智能插座的设计
目 录
1 绪论 1
1.1 智能插座的研究背景和意义 1
1.2 智能插座的研究现状和前景 1
1.3 本课题的研究内容 2
2 智能插座的硬件设计 2
2.1 智能插座的电路原理图 2
2.2 智能插座各个电路的工作原理 3
2.3 智能插座所用技术及芯片介绍 7
3 智能插座的软件设计 1
3.1 主程序的设计 1
3.2 红外模块程序设计 1
4 系统的焊接与调试 5
4.1 硬件电路部分焊接与调试 5
4.2 软件部分的编程和调试 6
结论 8
致谢 9
参考文献 10
1 绪论
1.1 智能插座的研究背景和意义
随着科学技术的发展和人类生活水平的提高，越来越多的人们开始喜欢追求一种高品质的生活方式。智能化的电子设备发展给人类生活提供了很大的便利[1]。近年来，智能化的移动设备和家居设备发展快速。智能家居作为其中一个重要的发展对象，它的应用在极大程度上方便了人们对家庭电子设备和电气设备的使用。在这个条件下，家用电器连接电源必须使用的一款设备插座是必不可少的，假如把这些插座能够用智能的方法解决，那么在相当大的程度上用户就可以通过对插座的使用来控制对家用电器的智能使用。
在本文中，提出了一款智能插座的设计方法，从而达到一些简易的功能设计。可应用于高层大屏幕无人值守总控室内的降温空调的控制，解决了断电后，降温空调的自动启动问题，避免操作人员频繁高空作业。本课题的主要目的是应用于一些带红外遥控的电器设备，带有红外遥控的主流家电设备使用简单，具有广阔 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
的发展前景，同时能良好地促进智能家居推广和普及。本课题所设计的红外智能遥控插座与市场上流行的节能插座有所不同，它主要适用于各种不便于人员进行设备启/停的场合，特别是野外高空作业领域，具有远程设备自动开启，自动关闭以及检测能耗的功能，尤其适合于高层远端设备断电后可靠的自动开启，很好地改善了市面上所销售的各种红外智能插座的使用范围大大受限的现状。因此具有远程控制，学习红外码，自动检测、定时控制等多种功能的红外无线智能插座系统将得到越来越多的关注。
1.2 智能插座的研究现状和前景
目前市场上所流行的红外智能插座仅具有无线控制它们电源通断的功能，大多数的红外智能插座都是从节能方便考虑的，无法实现通信组网，更不能控制带红外遥控的电器设备，电器设备是否正确启动也无法检测。
现在网上能够搜索各种新型插座系统，如在智能电网中自主控制负载并不需要集中式计算机支持的插座系统，采用基于智能功率智能插座等网络功能的监控系统的ZigBee技术。还有一部分学着设计出用一种传感器来实现即插即用功能的插头。近来美国学者Ramie Abousleiman用硬件系统实现智能充电并完成了算法的开发。
红外控制技术以其通用性强，价格低廉等优点在生活中应用普遍。因此对于具有智能红外控制功能设备的研究显得尤为重要。早在上世纪九十年代，就有索尼公司已将红外遥控技术应用于电气设备的控制，南洋理工大学的Wong博士实现了一种用红外键盘进行编程控制的插座[7]。
1.3 本课题的研究内容
本次课题所需要研究的内容是通过设计一种电路，设计出一款用红外接收发信号的智能插座，这款红外智能插座是指在一定的空间范围内，将插在智能插座上的用电遥控设备的开机键编码学习并保存在EEPROM中，根据单片机STC12C2052的指令，将保存在EEPROM中的编码数据提取出来，调制发射红外信号，控制用电遥控设备的开关[8]。同时，智能插座通过检测用电遥控设备的负载电流值的大小来判断设备是否正常运行。
2 智能插座的硬件设计
2.1 智能插座的电路原理图
此次设计的智能插座主要由电源模块、负载用电设备电流检测模块[3]、数据存储模块、主控制模块、红外编码学习接收模块以及红外信号发射模块等组成[4]。智能插座的原理框图如下图所示。
图2-1 智能插座的原理框图
此次选择画原理图的软件是Altium Designer Summer 09,之所以用这款软件画图是因为它使用起来非常的方便，功能也非常的强大。它能够为设计者提供最好的设计解决办法，可以让用户更加轻松的进行电路图的设计，下图是根据智能插座的原理框图利用此款画图软件设计出来的电路原理图。
图2-2 智能插座原理图
2.2 智能插座各个电路的工作原理
2.2.1 红外接收电路
对于红外接收电路来讲，最大的难度就是如何对所接收到的红外信号进行解码。红外解码部分智能插座最重要的部分，红外解码一种翻译过程，主要将红外遥控器所发射出来的红外遥控编码脉冲所对应的键值翻译出来[9]。
红外解码有两种方法，一种是利用硬件解码，所谓的硬件解码就是要通过与所使用的遥控器配套的专用的解码芯片，一般情况下，解码芯片是不容易拿到的，并且价格也比较昂贵。除非 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
自己开发一个解码电路，因为电路太麻烦，很少有人这么做。另一种常用的解码方法就是软件解码。软件解码最大的有点就是不需要知道遥控器的芯片是什么型号，我们只需要检测到遥控器它所发射出来的红外编码，然后利用软件方式来对数据进行加工处理，从而得到自己想得到的信息。软件解码的优点在于它灵活性高、硬件比较精简（只需要一个红外一体化接收头和一个单片机的芯片）、可靠性也高、成本也很低，因此受广大设计师所喜爱。
电路的红外接收电路如下图，采用的是HS0038红外一体化接收头。红外接收头的工作电压是5v直流电，引脚1接的是地，引脚2接的是降压稳压电路的5v电压，引脚3是信号输出端，接到单片机的P3.2口，通过接收遥控器发射的红外信号以后把信号传送到单片机内。
图2-3 红外接收电路
2.2.2 红外信号发射电路
红外信号发射电路主要是由主控芯片内部的软件产生38KHZ的载波信号，把之前通过红外接收头接收存储在EEPROM中的编码调制到载波上通过引脚P1.5输出已经调制好的红外遥控信号，通过放大电路放大信号，最后由红外发射二极管发射信号从而控制用电设备的启动。
红外发射二极管的工作原理是当输入的脉冲信号出现在P1.5端口时，通过电阻加到驱动管基极，使驱动管导通，从而使集电极有电流流过红外发光二极管，红外发光二极管发出红外光控制待控设备[10]。
图2-4 红外发射电路
2.2.3 负载设备电流检测电路以及降压稳压电路
此次设计的智能插座具有检测负载设备电流的功能，如下图所示，主要是有电流互感器，整流滤波电路、分压保护电路组成[11]。
WP 写保护
VCC +1.8V~6.0V工作电压
VSS 接地
图2-13 AT24C02引脚图
图3-2 红外编码学习流程图
红外学习相关代码如下：
typedef unsigned int WORD;
#define URMD //0:使用定时器2作为波特率发生器
1 绪论 1
1.1 智能插座的研究背景和意义 1
1.2 智能插座的研究现状和前景 1
1.3 本课题的研究内容 2
2 智能插座的硬件设计 2
2.1 智能插座的电路原理图 2
2.2 智能插座各个电路的工作原理 3
2.3 智能插座所用技术及芯片介绍 7
3 智能插座的软件设计 1
3.1 主程序的设计 1
3.2 红外模块程序设计 1
4 系统的焊接与调试 5
4.1 硬件电路部分焊接与调试 5
4.2 软件部分的编程和调试 6
结论 8
致谢 9
参考文献 10
1 绪论
1.1 智能插座的研究背景和意义
随着科学技术的发展和人类生活水平的提高，越来越多的人们开始喜欢追求一种高品质的生活方式。智能化的电子设备发展给人类生活提供了很大的便利[1]。近年来，智能化的移动设备和家居设备发展快速。智能家居作为其中一个重要的发展对象，它的应用在极大程度上方便了人们对家庭电子设备和电气设备的使用。在这个条件下，家用电器连接电源必须使用的一款设备插座是必不可少的，假如把这些插座能够用智能的方法解决，那么在相当大的程度上用户就可以通过对插座的使用来控制对家用电器的智能使用。
在本文中，提出了一款智能插座的设计方法，从而达到一些简易的功能设计。可应用于高层大屏幕无人值守总控室内的降温空调的控制，解决了断电后，降温空调的自动启动问题，避免操作人员频繁高空作业。本课题的主要目的是应用于一些带红外遥控的电器设备，带有红外遥控的主流家电设备使用简单，具有广阔 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
的发展前景，同时能良好地促进智能家居推广和普及。本课题所设计的红外智能遥控插座与市场上流行的节能插座有所不同，它主要适用于各种不便于人员进行设备启/停的场合，特别是野外高空作业领域，具有远程设备自动开启，自动关闭以及检测能耗的功能，尤其适合于高层远端设备断电后可靠的自动开启，很好地改善了市面上所销售的各种红外智能插座的使用范围大大受限的现状。因此具有远程控制，学习红外码，自动检测、定时控制等多种功能的红外无线智能插座系统将得到越来越多的关注。
1.2 智能插座的研究现状和前景
目前市场上所流行的红外智能插座仅具有无线控制它们电源通断的功能，大多数的红外智能插座都是从节能方便考虑的，无法实现通信组网，更不能控制带红外遥控的电器设备，电器设备是否正确启动也无法检测。
现在网上能够搜索各种新型插座系统，如在智能电网中自主控制负载并不需要集中式计算机支持的插座系统，采用基于智能功率智能插座等网络功能的监控系统的ZigBee技术。还有一部分学着设计出用一种传感器来实现即插即用功能的插头。近来美国学者Ramie Abousleiman用硬件系统实现智能充电并完成了算法的开发。
红外控制技术以其通用性强，价格低廉等优点在生活中应用普遍。因此对于具有智能红外控制功能设备的研究显得尤为重要。早在上世纪九十年代，就有索尼公司已将红外遥控技术应用于电气设备的控制，南洋理工大学的Wong博士实现了一种用红外键盘进行编程控制的插座[7]。
1.3 本课题的研究内容
本次课题所需要研究的内容是通过设计一种电路，设计出一款用红外接收发信号的智能插座，这款红外智能插座是指在一定的空间范围内，将插在智能插座上的用电遥控设备的开机键编码学习并保存在EEPROM中，根据单片机STC12C2052的指令，将保存在EEPROM中的编码数据提取出来，调制发射红外信号，控制用电遥控设备的开关[8]。同时，智能插座通过检测用电遥控设备的负载电流值的大小来判断设备是否正常运行。
2 智能插座的硬件设计
2.1 智能插座的电路原理图
此次设计的智能插座主要由电源模块、负载用电设备电流检测模块[3]、数据存储模块、主控制模块、红外编码学习接收模块以及红外信号发射模块等组成[4]。智能插座的原理框图如下图所示。
图2-1 智能插座的原理框图
此次选择画原理图的软件是Altium Designer Summer 09,之所以用这款软件画图是因为它使用起来非常的方便，功能也非常的强大。它能够为设计者提供最好的设计解决办法，可以让用户更加轻松的进行电路图的设计，下图是根据智能插座的原理框图利用此款画图软件设计出来的电路原理图。
图2-2 智能插座原理图
2.2 智能插座各个电路的工作原理
2.2.1 红外接收电路
对于红外接收电路来讲，最大的难度就是如何对所接收到的红外信号进行解码。红外解码部分智能插座最重要的部分，红外解码一种翻译过程，主要将红外遥控器所发射出来的红外遥控编码脉冲所对应的键值翻译出来[9]。
红外解码有两种方法，一种是利用硬件解码，所谓的硬件解码就是要通过与所使用的遥控器配套的专用的解码芯片，一般情况下，解码芯片是不容易拿到的，并且价格也比较昂贵。除非 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
自己开发一个解码电路，因为电路太麻烦，很少有人这么做。另一种常用的解码方法就是软件解码。软件解码最大的有点就是不需要知道遥控器的芯片是什么型号，我们只需要检测到遥控器它所发射出来的红外编码，然后利用软件方式来对数据进行加工处理，从而得到自己想得到的信息。软件解码的优点在于它灵活性高、硬件比较精简（只需要一个红外一体化接收头和一个单片机的芯片）、可靠性也高、成本也很低，因此受广大设计师所喜爱。
电路的红外接收电路如下图，采用的是HS0038红外一体化接收头。红外接收头的工作电压是5v直流电，引脚1接的是地，引脚2接的是降压稳压电路的5v电压，引脚3是信号输出端，接到单片机的P3.2口，通过接收遥控器发射的红外信号以后把信号传送到单片机内。
图2-3 红外接收电路
2.2.2 红外信号发射电路
红外信号发射电路主要是由主控芯片内部的软件产生38KHZ的载波信号，把之前通过红外接收头接收存储在EEPROM中的编码调制到载波上通过引脚P1.5输出已经调制好的红外遥控信号，通过放大电路放大信号，最后由红外发射二极管发射信号从而控制用电设备的启动。
红外发射二极管的工作原理是当输入的脉冲信号出现在P1.5端口时，通过电阻加到驱动管基极，使驱动管导通，从而使集电极有电流流过红外发光二极管，红外发光二极管发出红外光控制待控设备[10]。
图2-4 红外发射电路
2.2.3 负载设备电流检测电路以及降压稳压电路
此次设计的智能插座具有检测负载设备电流的功能，如下图所示，主要是有电流互感器，整流滤波电路、分压保护电路组成[11]。
WP 写保护
VCC +1.8V~6.0V工作电压
VSS 接地
图2-13 AT24C02引脚图
图3-2 红外编码学习流程图
红外学习相关代码如下：
typedef unsigned int WORD;
#define URMD //0:使用定时器2作为波特率发生器
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