基于MSP430单片机的智能插排设计
本文介绍了一种人性化、智能型的节能插排的设计，智能插排以超低功耗单片机MSP430F149作为控制核心，具有电能计量、过流检测、定时通断、温度检测等功能，还具有学习红外遥控编码的功能，可学习任意一款家用遥控器按键的红外编码，根据不同红外编码实现智能插排的开、关遥控功能，进而达到控制用电设备的目的。本文详细论述了系统各个部分的实现方法及工作原理，并给出相关电路原理图及程序流程图。该智能插排具有节能、易用、功能齐全以及安全可靠等特点。引言
随着人们生活水平的提高，健康、环保、节能的生活理念已深入人心，对于智能型、人性化的家居产品，受到了人们广泛的关注。生活中，人们希望对某些用电设备的耗电情况进行监控，比如：电饭煲做一次饭的耗电量，电暖风工作半小时耗电多少，冰箱工作一天实际所需电量，人们希望对这些设备的耗电量有准确的把握，为解决这一问题，本智能插排设置了电能计量功能，能够对用电设备的耗电量进行电能检测及计量。而目前市场上的智能插排类产品，只具有简单的定时通断、状态指示的功能，功能单一、价格昂贵。为此，本文选用了以低功耗著称的MSP430单片机作为主控制器，辅以电能计量、过流检测、定时通断、温度检测、红外遥控等功能，设计了一款具有低功耗、高性价比、人性化程度高等特点的智能型插排。
硬件设计
智能插排的工作原理
智能插排的硬件系统主要由主控制器单元、电能计量单元、过流检测单元、红外接收单元、温度检测单元、继电器控制单元、显示及报警单元组成。硬件系统框图如图1。
为了实现对用电设备的耗能监测，通过电能计量模块进行检测计量，该模块将电能值转换为单位时间内的脉冲个数，单片机通过读取脉冲个数的数值，可计算出耗电量，并通过LCD液晶显示器显示出来。
红外接收单元主要用来接收家用遥控器的红外编码信息，并将接收到的结果输出给单片机，单片机将接收到的红外信号进行解码，根据识别出的信息驱动继电器进行相应的动作，从而实现智能插排的遥控功能，本智能插排能够学习家用遥控器的任意两个按键的红外编码，用户可以将遥控器的闲置按键设定为插排的开、关按键。
系统控制单元
单片机作为整个系统的核心，起着协调系统工作、计算、控制的作用，出于低功耗、低成本的考虑，本系统采用TI公司的MSP430F149单片机作为系统的主控制器，这是一款16位的单片机，内部资源丰富，内置12位A/D转换器，并具有足够多的外部I/O管脚，具有60KB的闪存和2KB的随机存储器，能够进入低功耗模式，降低系统功耗，满足本系统的设计要求。
过流、温度检测单元
过流及温度检测对于保护用电设备有着非常重要的作用，可延缓用电线路老化，并保障家庭用电安全。过流检测电路采用量程为20A的ACS712芯片，该芯片将导线中电流转换为电压值，并从VOUT输出，其转换公式为VOUT=185mv/A，通过单片机内置的A/D转换器，将电压值转换为数字量，再计算出电流值，根据实测电流值的大小与用户设定的电流值相比较，如果大于用户设定值，则单片机控制继电器断开电源。
温度检测采用DS18B20温度传感器，该款芯片驱动简单，并采用单总线连接方式，测温范围为-55~+125℃，满足本设计的需求，该传感器为数字传感器，其将温度数据通过单总线传输给单片机，单片机接收后，转换为温度值，并在LCD上显示，如果超过用户设定的温度值，则报警单元给出报警提示。电路如图2。
为了简化电路及程序设计，采用HS0038红外一体化接收头接收红外信号，该接收头仅需一根管脚即可与单片机通信，HS0038接收到红外信号后，将解调后的红外编码信息传输给单片机，单片机再进行解码，识别出遥控器的相应键值，单片机将识别出的键值与存储“开”、“关”键值进行比较，进而驱动继电器断开或者连通电源。电能计量功能用来评估用电设备的实际耗电量，为实现此功能，采用ADE7755计量芯片，其专门用于额定频率50Hz和60Hz的单相交流有功电能的计量，具有计量精度高、灵敏度高、功耗低、体积小的特点，电路如图3所示。该计量模块使用简单，将图中锰铜电阻R串入火线用以采集电能，当有电流流过电阻时，从DO管脚输出一定频率的电压脉冲，电流越大，单位时间内的输出的脉冲数越多，单片机通过累加脉冲数量即可计算出设备所耗电量。
显示、报警及继电器单元
智能插排需要对耗电量、定时时间、实时电流值、温度值、继电器开合状态等参数进行显示，选用128*64点阵液晶进行显示，本设计中采用cog液晶模组作为显示器，该液晶可由3V电压供电，价格低廉，采用串行通信方式，占用I/O较少，并且体积较小，驱动简单，与单片机连接方式如图4。为了减少系统的体积，并增加系统可靠性，采用固态继电器进行开关控制，固态继电器的输入端仅需微小的控制信号，就能够达到直接驱动大电流负载的目的，是无触点的电子开关，无噪音，稳定性高，并且可以由单片机管脚直接驱动，极大地缩减了电路设计及程序设计。
软件设计
单片机程序设计采用模块化编程方法，主要包括红外信号的解码、LCD液晶模块的驱动、电能的计量、温度及电流检测等。
插排在初次上电之后，需要首先进行红外开关编码的学习，用来控制继电器开关的开、闭，插座上有2个学习按键“开”和“关”，按下“开”按键之后，进入“开”编码学习模式，此时再按下遥控器的一个按键，红外接收头接收到红外信号，解调后传输给单片机进行解码，并将解码数据存储在单片机内部，至此完成了“开”编码的学习，当再次按下遥控器的相应按键时，程序对解码数据同存储的“开”编码比较，如果编码相同，单片机则驱动继电器断开电源，程序流程如图5。
主程序如图6所示，插排在上电后，首先进行初始化，然后根据用户设定的各个状态值，进行实时的状态监测比较，并将各参数在LCD上显示，当有异常情况发生时，首先驱动继电器断开开关，确保用电安全，再发出声光报警。为节省电能，报警功能设定为每分钟提示一次，当接收到遥控器的“关”指令时，单片机控制继电器开关闭合，系统重新开始工作。
结语
本智能插排实现了电能计量功能、过流检测功能、温度检测功能和红外遥控控制功能，并能够在状态异常情况下通过固态继电器自动断开电源，保护用电设备，确保用电安全，能够对各监控参数进行实时显示，通过电能计量功能掌握用电设备的实际耗电情况，方便实用，体现了人性化、智能化的现代生活理念，有着广阔的应用前景。
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