?，測試結果與終端顯示結果相同，系統(tǒng)能夠實現(xiàn)相應功能。

4.小結

本文提出了一種基于單片機的智能插座設計，該設計能夠實現(xiàn)對插座的電壓、電流以及功率的檢測等，并能夠實現(xiàn)對插座的遠程控制。依據傳統(tǒng)插座的結構，通過添加單片機控制器、LCD1602顯示屏、LCD1602顯示屏、電壓/電流傳感器以及ESP8266 WiFi模塊實現(xiàn)對插座的控制。

測試結果表明,系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對電壓/電流的檢測以及功率的計算、過載報警功能,同時能夠實現(xiàn)遠程開關控制,最終實現(xiàn)基于單片機的智能插座設計。

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