朱曉亮，趙玲娜

（無錫中微愛芯電子有限公司，江蘇 無錫 214072）

基于MSP430的智能插座設(shè)計(jì)

朱曉亮，趙玲娜

（無錫中微愛芯電子有限公司，江蘇 無錫 214072）

智能插座是新興的電氣產(chǎn)品，是物聯(lián)網(wǎng)和智能家居的概念下伴隨發(fā)展的產(chǎn)物?，F(xiàn)有智能插座的功能基本圍繞在手機(jī)端進(jìn)行定時(shí)通電、斷電操作，但這些功能還不能完全解決用戶的實(shí)際問題。設(shè)計(jì)了智能插座實(shí)現(xiàn)對(duì)電子設(shè)備充電、功率因數(shù)測(cè)量比對(duì)和電能計(jì)量方面等功能，使得電子設(shè)備充電更加精確和安全。設(shè)計(jì)在發(fā)現(xiàn)低功率因數(shù)可淘汰的產(chǎn)品、兒童上網(wǎng)控制、賓館計(jì)費(fèi)插座等應(yīng)用領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。

智能插座；Wi-Fi；MSP430；智能家居

1　引言

隨著科技的發(fā)展，家庭中的各類電子產(chǎn)品越來越多，但經(jīng)常出現(xiàn)電子產(chǎn)品長(zhǎng)時(shí)間充電導(dǎo)致設(shè)備損壞的問題，各類低功率因數(shù)產(chǎn)品充斥市場(chǎng)，嚴(yán)重影響家庭內(nèi)電網(wǎng)質(zhì)量。為此本文設(shè)計(jì)了基于MSP430F2274處理器的智能插座，通過測(cè)量插座輸出的瞬時(shí)電流和瞬時(shí)電壓，再經(jīng)過公式計(jì)算可得到電壓有效值、電流有效值、實(shí)際消耗的電能、功率因數(shù)值、有功電能和無功電能等參數(shù)。智能插座通過這些參數(shù)可對(duì)插座的各項(xiàng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。該智能插座還將數(shù)據(jù)通過WiFi模塊上傳至Internet。用戶可在電腦、手機(jī)和PAD上監(jiān)控插座各項(xiàng)狀態(tài)，并控制插座導(dǎo)通與關(guān)斷。

2　基本原理

我國市電頻率為50 Hz、220 V的正弦交流電。電流和電壓有瞬時(shí)值、最大值、有效值。一般瞬時(shí)值用小寫字母（如u、i等）表示，最大值用大寫字母附有下標(biāo)m字母表示（如Um、Im）。有效值用大寫字母（U、I）表示。最大值與有效值的關(guān)系為：

有功功率又叫平均功率。交流電的瞬時(shí)功率不是一個(gè)恒定值，功率在一個(gè)周期內(nèi)的平均值叫做有功功率，以字母P表示，單位為千瓦（kW）。

P=UI cosφ

電能是指電以各種形式做功的能量。家用電表一般計(jì)量有功電能：

1度電=1 kW×1 h

功率因數(shù)是電網(wǎng)上電壓與電流之間的相位差φ的余弦值，用符號(hào)cosφ表示。 功率因數(shù)的測(cè)量可以通過電網(wǎng)頻率f和相位差φ的時(shí)間t來計(jì)算。

每個(gè)家用設(shè)備的功率因數(shù)都有一個(gè)固定范圍，劣質(zhì)家用設(shè)備的功率因數(shù)普遍低于這個(gè)范圍。本設(shè)計(jì)通過功率因數(shù)計(jì)量可分辨家用設(shè)備的質(zhì)量。

表1　常用家電功率因數(shù)表

3　方案特點(diǎn)

3.1基于電流信號(hào)的充電控制策略

本特點(diǎn)主要保護(hù)電子產(chǎn)品（手機(jī)、Pad等）的充電過程。這些產(chǎn)品一般為鋰電池。這種電池的充電過程一般分為涓流充電（低壓預(yù)充）、恒流充電、恒壓充電以及充電終止?，F(xiàn)有的智能插座一般通過預(yù)估或設(shè)定充電時(shí)間來開通和關(guān)斷插座，并不能檢測(cè)充電情況。

本方案通過采集插座上流過的電流來判斷充電狀態(tài)。當(dāng)插座上流過的電流從恒流充電時(shí)的幾百毫安下降到充電終止時(shí)的幾毫安時(shí)認(rèn)定為充電結(jié)束，插座即刻關(guān)閉輸出。

3.2低功率因數(shù)報(bào)警

功率因數(shù)低說明線路中無功功率過大，就有大量的無功電流在電源（發(fā)電機(jī)）與負(fù)載之間不停地作無益的循環(huán)。無功電流不能做功，但卻在線路電阻中產(chǎn)生熱量，消耗電能，同時(shí)也在輸電線路和電源內(nèi)阻上造成電壓損失，使用戶用電器上的電壓得不到保證。故我們需要更多地關(guān)注家用電器的功率因數(shù)。

本方案通過采集瞬時(shí)電流和電壓來計(jì)算功率因數(shù)并通過與大量相同設(shè)備的功率因數(shù)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對(duì)比。如果分析該設(shè)備是低功率因數(shù)設(shè)備，智能插座會(huì)向PC端或手機(jī)端發(fā)出警示信號(hào)。

3.3電能持續(xù)計(jì)算

本特點(diǎn)能夠在用戶設(shè)定的一段時(shí)間內(nèi)對(duì)插座上的用電設(shè)備進(jìn)行電能計(jì)算，并將數(shù)據(jù)上傳至用戶手機(jī)端。如監(jiān)控兒童上網(wǎng)、賓館計(jì)費(fèi)插座等功能都可以通過本特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。

4　方案硬件組成

本方案共有5個(gè)模塊：電源模塊、信號(hào)處理模塊、WiFi模塊、控制模塊和主控模塊。220 V交流電通過電源模塊產(chǎn)生其他模塊所需要的3.3 V和5 V直流電源。交流電壓通過電阻分壓產(chǎn)生電壓信號(hào)、交流電流通過采樣電阻產(chǎn)生電流信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理模塊進(jìn)行濾波、抬升處理后可供主控芯片進(jìn)行AD采集。主控MSP430對(duì)瞬時(shí)電壓和電流進(jìn)行運(yùn)算可得出有效電壓、有效電流功率、電能和功率因數(shù)等參數(shù)。主控可以通過這些參數(shù)進(jìn)行插座開通、關(guān)斷處理，也可以通過WiFi模塊將數(shù)據(jù)上傳。

4.1電源模塊

本方案電源部分使用AC-DC模塊產(chǎn)生5 V電壓，供信號(hào)處理模塊和控制模塊使用。5 V再通過LM1117產(chǎn)生3.3 V電源供主控模塊和WiFi模塊使用。整個(gè)電源模塊精致小巧，功率適中，效率高，十分符合智能插座方案設(shè)計(jì)的要求。

4.2主控模塊

本設(shè)計(jì)選用TI公司的16位低功耗單片機(jī)MSP430F2274作為主控。該單片機(jī)具有高主頻、低功耗、外圍功能豐富等特點(diǎn)。本方案使用芯片10位A/D采集瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)電流、電源電壓和模塊溫度等信號(hào)，經(jīng)過內(nèi)部運(yùn)算后，再通過內(nèi)部UART模塊將智能插座的各類信息傳送到WiFi模塊。該方案還通過外接32.768 kHz進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)時(shí)，可精準(zhǔn)地計(jì)算插座耗電量。本方案使用部分端口進(jìn)行多種模式選擇，使該方案能夠更好地適應(yīng)各種運(yùn)行場(chǎng)合。

圖1　方案原理圖

圖2　系統(tǒng)框圖

4.3信號(hào)處理模塊

由于智能插座的空間比較緊湊，交流電壓和電流信號(hào)采用非隔離式取樣方式。電壓信號(hào)通過電阻分壓獲取；電流信號(hào)直接獲取采樣電阻Rsen的電壓。取樣信號(hào)在硬件上保證最大峰峰值為Vref/2。信號(hào)處理模塊使用運(yùn)放構(gòu)成的加法器將取樣的信號(hào)抬高Vref/2。

信號(hào)處理模塊輸出的信號(hào)為0～Vref之間的正弦信號(hào)，供單片機(jī)進(jìn)行AD采集。

4.4WiFi模塊

ESP8266是一個(gè)完整且自成體系的WiFi網(wǎng)絡(luò)解決方案，專為移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，可將用戶的物理設(shè)備連接到WiFi無線網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。ESP8266硬件接口可支持UART、IIC等。本方案中通過UART與ESP8266進(jìn)行通信。方案中的數(shù)據(jù)通過ESP8266的透?jìng)髂Ｊ缴蟼髦谅酚善鳌?/p>

4.5控制模塊

主控芯片通過一個(gè)普通輸出端口控制繼電器的開通和斷開，進(jìn)而控制插座與市電的連接和斷開。這樣本方案就可實(shí)現(xiàn)對(duì)插座的輸出進(jìn)行控制。

5　軟件設(shè)計(jì)

智能插座軟件包括自檢、模塊狀態(tài)檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集、參數(shù)計(jì)算、Uart通訊5部分。

5.1自檢

模塊上電后，首先對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行檢測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)異常，則斷開插座輸出同時(shí)指示燈閃爍提醒。

5.2模塊狀態(tài)檢測(cè)

模塊狀態(tài)檢測(cè)主要內(nèi)容為模塊溫度和模塊供電檢測(cè)。MSP430通過內(nèi)部溫度傳感器模塊進(jìn)行智能插座溫度監(jiān)控，通過采集5 V分壓后的電壓進(jìn)行模塊電壓監(jiān)控。這兩項(xiàng)狀態(tài)監(jiān)控都需要用到MSP430的AD模塊，底層轉(zhuǎn)換函數(shù)如下：

U16 ADC10_SingleChannelSingleConvert（U8 Channel）

｛

// ADC10控制寄存器設(shè)置

// 內(nèi)核開啟，啟動(dòng)內(nèi)部基準(zhǔn)，選擇2.5V基準(zhǔn)，設(shè)置采樣保持時(shí)間

ADC10CTL0 = ADC10ON + REFON + REF2_5V + SHT0_2；

// 時(shí)鐘源為內(nèi)部震蕩器， 出發(fā)信號(hào)來自采樣定時(shí)器， 轉(zhuǎn)換地址為ADC10MCTL4

A D C 1 0 C T L 1 = A D C 1 0 S S E L_0 + S H P + CSTARTADD_4；

// 轉(zhuǎn)換通道設(shè)置

ADC10MCTL4 = SREF_1 + Channel；

// 參考電壓：V+=Vref+，V-=AVssADC通道：Channel

// 啟動(dòng)轉(zhuǎn)換

ADC10CTL0 |= ENC + ADC10SC；

// 轉(zhuǎn)換使能開始轉(zhuǎn)換

while（（ADC10IFG & ADC10CTL0） == 0）；

// 軟件查詢中斷標(biāo)志， 等待轉(zhuǎn)換結(jié)束

_NOP（）；

Return ADC10MEM； //返回ad數(shù)據(jù)

｝

5.3數(shù)據(jù)采集

程序先根據(jù)模式端口獲取標(biāo)準(zhǔn)的市電頻率（如我國50 Hz，美國60 Hz）。按照我國50 Hz的市電頻率設(shè)定采樣周期為20 ms。一個(gè)采樣周期內(nèi)瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)電流交叉采集，并將采樣數(shù)據(jù)分別保存至不同的數(shù)據(jù)BUF中。

5.4參數(shù)計(jì)算

函數(shù)在一個(gè)采樣周期結(jié)束后將數(shù)據(jù)BUF中的數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾處理后獲取峰峰值。程序通過峰峰值與有效值之間的公式：

進(jìn)行計(jì)算就可得到電壓和電流有效值。程序通過瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)電流的過零采樣點(diǎn)的時(shí)間間隔計(jì)算出功率因數(shù)。這樣就可以通過交流電的計(jì)算公式計(jì)算出所有的參數(shù)。如果數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常或者數(shù)據(jù)與設(shè)定值相同時(shí)，程序?qū)⒖刂评^電器開通或關(guān)斷。程序還將結(jié)果傳輸至UART模塊的BUF中。

5.5特殊功能模塊

插座正在為電子設(shè)備充電時(shí)，程序中將時(shí)刻監(jiān)控一個(gè)周期的電流有效值。根據(jù)鋰電池在整個(gè)充電過程（涓流充電（低壓預(yù)充）、恒流充電、恒壓充電以及充電終止）中消耗的電流不同來區(qū)分充電狀態(tài)。程序如果判斷到電流有效值很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)低于閾值時(shí)即認(rèn)為充電終止，切斷插座輸出。

圖3　軟件流程圖

當(dāng)插座正在為家用電器供電時(shí)，我們可以通過手機(jī)或PAD等設(shè)備將該家用電器的型號(hào)通過WiFi發(fā)送給智能插座。智能插座主控MSP430將通過內(nèi)部保存的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對(duì)，調(diào)取該家用電器的功率因數(shù)范圍。通過一段時(shí)間內(nèi)的采集和計(jì)算得出比較精準(zhǔn)的功率因數(shù)。程序?qū)⒃摴β室驍?shù)與對(duì)應(yīng)的范圍進(jìn)行比較，并將比較后的結(jié)果反饋給手機(jī)或PAD端。若手機(jī)或PAD端發(fā)送計(jì)量電能的指令給智能插座后，MSP430將每隔一個(gè)小時(shí)發(fā)送一次電量數(shù)值；當(dāng)然手機(jī)或PAD端也可以通過發(fā)送查詢指令時(shí)刻進(jìn)行查詢。

5.6通訊模塊

Uart模塊通過AT指令與WiFi模塊進(jìn)行通訊。如需要連接至路由器，則可通過使用SendATCmd（"AT +CWJAP="MyRoute"，"12345678""）函數(shù)進(jìn)行設(shè)置（其中“12345678”為密碼）。

6　結(jié)果分析

本方案智能插座和手持式用電檢測(cè)儀同時(shí)對(duì)飛利浦顯示器（型號(hào)19S4L）進(jìn)行功率因數(shù)監(jiān)控，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)如圖4。

由圖可知本方案與專業(yè)的手持式用電檢測(cè)儀在功率因數(shù)測(cè)量方面僅有3%左右的偏差，完全能夠滿足功率因數(shù)監(jiān)控的要求。

圖4　功率因數(shù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)

7　結(jié)論

該智能插座對(duì)各類電子設(shè)備充電過程進(jìn)行電流監(jiān)控，最終達(dá)到電子設(shè)備充滿電后切斷電源的目標(biāo)；低功率因數(shù)設(shè)備雖然不會(huì)導(dǎo)致電費(fèi)的增加，但是對(duì)電網(wǎng)上其他設(shè)備依然存在影響，故本智能插座旨在提醒用戶更多地關(guān)注電網(wǎng)健康。電能持續(xù)計(jì)算能夠更好地監(jiān)控用電設(shè)備的耗電情況，并能適時(shí)切斷電源以節(jié)約能源。

［1］ 周金治，徐霞，趙海霞，著. 基于MSP430的嵌入式系統(tǒng)

［2］ 張新星，著. 基于Android手機(jī)的智能插座設(shè)計(jì)［J］. 2014.03.

［3］ 金逸超，孫力娟，王汝傳，黃海平，著. 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下智能插座的設(shè)計(jì)［J］. 2010.9.

［4］ 喻菲，Jackie著. ESP8266用戶手冊(cè)［M］. 2014.9.

Design of Intelligent Socket Based on MSP430

ZHU Xiaoliang， ZHAO Lingna
（Wuxi i-CORE Electronics Co.，Ltd， Wuxi 214072， China）

Smart socket is a new electrical product， is the product of the development of the concept of the Internet of things and smart home.Nowadays the smart sockets can be basically used to switch on&off power，timing on&off operation via mobile terminal ，but these functions cannot fully solve users' practical problem .In this paper， the design of the smart socket to achieve the electronic device charging， power factor measurement and measurement of electric power， and other functions， making electronic devices more accurate and safe. The design of the low power factor can be out of the product， children access control， hotel billing and other applications in the field has a good application prospect.

smart socket； Wi-Fi； MSP430； smart home

TN402

A

1681-1070（2015）12-0043-05

朱曉亮（1989—），男，江蘇無錫人，2011年畢業(yè)于江蘇科技大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)，助理工程師，主要從事MCU嵌入式方案開發(fā)工作。開發(fā)與應(yīng)用（第1版）［M］. 2013.11.

2015-8-20