应用笔记|基于单片机的智能插座系统设计

 

关键词：ESP8266,HWPT01,ZHT118F,物联网云平台;
 

目录预览

 

 

 

    0 前言

    1 硬件电路设计

    2 系统软件设计

    3 系统测试结果分析

    4 小结

 

 

0. 前言

随着物联网技术以及科技的发展与进步，基于物联网技术的智能插座逐渐进入市场。该插座能够接入网络并实现手机等设备的远程开关机操作，实现对热水器、传统空调等电器设备的远程控制。

 

当前的物联网插座仅适用于墙面安装的插座，而对于拓展用的插排，尚未有成熟的产品上市。因此，本文提出了一种基于物联网的智能插座设计，该设计以***ATmega328P作为主控制器，对接机智云平台，结合Android APP和Web端实现对插排的远程控制。

 

 

   1.硬件电路设计

 

采用内置模/数转换器的ATmega328P单片机作为智能插排MCU核心，它通过控制ESP8266无线WiFi模块、隔离继电器、LCD显示器、报警蜂鸣器并结合电流传感ZHT118F、电压传感器HWPT01、电压电流采集器实现了对智能插排的远程控制以及过载警报及功能。

 

 

用户可以在手机APP端对智能插排进行远程控制，实现自动联网，远程控制开关，上传实时电流、电压和功率等参数信息至云平台，过载警报等功能。

 

各模块电路设计 

1.2

 

(1)ESP8266模块

成本低、体积小，方便嵌入到设备中，可运行LwIP协议，支持AP、STP、AP+STP三种模式[2]。它集成了 net、PWM、I2C、GPIO接口，而且支持 LUA 脚本语言开发，大大降低了开发难度。
 

(2)电压传感器模块

它具有一次电压变二次电压、保护电路、测量等作用。
 

(3)电流传感器模块

测量电流的模块选用ZHT118F,匝数比为1000∶1,最大可感测5 A电流，由于其输出电流信号同样为交流信号，因此，通过整流电路转换为直流信号后被单片机读取。

(4)电压/电流采集电路设计

该芯片为CS5460,它是一款常用的电能计量芯片，能够实现对直流以及交流电压/电流的采集，内置的24位高精度ADC也能满足采集精度要求。CS5460芯片原理图如图2所示。

 

(5)电磁继电器控制模块

电压为250 V、最大电流为10 A,为保证电路安全，通过光耦电路实现信号隔离。

 

2.系统软件设计

 

显示屏幕通过SPI总线与单片机相连，单片机不具有硬件SPI总线设计，编译器集成有软件SPI库文件，仅需按照库文件的需求初始化SPI总线，即可使用SPI总线通信。设置显示屏显示时，首先应设置显示屏初始化，发送相关控制指令至显示屏，设置光标移动方向以及初始显示位置等信息后才可进行显示操作，显示程序流程如图3所示。

 

 

先需进行SPI总线的初始化，之后向SPI总线发送显示屏的控制指令，完成对显示屏的设置工作后，向显示屏发送数据指令，之后显示屏显示内容，完成一次显示，再次显示时无须重新设置显示屏，可直接移动光标至指定位置后，发送显示数据即可实现显示屏的显示功能，完成操作。

 

2.2 电压/电流感测及警报程序流程设计

 

电压/电流的感测通过CS5460实现，该电路通过一组四线制通信总线实现与系统的通信，系统通过对芯片的寄存器操作实现对数据的读取，其数据读取程序流程如图4所示。

 

 

进行电压以及电流数据读取时，首先初始化通信总线，之后通过寄存器控制命令将读取电压/电流的控制指令写入芯片的寄存器，之后芯片将启动转换并将数据发送至输出寄存器，系统通过读取输出寄存器的值即可获知电路的电压以及电流数据，然后转换为实际的电压/电流值，并相乘计算有功功率。

 

 联网服务器设置 

2.3

 

使用机智云平台的服务器设计，该平台属于开放式平台，目前可以免费接入10台设备进行测试，在产品发布之前将免费提供使用服务，适合本次设计使用。

 

机智云平台对ESP8266模块具有很好的支持，并提供专用的固件程序用于简化通信设计。首先打开机智云官网，然后登录机智云开发者中心，在下载中心找到模组相对应固件，如果平台未开放您所需的固件，也可以到机智云官方店铺去采购，固件下载示意图如图5所示。

 

机智云提供各常用无线模块的专用固件下载，针对ESP8266有两种固件，由于本次不涉及大数据处理计算，因此无须采用支持ECE雾计算的固件，下载后，利用烧录器配合专用的烧录软件对固件进行烧录。

 

固件烧录完成后，可配置联网服务器，登录机智云服务器后，创建新的项目，同时采用WiFi类型的数据传输,其余设置采用默认设置即可。设置完成后，系统将自动生成产品的PK序列号以及PS数据通信密码，序列号用于识别项目名称，通信密码用于进行数据传输加密，工程创建完成后，即可针对各个传输的数据进行数据节点的创建。

  

 

2.4 手机APP设计

 

手机APP是实现数据监控以及系统控制的重要工具，采用机智云服务器时，通过项目可生成集成有通信协议的以及数据打包格式的APP源代码，仅需在源代码中添加部分项目信息并编译，即可实现手机APP的设计。

 

其中，ControlModule模块为设备控制模块，用于控制模块；DeviceModule模块为设备模块，用于控制设备。本设计中，将设备信息以及数据通信设置添加至对应模块后，即可实现与手机的通信。

 

   3.系统测试结果

完成对硬件电路的搭建以及对软件程序的编译后，将软件程序通过下载器烧录至单片机中。系统上电后开始工作，将采集各个传感器数据并通过LCD1602显示，同时上传至服务器，通过手机APP进行显示。图中显示，当前电压为237 V,电流为0.19 A,此时功率为46 W,与负载标称额定功率大致相等，系统检测结果准确，启动手机APP,显示情况如图6所示。可见，测试结果与终端显示结果相同，系统能够实现相应功能。

 

 

   4.小结

本文提出了一种基于单片机的智能插座设计，该设计能够实现对插座的电压、电流以及功率的检测等，并能够实现对插座的远程控制。依据传统插座的结构，通过添加单片机控制器、LCD1602显示屏、LCD1602显示屏、电压/电流传感器以及ESP8266 WiFi模块实现对插座的控制。

 

测试结果表明,系统能够实现对电压/电流的检测以及功率的计算、过载报警功能,同时能够实现远程开关控制,最终实现基于单片机的智能插座设计。