1、.智能遙控插座設(shè)計(jì)-電氣論文智能遙控插座設(shè)計(jì) 胡宇航1，黃冬龍2，卜凡榮1，胡啟帆2，馬世勛2，張敏3（1.江蘇省電力公司昆山市供電公司，江蘇昆山215300；2.深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣東深圳518052；3.深圳大學(xué)光電工程學(xué)院，廣東深圳518052）摘要：基于89C51單片機(jī)的外部中斷和定時(shí)器中斷定時(shí)計(jì)數(shù)功能，通過雙向可控硅對(duì)220 V交流電源的導(dǎo)通進(jìn)行無(wú)觸點(diǎn)連續(xù)控制，實(shí)現(xiàn)了雙模式（常規(guī)模式、夜間模式）智能遙控插座。常規(guī)模式下調(diào)節(jié)家電的工作功率、控制其工作狀態(tài)。夜間模式下，通過光控模塊、聲控模塊和人體感應(yīng)模塊對(duì)家電的工作狀態(tài)進(jìn)行智能控制。實(shí)現(xiàn)了不更換家電，在原有電路中加上智能插座，

2、即可使普通家電智能化，通用性好，成本低廉，應(yīng)用面廣，尤其適用于臺(tái)燈、電風(fēng)扇等低端家電，適用于消費(fèi)水平中下的廣大低端電器市場(chǎng)。關(guān)鍵詞：雙向可控硅；無(wú)觸點(diǎn)連續(xù)控制；物聯(lián)網(wǎng)；智能家居中圖分類號(hào)：TN710?34；TM925.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004?373X（2015）16?0066?04收稿日期：2015?02?040 引言智能家居作為一個(gè)新生產(chǎn)業(yè)，市場(chǎng)消費(fèi)觀念還未形成，但隨著智能家居市場(chǎng)推廣普及的進(jìn)一步落實(shí)，培育起消費(fèi)者的使用習(xí)慣，智能家居市場(chǎng)的消費(fèi)潛力必然是巨大的。目前國(guó)內(nèi)的智能家居發(fā)展水平低、造價(jià)高等問題使得智能家居很難普及。在智能家居的推進(jìn)過程中，如何在不更換舊家電的同時(shí)實(shí)現(xiàn)

3、家電智能化是值得研究的一個(gè)問題。智能遙控插座，可對(duì)家電進(jìn)行功率調(diào)節(jié)和定時(shí)控制，對(duì)臺(tái)燈、電風(fēng)扇等小功率家電經(jīng)過多次功能測(cè)試和性能測(cè)試，遙控控制靈敏，功能響應(yīng)正確。智能遙控插座可以在不更換大量舊家電的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單家電的智能化，具有廣大的市場(chǎng)價(jià)值1?6。1 總體設(shè)計(jì)智能遙控插座具有遙控端和插座端，通過遙控可以發(fā)送控制命令給插座，智能遙控插座響應(yīng)命令，執(zhí)行操作。主要模塊包括：遙控接收模塊、光控模塊、人體感應(yīng)模塊、聲控模塊、定時(shí)模塊、電流通斷模塊、同步信號(hào)提取模塊、220 V轉(zhuǎn)5 V開關(guān)電源模塊、51單片機(jī)主控制模塊。如圖1所示，開關(guān)電源模塊為其他模塊提供5 V電源；紅外遙控接收板把從遙控端發(fā)送過來

4、的控制信號(hào)傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)接收控制信號(hào)做出邏輯處理；同步信號(hào)提取模塊利用光耦P521 從交流電源提取同步信號(hào)，發(fā)送中斷信號(hào)給單片機(jī)外部中斷，外部中斷觸發(fā)后單片機(jī)提供觸發(fā)信號(hào)給電流通斷模塊，使家電處于導(dǎo)通狀態(tài)；51 單片機(jī)利用定時(shí)器中斷的定時(shí)功能實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的定時(shí)功能；光控模塊、人體感應(yīng)模塊及聲控模塊感應(yīng)周圍環(huán)境，發(fā)送感應(yīng)信號(hào)給51單片機(jī)，單片機(jī)接收感應(yīng)信號(hào)判斷是否打開外部中斷提供觸發(fā)信號(hào)給雙向可控硅，以此來智能控制家電的工作狀態(tài)。 2 智能遙控插座的硬件設(shè)計(jì)本智能遙控插座的電源模塊為反激式開關(guān)電源。反激式開關(guān)電源具有體積小、重量輕、功耗小、效率高的優(yōu)點(diǎn)，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)60%70%。開關(guān)電源輸入

5、為交流電源220 V，輸出為直流電壓5 V，可通過最大電流為2 A，為遙控接收板模塊、主控模塊、光控模塊等其他模塊提供5 V工作電壓。本智能遙控插座的交流電源同步信號(hào)的產(chǎn)生如圖2所示，220 V交流電經(jīng)2個(gè)大功率電阻降壓，由全橋整流器DF107電橋整流后，輸出100 Hz半正弦交流電，此電壓大于光耦P521的門限電壓時(shí)，光耦導(dǎo)通，輸出為低電平，正半周正弦波當(dāng)過零時(shí)，光耦截止，輸出呈現(xiàn)高電平，提取出同步信號(hào)輸入到單片機(jī)外部中斷INT0口，單片機(jī)打開外部中斷延時(shí)輸出觸發(fā)信號(hào)。圖中的同步信號(hào)就是需要的交流電壓過零點(diǎn)信號(hào)，各部分波形如圖3所示。圖中整流后波形中的水平虛線表示光藕P52l輸入二極管的門限

6、電壓。 電流通斷模塊主要利用了雙向可控硅能夠?qū)涣麟娫吹膶?dǎo)通進(jìn)行無(wú)觸點(diǎn)連續(xù)控制，以小電流控制大電流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了常規(guī)模式下連續(xù)調(diào)節(jié)功率的目的，且動(dòng)作快、壽命長(zhǎng)、可靠性高。雙向可控硅的特點(diǎn)是導(dǎo)通后即使觸發(fā)信號(hào)去掉，它仍將保持導(dǎo)通；當(dāng)負(fù)載電流為零（交流電壓過零點(diǎn)）時(shí)，它會(huì)自動(dòng)關(guān)斷。所以需要在交流電的每個(gè)半波期間都要產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生時(shí)間的長(zhǎng)短（觸發(fā)角的大小）就決定了家電的工作功率。觸發(fā)角越大，導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)，可控硅導(dǎo)通的時(shí)間越短，家電的工作功率就越低；反之，工作功率就越大。這就要求確定交流電源同步信號(hào)的過零點(diǎn)，并以此為基礎(chǔ)，控制觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)角的大小，達(dá)到調(diào)節(jié)家電的工作功率的目的。 220 V交

7、流主電源導(dǎo)通區(qū)間、同步信號(hào)和觸發(fā)信號(hào)的時(shí)序關(guān)系如圖4所示。圖中的陰影部分表示可控硅的導(dǎo)通區(qū)間，它的大小決定了家電的工作功率。改變延時(shí)時(shí)間可改變觸發(fā)信號(hào)和同步信號(hào)的相位關(guān)系，也改變了可控硅的導(dǎo)通區(qū)間的大小，達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的。 聲控感應(yīng)采用聲音傳感器模塊，工作電壓為直流35.5 V，可以對(duì)周圍環(huán)境聲音進(jìn)行檢測(cè)。通過電位器調(diào)節(jié)聲音閾值，當(dāng)環(huán)境聲音超過此閾值時(shí)，輸出引腳D0會(huì)輸出低電平，指示燈亮，并且能自動(dòng)延時(shí)5 s。通過測(cè)試，該聲音控制感應(yīng)模塊，在10 s以內(nèi)擊掌可響應(yīng)，輸出低電平，滿足設(shè)計(jì)要求。該聲控感應(yīng)模塊有3個(gè)引腳，分別是VCC，GND，OUT，其中OUT腳接在單片機(jī)I/O 口上，提供感應(yīng)信

8、號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)通過判斷感應(yīng)信號(hào)的高低電平來控制家電的工作狀態(tài)。人體感應(yīng)采用熱電釋人體感應(yīng)模塊，工作電壓為DC 4.520 V，觸發(fā)方式為感應(yīng)輸出高電平，感應(yīng)距離為7 m 以內(nèi)。全自動(dòng)感應(yīng)，人進(jìn)入感應(yīng)范圍則輸出高電平，人離開感應(yīng)范圍則自動(dòng)延時(shí)2.5 s關(guān)閉高電平，輸出低電平。該人體感應(yīng)模塊有3 個(gè)引腳，分別是VCC，GND，OUT，其中OUT腳接在單片機(jī)I/O口上，提供感應(yīng)信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)通過判斷感應(yīng)信號(hào)的高低電平來控制家電的工作狀態(tài)。光強(qiáng)度感應(yīng)通過將光敏電阻與上拉電阻并聯(lián)分壓，中間電壓作為L(zhǎng)M393 比較電路的輸入端，另一比較輸入端由電位器提高基準(zhǔn)電壓，LM393輸出為模擬信號(hào)，在輸出

9、端上拉電阻得到數(shù)字信號(hào)，輸出端與單片機(jī)I/O口相連，發(fā)送感應(yīng)信號(hào)給89C51單片機(jī)，與聲控模塊和人體感應(yīng)模塊的感應(yīng)信號(hào)相結(jié)合，主控制模塊做出邏輯判斷處理，以此來智能控制家電的工作狀態(tài)。遙控接收模塊采用6 路無(wú)線紅外遙控接收板，為6 路非鎖存輸出接收模塊，超再生接收板（固定碼）采用LC振蕩電路，輸出的信號(hào)為高電平，可直接驅(qū)動(dòng)一只發(fā)光二極管，有密碼保護(hù)功能。接收板工作頻率為315 MHz，工作電壓為直流5 V，靜態(tài)電流為5 mA，接收靈敏度為-103 dBm。6路超再生接收模塊有9個(gè)引出端，分別為VCC，GND，D0，D1，D2，D3，D4，D5，VT，其中VCC 為5 V供電端，GND為接地端，

10、VT端為解碼有效輸出端，D0，D1，D2，D3，D4，D5，PT2272集成電路的713腳，為6位數(shù)據(jù)鎖存輸出端，有信號(hào)時(shí)能輸出5 V高電平，驅(qū)動(dòng)電流約2 mA，與發(fā)射器上的6個(gè)按鍵一一相對(duì)應(yīng)。發(fā)射器按鍵被按下，接收板收到控制信號(hào)，相對(duì)應(yīng)的引腳輸出高電平，發(fā)送控制信號(hào)給主控制模塊，主控制模塊做邏輯處理。主控制模塊為AT89C51單片機(jī)。AT89C51 單片機(jī)擁有4 KB FLASH 閃速存儲(chǔ)器，128 B 內(nèi)部RAM，32 個(gè)I/O口線，2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。單片機(jī)分別與遙控接收板上的常規(guī)模式信號(hào)腳、夜間模式信號(hào)發(fā)送腳、定時(shí)

11、信號(hào)發(fā)送腳、減小信號(hào)發(fā)送腳和增大信號(hào)發(fā)送腳相連接，用于接收并發(fā)送指令；電源模塊分別與同步信號(hào)提取模塊、單片機(jī)相連，把交流電轉(zhuǎn)化為直流電后再把直流電供給同步信號(hào)提取模塊和單片機(jī)；同步信號(hào)提取模塊與單片機(jī)相連，用于向單片機(jī)發(fā)送同步信號(hào)，使插座本體的控制狀態(tài)和遙控器的控制狀態(tài)一致；電源通斷模塊與單片機(jī)相連，增大按鍵或減小按鍵被按下時(shí)觸發(fā)單片機(jī)，單片機(jī)同時(shí)發(fā)送觸發(fā)信號(hào)給電源通斷模塊從而使電源通斷模塊進(jìn)行無(wú)觸點(diǎn)式以小電流控制大電流；光控模塊與單片機(jī)相連，用于感應(yīng)插座本體所處周圍環(huán)境的亮度情況并做出判斷是否進(jìn)入夜間模式；聲控模塊與單片機(jī)相連，在插座本體處于夜間模式下根據(jù)聲音控制插座本體的導(dǎo)通從而控制接在插

12、座上的電器的打開與關(guān)斷狀態(tài)；人體感應(yīng)模塊與單片機(jī)相連，在插座本體處于夜間模式下根據(jù)人體是否存在感應(yīng)范圍內(nèi)來控制插座本體的導(dǎo)通從而控制接在插座上的電器的打開與關(guān)斷狀態(tài)；紅外遙控模塊與單片機(jī)相連，用于接收遙控器發(fā)射的紅外信號(hào)并把接收到的信號(hào)傳送給單片機(jī)。進(jìn)一步地，插座本體還包括定時(shí)模塊，定時(shí)模塊分別與單片機(jī)、定時(shí)按鍵相連，用于控制常規(guī)模式下定時(shí)的時(shí)間7?8。3 智能遙控插座的軟件設(shè)計(jì)常規(guī)模式下可通過遙控按鍵“增加”和“減少”按鍵來進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)家電的工作功率，使家電處于最舒服的工作功率。實(shí)現(xiàn)常規(guī)模式下的調(diào)節(jié)工作功率功能，要控制的對(duì)象是50 Hz的正弦交流信號(hào)，通過同步信號(hào)檢測(cè)電路，將同步信號(hào)送至單片

13、機(jī)的外部中斷口INT0，單片機(jī)接收到同步信號(hào)后就啟動(dòng)一個(gè)延時(shí)程序Delay（），延時(shí)的具體時(shí)間由按鍵來改變。延時(shí)結(jié)束后，單片機(jī)立即產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)。觸發(fā)信號(hào)可使雙向硅導(dǎo)通，電流經(jīng)過雙向可控硅流過負(fù)載，使負(fù)載導(dǎo)通。按下增加按鍵，延時(shí)時(shí)間減少，觸發(fā)角變大，家電工作功率上升，反之亦然。延時(shí)越長(zhǎng)，負(fù)載導(dǎo)通的時(shí)間就越短，負(fù)載的工作功率就越小。由于延時(shí)的長(zhǎng)短是由按鍵決定的，所以實(shí)際上就是通過“ 增加”和“ 減少”按鍵來做到控制負(fù)載的工作功率。理論上來講，延時(shí)時(shí)間應(yīng)該可以是010 ms 內(nèi)的任意值。在程序中，將一個(gè)周期均等分成N 等份，每次按鍵只需要去改變其等份數(shù)，N 越大越好，但由于受到單片機(jī)本身的限制和基于

14、實(shí)際必要性的考慮，只需要分成100份左右即可，實(shí)際采用的值是95。雙向可控硅的觸發(fā)脈沖寬度要根據(jù)具體的光耦結(jié)合示波器觀察而定，在本設(shè)計(jì)中取20 s。程序中使用定時(shí)器T1來控制這個(gè)時(shí)間。常規(guī)模式下的定時(shí)功能，可由遙控按鍵“定時(shí)”來控制實(shí)現(xiàn)。定時(shí)時(shí)間可由定時(shí)按鍵設(shè)置，總共有4 個(gè)檔位：無(wú)定時(shí)、1 h、2 h、3 h。遙控的定時(shí)按鍵發(fā)送控制信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)啟動(dòng)定時(shí)器1，定時(shí)工作檔位時(shí)間后，關(guān)閉外部中斷INT0，觸發(fā)信號(hào)就斷開，雙向可控硅斷開，家電處于斷開狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)定時(shí)工作控制。夜間模式下的智能識(shí)別，可對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行智能識(shí)別，做到周圍光亮度較暗時(shí)且有人時(shí)，自動(dòng)使家電處于工作狀態(tài)，并且做到?jīng)]人時(shí)，自

15、動(dòng)延時(shí)1 min斷開家電9。常規(guī)模式和夜間模式可以有遙控按鍵“常規(guī)”和“夜間”進(jìn)行相互切換。夜間模式下，光控模塊可對(duì)周圍的光亮度進(jìn)行判斷，并把感應(yīng)信號(hào)實(shí)時(shí)發(fā)送給主控模塊；聲控模塊對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行判斷，看是否有人說話，并且將感應(yīng)信號(hào)發(fā)送給主控模塊；人體感應(yīng)模塊可對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行判斷，看周圍是否有人走動(dòng)，并且將感應(yīng)信號(hào)發(fā)送給主控制模塊。主控制模塊對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行判斷，若是周圍光線條件較暗且有人走動(dòng)的話，開啟外部中斷INT0，單片機(jī)延時(shí)1 ms，提供觸發(fā)信號(hào)，使雙向可控硅導(dǎo)通，家電處于通電狀態(tài)。并且實(shí)時(shí)對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行判斷，若沒人，通過定時(shí)器0進(jìn)行自動(dòng)延時(shí)1 min后關(guān)閉外部中斷，家電處于掉電狀態(tài)9。單片機(jī)

16、的空閑模式：當(dāng)單片機(jī)進(jìn)入空閑模式時(shí)，除CPU處于休眠狀態(tài)外，其余硬件全部處于活動(dòng)狀態(tài)，芯片中程序未涉及到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和特殊功能寄存器中的數(shù)據(jù)在空閑模式期間都將保持原值。但假若定時(shí)器正在運(yùn)行，那么計(jì)數(shù)器寄存器中的值還將會(huì)增加。單片機(jī)在空閑模式下可由任一個(gè)中斷或硬件復(fù)位喚醒，需要注意的是，使用中斷喚醒單片機(jī)時(shí)，程序從原來停止處繼續(xù)運(yùn)行，當(dāng)使用硬件復(fù)位喚醒單片機(jī)時(shí)，程序?qū)念^開始執(zhí)行。單片機(jī)的掉電模式：當(dāng)單片機(jī)進(jìn)入掉電模式時(shí)，外部晶振停振、CPU、定時(shí)器、串行口全部停止工作，只有外部中斷繼續(xù)工作。使單片機(jī)進(jìn)入休眠模式的指令將成為休眠前單片機(jī)執(zhí)行的最后一條指令，進(jìn)入休眠模式后，芯片中程序未涉及到的數(shù)據(jù)

17、存儲(chǔ)器和特殊功能寄存器中的數(shù)據(jù)都將保持原值?？捎赏獠恐袛嗟碗娖接|發(fā)或由下降沿觸發(fā)中斷或者硬件復(fù)位模式喚醒單片機(jī)。單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)電源管理寄存器PCON，這個(gè)寄存器的最低兩位，IDL和PD分別用來設(shè)定使單片機(jī)進(jìn)入空閑模式和掉電模式。IDL為空閑模式設(shè)定位，當(dāng)IDL=0時(shí)，單片機(jī)處于正常工作狀態(tài)；當(dāng)IDL=1時(shí)，家電進(jìn)入空閑模式。PD為掉電模式設(shè)定位，當(dāng)PD=0時(shí)，單片機(jī)處于正常工作狀態(tài)；當(dāng)PD=1時(shí)，家電進(jìn)入掉電模式9?10。4 結(jié)語(yǔ)隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，各種設(shè)備甚至于人都成了物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)環(huán)節(jié)，家居的智能化是今后科技發(fā)展的必然趨勢(shì)。在我國(guó)，尤其是農(nóng)村市場(chǎng)，已存在大量低端電器設(shè)備資源。如何將這些資

18、源很好的利用起來，讓人人都能以較低的花費(fèi)享受到高端智能設(shè)備帶來的便利，是一個(gè)值得研究的課題。智能遙控插座，通過對(duì)電源的智能控制，實(shí)現(xiàn)普通家電的智能化，適用于臺(tái)燈、電扇等功能簡(jiǎn)單且應(yīng)用廣泛的家電市場(chǎng)，擺脫了傳統(tǒng)插座功能單一的局限，以低廉的成本提供舒適的智能家居體驗(yàn)，在廣大低端電器市場(chǎng)具有巨大的應(yīng)用潛力。參考文獻(xiàn)1 張永剛.智能家居產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)J.智能建筑與城市信息，2014（8）：20?24.2 蔣偉明.中國(guó)智能家居的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)J.科技視界，2014（18）：326?327.3 呂莉，羅杰.智能家居及其發(fā)展趨勢(shì)J.計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2007（11）：19?23.4 徐偉，姜元建，王斌.智能遙控插座在智能家居系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用J.中國(guó)儀器儀表，2010（10）：45?47.5 孫建平，單海斌.單片機(jī)技術(shù)在智能家具中的應(yīng)用與發(fā)展J.森林工程，2012，28（5）：45?49.6 溫鐵純，孫建國(guó)