智能插座的设计.doc

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1、设计提纲智能插座的设计论文概述一、文献综述1.前言 该论文详细阐述了家电管家的概念、创新性、工作原理、设计方案、社会应用价值等。 家电管家是一个由手机APP加一个智能插座的科技产品。手机上的APP通过蓝牙来连接智能插座，简单的操作APP按钮，实现对家用电器的智能化、安全化控制。 第一点：节能环保 家用电器通常大多数时间处于待机状态，造成很大的电能浪费，据统计一个普通家庭的待机功耗相当于其一个月的用电量，这还仅仅是一个家庭。相比之下智能插座不需要来回的插拔、不需要机械开关、就可以实现对家用电器电源的通断电，以达到节能环保的目的。 第二点：安全用电 多次的插拔造成插座不牢固、接触不良、极易产生电弧

2、（电弧的危害极大），自动控制插座孔的通断电可以省去插拔电源次数，降低了电弧产生的可能性，降低了因电弧发生火灾的概率，大大提高了插座的使用寿命。 将不使用的插孔及时的自动闭合，减少了电磁辐射对人们身体的损害，父母再也不用担心孩子乱触碰电源插座等造成的安全问题。 第三点：智能、方便 可以通过手机APP来设定用电器工作时间，可以设定在何时去工作。 在APP中可以添加或减少控制任务，比如何时控制饮水机烧水、控制电饭煲做饭、控制手机、平板等移动设备的充电时间（省去插拔的麻烦）、控制WiFi的工作时间等等。同时检测因不明原因造成的用电器断电，即时传送到手机上，及时提醒人们发现。 亦可以通过APP来搜寻、添

3、加设备实现对多个插座的控制。 - 1 -智能插座的设计目 录第一章 引言- 2 -1.1 设计背景- 2 -1.2 总体设计概述- 2 -1.3 文本结构- 3 -第二章 电源设计方案- 4 -2.1 各种电源电路介绍- 4 -2.2 桥式整流电路的设计- 4 -第三章 控制电路设计方案- 5 -3.1 MCU的选择与应用- 5 -3.2 继电器的选择- 5 -3.3 三极管驱动原理- 6 -3.4 无线传输控制- 7 -第四章 电路设计的问题及PCB设计要求- 8 -4.1 如何最大限度的降低功耗- 8 -4.2 元器件的选择与承受功率问题- 8 -4.3 PCB设计的要求与规则- 8 -4

4、.4 整体电路图- 10 -4.5 PCB图：- 11 -第五章 软件设计- 12 -5.1设计概述- 12 -5.2 使用到的MCU资源- 12 -5.3 定时程序- 12 -5.4主程序及其算法- 13 -第六章 APP的设计- 17 -6.1 APP的开发概述- 17 -6.2 应用程序- 17 -6.3 程序库- 17 -6.4 设计要求- 17 -第七章 整体设计调试、外观设计- 19 -7.1 整体测试技术指标- 19 -7.2 外观整体设计- 19 -结 论- 20 -参考文献：- 21 -附录B:实物、演示效果图- 22 - 1 -智能插座的设计作者1,作者 2,作者 3*1,

5、2，*1，*1摘要:通过手机APP来控制智能插座、实现插座的通断电、定时、智能化控制；及时自动切断家用电器的电源解决待机功耗，达到节能的目的；免去插拔的麻烦、降低产生电弧的可能性、发生火灾的概率；定时智能化控制体现智能家居概念。采用STM32作为主控芯片，利用内部定时器资源控制继电器，通过蓝牙与手机连接实现定时通断控制。关键词: 节能、安全、智能、定时、蓝牙、STM32。 第一章 引言1.1 设计背景随着社会的发展，家用电器的使用率越来越高，但是家用电器大部分时间处于待机状态，造成很大的电能浪费，据统计一个普通家庭一年待机功耗相当于一个月电费，不是人们的节能意识不高，而是来回的插拔电源很麻烦；

6、来回的插拔电源会产生电弧、造成插座接触不良、插孔不牢固、加速老化、严重的话会发生火灾，因线路发生火灾的情况有很多；如果有一种智能化的插座，通过手机来控制通断电就能很好的解决这些问题，与此同时可以定时控制，实现定时一段时间、从一个时间点到另一个时间点，就可以随意控制用电器工作日期、工作时间，实现预约定时工作；同时在手机APP上实时的显示用电器的工作状态、及时反馈不明原因造成的断电，智能化的控制进一步方便了人们的生活，体现了智能家居的概念。1.2 总体设计概述 控制电路要求功耗尽可能的低、可靠性高、成本低。整体设计时应该考率到产品的体积，PCB面积尽可能的小，使产品小巧，精致。继电器尽可能的选择负

7、载能力大的继电器。在设计时是选用蓝牙控制，还是Wifi联网控制都需要经过慎重的考虑，尽量不使用模块化的东西。 在设计电源时，直接从220V电路取电，这需要将220V变成5V/3.3V，在设计电源时，一般都是经过降压，整流、滤波、稳压；还有RC降压，还有开关电源等等方案，这几种电源方案各有优缺点，在设计时应根据需求选择。 在开发APP是要充分考虑到应具备的功能，在设计APP时要尽可能的是人机界面友好，界面易于操作，容易上手。考虑到软件的兼容性，还有软件所支持的操作系统，Android、IOS、Windows。以后需要开发各种版本，定期的对软件进行维护，升级。1.3 文本结构 文本分为五章，第一章

8、引言对整体概述；第二章是对电源的设计介绍电源设计的重要性；第三章介绍主控电路的设计方案；第四章介绍整体电路图及PCB设计的可靠性；第五章是对软件程序的设计，介绍一些满足设计的算法；第六章是对APP的设计，基于安卓版本的初期版本；第七章是对插座的整体调试、外观设计。第二章 电源设计方案2.1 各种电源电路介绍 在设计电源时，直接从220V电路取电，这需要将220V变成5V/3.3V，在设计电源时，一般都是经过降压，整流、滤波、稳压；还有RC降压，还有开关电源等等方案，这几种电源方案各有优缺点，在设计时应根据需求选择。 220V相对于5V电压较高，一定要保证较高的电压通断产生的电磁不会对控制电路产

9、生干扰，两部分电源要尽可能的距离远，必要时对芯片加装金属频闭外壳，设计电路板时，处理好各种 “地” 的问题。2.2 桥式整流电路的设计 选择合适的电源方案，从稳定性考虑，可以选择降压、整流、滤波、稳压方案。一定要保证较高的电压通断产生的电磁不会对控制电路产生干扰，两部分电源要尽可能的距离远，在核心的芯片上加装金属屏蔽罩，降低电压波动产生的杂乱电磁波对芯片的影响。 将桥式整流电路做成模块，采用220V-5V模块作为工作电源，做成直插式封装、体积小，直接焊接在电路板上就可以使用；这样既保证了电源的稳定性，又保证PCB的面积、体积尽可能的小，可以极大限度的利用插座内部的空间。第三章 控制电路设计方案

10、3.1 MCU的选择与应用 MCU的设计要求CPU的频率要合适，CPU的频率过高会增加功耗，频率过低满足不了实时性的需求,本设计采用STM32F103CBT6作为控制芯片。 STM32是一款基于基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M内核，基于ARMv7架构。增强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz。 再者采用LQFP48封装，具有体积小，10mm*10mm，方便焊接等特点；这也符合设计是尽可能的减小PCB面积的要求。

11、 主控芯片电路图： 3.2 继电器的选择 采用HK4100F-DC5V-SHG。重 量 ： 3.5g 触点形式：1C（SPDT） 触点负载： 3 A 250 VAC/30 VDC 阻 抗： 100m、额定电流： 3A 、电气寿命：10万回机械寿命：1000万回。 继电器控制电路图：3.3 三极管驱动原理 继电器采用PNP型三级管驱动：三极管的型号为8550, PNP型三极管发射区和集电区是P型半导体,基区是N型半导体, 它的发射区多数载流子(空穴)浓度很高,集电区空穴浓度较低,基区做得很薄、而且多子(自由电子)浓度很低如图所示。 在外加电压作用下,发射区向基区发射空穴,形成射极电流IE ,其方

12、向与空穴运动方向相同,即由发射极流入三极管。基极电流IB主要由外电路补充基区复合掉的自由电子形成的,故其方向是由管子流出基极;集电极电流IC主要由收集的空穴流组成,其方向也是由管子流出集电极。 可见,IE、IB和IC的方向正好与NPN管相反,所示,发射极的箭头方向指向基极和集电极。由图中可以看出,IE、IB和IC 规定的正方向与实际方向相同,而uBE和uBC规定的正方向与实际方向相反,故uBE和uCE为负值。3.4 无线传输控制 采用HC-05主从一体蓝牙模块作为无线通信控制。蓝牙2.0 带EDR，2Mbps-3Mbps 调制度内置 2.4GHz天线, 用户无需调试天线；外置 8Mbit FL

13、ASH，低电压3.3V工作可选，PIO 控制标准HCI 端口(UART or USB)USB 协议: Full Speed USB1.1, Compliant With 2.0模2.4GHz 无线收发射， CSR BC04 蓝牙芯片技术自适应跳频技术，体积小(27mm13mm 2mm)简单的外围设计电路，蓝牙Class 2 功率级别。 第四章 电路设计的问题及PCB设计要求4.1 如何最大限度的降低功耗 在设计时，主控电路的设计要求尽可能的简单、可靠、满足设计需求即可，选择合适的芯片，在驱动继电器时，三极管的选择合适，从放大倍数、基极电阻、等方面考虑。保证驱动的电流输入=继电器动作电流即可。还

14、有插座上的指示灯的作用，也会产生功耗，在保证亮度的同时，尽可能的增大限流电阻，减小工作电流。 在主芯片不工作时，降低内核的频率，只让内部外设工作，使芯片进入待机休眠模式，只有在工作时才正常工作，这也是降低功耗的一个方法。 PCB设计的性能也将决定整体的功耗，在设计PCB时，元件的布局要合理，线路走线尽可能的短（要保证电路板的抗干扰能力) ，布线的线宽要尽量宽，可以起到降低阻抗的作用。4.2 元器件的选择与承受功率问题 为了使电路的稳定性高、PCB面积小、主板上所有的芯片都要采用贴片封装，包括电阻、电容、三级管等；电阻电容统一大部分使用0402封装，经验证0402封装的可以满足要求，三级管选择S

15、OT23，尺寸极小，安装使用较方便。4.3 PCB设计的要求与规则 在设计PCB时在设计PCB时，元件的布局要合理，线路走线尽可能的短（要保证电路板的抗干扰能力) ，布线的线宽要尽量宽，可以起到降低阻抗的作用。 1. 距板边距离应大于5mm。2先放置与结构关系密切的元件，如接插件、开关、电源插座等。3优先摆放电路功能块的核心元件及体积较大的元器件，再以核心元件为中心摆放周围电路元器件。4功率大的元件摆放在利于散热的位置上，如采用风扇散热，放在空气的主流通道上；若采用传导散热，应放在靠近机箱导槽的位置。5质量较大的元器件应避免放在板的中心，应靠近板在机箱中的固定边放置。6有高频连线的元件尽可能靠

16、近，以减少高频信号的分布参数和电磁干扰。7输入、输出元件尽量远离。8带高电压的元器件应尽量放在调试时手不易触及的地方。9热敏元件应远离发热元件。10可调元件的布局应便于调节。如跳线、可变电容、电位器等。11考虑信号流向，合理安排布局，使信号流向尽可能保持一致。12布局应均匀、整齐、紧凑。13表贴元件布局时应注意焊盘方向尽量取一致，以利于装焊，减少桥连的可能。14去耦电容应在电源输入端就近放置。15模拟电路尽量靠近电路板边缘放置，数字电路尽量靠近电源连接端放置，这样做可以降低由数字开关引起的di/dt效应。表1 通常我们布线时最常用的走线宽度、过孔尺寸：1） 当走线宽度为0.3mm 时间距线焊盘

17、过孔线0.3mm 0.3mm(表层)0.28mm(内层) 0.3mm(表层)0.28mm(内层)焊盘0.3mm0.3mm过孔0.3mm2） 当走线宽度为0.2mm 时间距线焊盘过孔线0.2mm 0.2mm 0.2mm 焊盘0.2mm 0.2mm 过孔0.22mm 3） 当走线宽度为0.15mm 时间距线焊盘过孔线0.15mm0.15mm0.15mm焊盘0.2mm 0.2mm 过孔0.22mm 4） 当走线宽度为0.12mm 时间距线焊盘过孔线0.12mm0.12mm0.12mm焊盘0.2mm 0.2mm 过孔0.22mm 4.4 整体电路图4.5 PCB图： 第五章 软件设计5.1设计概述 使

18、用MDK4.72进行代码的编写，采用STM32库函数V3.5开发。库函数开发具有开发进程快、不易出错、易于软件升级、代码规范等优点。使用J-LinK V8作为调试、下载工具、J-Link V8具有支持在线、断点、单步调试功能，烧写速度快速等优点。5.2 使用到的MCU资源 四个定时器、两个串口、十个I/O口（蓝牙4个、指示灯3个、继电器3个）。5.3 定时程序/* 通用定时器3初始化 ，APB1 2倍=72MHz arr:自动重装的值：psc:时钟预分频数 Tout=(arr+1)*(psc+1)/Tclk 溢出时间计算公式 Tclk:TIM3的输入时钟频率MHz Tout:TIM3溢出时间单

19、位us*/ void TIM2_Init(u16 arr,u16 psc)TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2,ENABLE);/定时器3初始化TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=arr;/设置自动重装在寄存器周期 值TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=psc;/设置时钟预分频除数的预分频值TIM_TimeBaseSt

20、ructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;/设置时钟分割TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;/设置计数模式为向上计数TIM_TimeBaseInit(TIM2,&TIM_TimeBaseStructure);/初始化TIM1TIM_ITConfig(TIM2,TIM_IT_Update,ENABLE);/允许更新中断/中断优先级NVIC设置NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=TIM2_IRQn;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQ

21、ChannelPreemptionPriority=0;/抢占优先级0NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority=3; /子优先级3NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE; /IRQ中断使能NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);/TIM_Cmd(TIM2,ENABLE); void TIM2_IRQHandler(void)/定时器3中断服务函数 if(TIM_GetITStatus(TIM2,TIM_IT_Update)!=RESET)TIM_ClearITPending

22、Bit(TIM2,TIM_IT_Update); TIM2_second+;if(TIM2_second=4) TIM2_second=0; J1=1; LED1=1; TIM_Cmd(TIM2,DISABLE); 5.4主程序及其算法#include led.h#include sys.h#include delay.h#include hc05.h#include usart2.h#include string.h#define J1 PBout(9) #define J2 PBout(1)#define J3 PAout(9) u8 TIM2_second,TIM2_min,TIM2_h

23、our;u8 TIM3_second,TIM3_min,TIM3_hour;void J_Init(void)GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE); /打开PB,PA时钟GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_9; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;GPIO_InitStructure.GPIO_

24、Speed = GPIO_Speed_50MHz;/速度GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_9);/初始设置为高电平输出GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3; GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_3);int main(void) u8 reclen=0; delay_init();NVIC_Configuration();TIM2_Init(

25、9999,7199); /1秒TIM3_Init(9999,7199);LED_Init();J_Init();while(HC05_Init() /初始化ATK-HC05模块 delay_ms(200);while(1) if(USART2_RX_STA&0X8000)/接收到一次数据了 reclen=USART2_RX_STA&0X7FFF;/得到数据长度 USART2_RX_BUFreclen=0; /加入结束符if(reclen=9|reclen=8) /控制DS1检测/*控制插孔1*/if(strcmp(const char*)USART2_RX_BUF,+LED1 ON)=0)J1

26、=0;LED1=0;if(strcmp(const char*)USART2_RX_BUF,+LED1 OFF)=0)J1=1;LED1=1;if(strcmp(const char*) USART2_RX_BUF,+set_4s)=0) J1=0;LED1=0;TIM_Cmd(TIM2,ENABLE);/*控制插孔2*/if(strcmp(const char*)USART2_RX_BUF,+close2)=0)J2=0;/打开LED1if(strcmp(const char*)USART2_RX_BUF,+open2)=0)J2=1; /关闭LED1if(strcmp(const char

27、*)USART2_RX_BUF,+set_8s)=0)J2=0; LED2=0;TIM_Cmd(TIM3,ENABLE);/*控制插孔3*/if(strcmp(const char*)USART2_RX_BUF,+close1)=0)J3=0;/打开LED1if(strcmp(const char*)USART2_RX_BUF,+open1)=0)J3=1; /关闭LED1if(strcmp(const char*)USART2_RX_BUF,+set_15s)=0)J3=0; LED3=0; TIM_Cmd(TIM2,ENABLE); USART2_RX_STA=0; 第六章 APP的设计6

28、.1 APP的开发概述 android软件开发是根据用户要求建造出android软件或者系统中的软件部分的过程。android软件开发是一项包括需求捕捉，需求分析，设计，实现和测试的系统工程。软件一般是用某种程序设计语言来实现的。通常采用软件开发工具可以进行开发。6.2 应用程序 Android会同一系列核心应用程序包一起发布，该应用程序包包括email客户端，SMS短消息程序，日历，地图，浏览器，联系人管理程序等。所有的应用程序都是使用JAVA语言编写的。 开发人员也可以完全访问核心应用程序所使用的API框架。该应用程序的架构设计简化了组件的重用；任何一个应用程序都可以发布它的功能块并且任何

29、其它的应用程序都可以使用其所发布的功能块（不过得遵循框架的安全性限制）。同样，该应用程序重用机制也使用户可以方便的替换程序组件。6.3 程序库 Android 包含一些C/C+库，这些库能被 Android 系统中不同的组件使用。它们通过 Android 应用程序框架为开发者提供服务。Android 包括了一个核心库，该核心库提供了JAVA 编程语言核心库的大多数功能。Android 的核心系统服务依赖于 Linux 2.6 内核，如安全性，内存管理，进程管理， 网络协议栈和驱动模型。 Linux 内核也同时作为硬件和软件栈之间的抽象层。安卓应用的开发语言用的是Java语言，并且在Androi

30、d中也用到了Java核心类库的大量的类。6.4 设计要求 在开发APP是要充分考虑到应具备的功能，可以随时的添加设备（插座），检测设备的工作状态、及时显示每个插孔的通断电状态、定时的时间可调、可以是一段时间，或者从一个时间点到另一个时间点等等，还要考虑到设备升级时，应预留的扩展接口等。 在设计APP时要尽可能的是人机界面友好，界面易于操作，容易上手。考虑到软件的兼容性，还有软件所支持的操作系统，Android、IOS、Windows。以后需要开发各种版本，定期的对软件进行维护，升级。 上图是我们初期开发的APP界面，界面简单，易于使用。只有开关、定时间段功能。在后期要对APP进行升级，加入预约

31、定时功能、定时间点功能、 状态监测等功能；并且将将APP的界面美化。 我们可以将APP的下载连接做成二维码附在插座上，通过带有扫二维码的软件，就可以很方便的将APP安装到手机中。后期要开发IOS、Windows版本，使其使用范围更广。 第七章 整体设计调试、外观设计7.1 整体测试技术指标 1、开关通断速度=72小时。 3、检测电器通断=10次/秒、 4、蓝牙传输距离：B型10-20米。 5、PCB总面积=50mm*50mm、双层。 6、控制电路功耗=1000W。7.2 外观整体设计 使用AutoCAD来设计产品的外壳，插孔导电材料的选择要合适，保证良好的接触性能。 将调试好的电路板安装到插座

32、中，用螺丝固定好PCB板的位置。逐个的实验每个插孔的效果，实验其负载能力，加大强度的测试其稳定性，获得产品的最终性能参数。测试时遇到问题，就找出问题、解决并重新设计。 我们使用防火、性能优良的塑料作为插座的外壳，保证机械强度的同时又不会显得很笨重。设计插座的外壳我们使用AutoCAD这个软件。CAD即计算机辅助设计(CAD-Computer Aided Design) 利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作的软件。在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。 结 论 通过将设计方案转化为实物模型，进过多次的测试、检验、证明了设计方案完全可行。具有科学性、

33、创新性、实用性、等特点。 我们初期做出的样品具有初期产品的特征要求，无论是从外表美观度、可靠性、使用寿命、性价比等方面都能体现。按照设计技术指标要求，我们做到了符合各种技术指标、比如继电器通断速度、控制的时间、控制距离、负载能力、功耗等。 “家电管家”的使用给人们的生活带来极大便利，改变了人们的生活，它不仅仅局限于家用电器的使用，更可以将其推广、扩展到其它的地方去，像易发生火灾的地方、公共场所、办公室、家庭住宅等、使人们即省去来回插拔电器的麻烦，又不用担心设备待机浪费电能；而且相比传统的插座，它更加的智能化，延长了家用电器的使用寿命、延长了插座的使用寿命。 日常生活中华的火灾有很大比例是因为插

34、座过热，老化，此“家电管家”的使用可以说从一定程度上降低因电发生火灾的可能性。 它更是智能化发展的一个趋势，它的出现既体现了现代科技发展的环保，节能的要求，同时又保障了人们的生命财产安全。家电管家体现了智能家居的一个概念，它不仅仅是一个手机加插座这么简单。 据统计一个普通家庭的家用电器一年待机功耗大概在200元左右，相当于普通家庭的一个月电费，普及智能化的插座能有效减少电能的浪费。 而且很多的火灾都是由于家用电器的插孔接触不良、老化。智能插座的使用可以有效的减少火灾发生的几率。大大提高日常家居生活的安全。参考文献：1 杨光祥. STM32单片机原理与工程实践 武汉理工大学出版社 20092 龚

35、运新. 单片机C语言开发技术M. 清华大学出版社, 20063 芮新芳,朱朝霞,牛耀国. 使用Altium Designer Winter 09软件快速设计印刷电路板J. 软件导刊. 2011(06)4李广弟等.单片机基础M.北京航空航天出版社，2001.5陈海宴.51单片机原理及应用M.北京航空航天大学出版社，2010.6刘守义等.单片机技术基础M.西安电子科技大学出版社，2007.7李平等.单片机入门与开发M.机械工业出版社，2008.8 刘火良，杨森 著. STM32库开发实战指南作者：出机械工业出版社9 黄智伟，王兵，朱卫华. STM32f32位ARM微控制器应用设计与实践 北京航空航天大学出版社 200810 边金泉.单片机外围接口电路J. 电子世界. 2001(01)11 汪宁. Proteus软件的单片机仿真方法J. 山东轻工业学院学报(自然科学版). 2007(01)附录B：实物、演示效果图 - 21 -