郝沛，黃魯

　　（中國科學技術大學 信息科學技術學院，安徽 合肥 230026）

　　摘要：傳統市電開關需要人為干預，在某些重復定時開關場景下使用不方便，且需要人為判斷通斷的條件。設計了一種智能開關，可以實現設置時間段內開關的自動通斷，并且能夠借助傳感器數據輔助判斷通斷條件。實測結果表明，該系統工作穩定，控制界面簡潔友好。

　　關鍵詞：市電定時開關；時鐘芯片；傳感器；繼電器

0引言

　　隨著家用電器的普及，傳統的手動開關已經無法滿足日益復雜的應用場景。比如定時照明系統，人為地去控制照明開關，不但不方便，而且很難精確掌控開啟與停止時間。如果在市電與照明系統之間增加一級控制系統，在設定好開關時間后，由系統執行開關操作，并且可以根據環境光照度來選擇是否照明，則會帶來極大的方便［1］。推而廣之，定時抽水系統、定時充電系統、定時加熱系統都可以采用此種控制方案，從而給市電應用場景帶來極大便利。

1系統簡介

　　本系統設計的核心思路是“以弱控強，用戶定制；控時為主，傳感為輔”。硬件上，系統需要實現對傳感器以及外圍模塊的驅動；軟件上，系統需要實現人機交互界面的繪制、時間檢測以及傳感器數據的處理。

　　1.1系統功能框圖

　　如圖1所示，系統輸入為220 V的市電，通過繼電器后，輸出到被控電器，從而控制被控電器的開關。繼電器的作用為隔離強弱電，同時控制市電的通斷，其控制信號由控制系統提供。控制系統輸入電壓為9 V，由電源適配器提供。傳感器提供判斷通斷的輔助信號，如光照度、水位、溫濕度等［2］。

　　1.2系統主要模塊

　　1.2.1主控制器STM32

　　STM32是基于ARM Cortex-M3內核的32位微處理器，主頻最高為72 MHz。它包含豐富的接口，且其內部時鐘頻率可由用戶自主定制，能夠方便地開發出PWM輸出、頻率捕獲、脈寬捕獲等功能［3］。其GPIO口可自由配置為輸入/輸出模式、中斷模式、復用模式［4］。

　　1.2.2定時器DS1302

　　DS1302是DALLAS公司設計的一款低功耗時鐘芯片，具有涓流充電、閏年補償功能。芯片采用32.768 kHz晶振，且內部集成了31 B的用于臨時數據存放的RAM寄存器。其采用3線I/O口與控制器通信：SCLK時鐘引腳，由主控芯片提供，用以實現數據的同步交互；I/O數據輸入/輸出引腳，用以串行數據傳輸；RST復位引腳，需在數據傳輸時強制拉高，在數據傳輸結束后強制拉低。

　　1.2.3液晶顯示模塊LPH7366

　　LPH7366是一款分辨率為84×48的單色液晶顯示模塊，具有功耗低、操作簡便等優點，廣泛應用于手機顯示屏、便攜式設備中，如NOKIA5110的液晶屏。

　　LPH7366模塊采用四線I/O口與主機通信：CE使能引腳，低有效；SCK時鐘引腳；DATA串行數據傳輸引腳； CD命令/數據選擇引腳（低電平代表傳輸命令，高電平代表傳輸數據）。

　　由于LPH7366沒有集成字庫，所以需要把ASICII字庫嵌入到代碼中去。

2系統硬件

　　根據硬件功能，系統被劃分為以下幾個子系統：電源系統、STM32主控系統、人機交互系統、時鐘系統、繼電器系統。各系統功能如下：

　　（1）電源系統：為整個定時開關系統提供工作電平。系統工作電平有兩種：9 V和3.3 V；

　　（2）主控系統：完成對整個系統的控制以及數據的采集處理；

　　（3）人機交互系統：提供人機交互接口，實現數據的反饋以及控制參數的配置；

　　（4）時鐘系統：提供實時時鐘數據，供主控系統使用；

　　（5）繼電器系統：隔離強弱電系統，并實現3.3 V電平對9 V電平的驅動。

　　2.1系統硬件框圖

　　系統硬件框圖如圖2所示。

　　2.2系統電路圖

　　2.2.1STM32最小系統電路

　　STM32能夠工作的最小系統電路包含電源輸入、復位電路、晶振電路。如圖3所示。

　　2.2.2外圍設備電路

　　外設電路包括電源電路、液晶+按鍵電路、實時時鐘電路和繼電器驅動電路。

　　（1）電源電路，如圖4所示。

　　其輸出電壓由以下公式得到：

　　VOUT=1.221×R1－R2R2（1）

　　當R1=10 kΩ，R2 =2.7 kΩ時，VOUT=3.301 V。

　　（2）時鐘電路

　　時鐘電路采用DS1302方案。芯片有兩組供電電源Vcc1和Vcc2。Vcc2為主電源，Vcc1為備用電源。芯片會以電平較高的一端作為電源輸入，所以，為確保在系統掉電時時鐘芯片能夠正常工作，需要在Vcc1引腳處外加3 V蓄電池。

　　（3）液晶驅動電路

　　由于LPH7366液晶模塊的邏輯驅動電平為3 V，所以可直接將其引腳連接到STM32上。按鍵系統采用自彈式輕觸按鍵，連接到STM32的GPIO上，以中斷方式輸入。

　　（4）繼電器驅動電路

　　由于繼電器線圈的工作電平為9 V，而STM32的邏輯電平為3.3 V，所以需要驅動電路才能夠用STM32的驅動電平來控制繼電器。此處使用晶體管SS8050作為驅動電路，且將其設定為工作在飽和區內。如圖5所示，假設晶體管BJT1的β=100，Vbe=0.7 V；繼電器線圈電阻Rk=70 Ω，繼電器工作電壓VIN=9 V。設STM32的PB.9腳輸出到R4上的電壓為Vin，三極管基極電流為Ib，集電極電流為Ic。假設三極管工作在臨界飽和區,則：

　　Ic=VIN/(R3+Rk)(2)

　　Ib=Ic/β(3)

　　Vin=Ib×R4+Vbe(4)

　　可以得到三極管達到飽和狀態的最小輸入電壓Vin=0.75 V。即輸入電平超過0.75 V，三極管便會導通，從而繼電器吸合。由于在默認條件下繼電器應處于斷開狀態，所以在三極管輸入端增加下拉電阻R5=10 kΩ。

3系統軟件

　　3.1程序流程圖

　　主程序的思路是，實時讀取時鐘芯片DS1302的時間，并顯示在液晶顯示屏上；同時檢測當前時間是否進入了用戶設定的繼電器吸合時間。如果進入了設定時間，則吸合繼電器；如果在設定時間外，則斷開繼電器。主程序流程圖如圖6。　

　　本系統中，按鍵的檢測是在中斷程序中實現的。由于在處理某一個中斷函數時，其他同級或者更低級的中斷是被屏蔽的，所以中斷函數應盡可能簡短。本系統的按鍵中斷函數僅實現檢測哪個按鍵被按下，而按鍵消息處理函數是在中斷函數外實現的。按鍵中斷處理程序流程圖如圖7。

　　3.2人機交互界面設計

　　人機交互界面是本系統軟件的主要構成部分。其完成的功能有：顯示當前時間與定時時間段，繪制菜單以配合按鍵進行設置，響應按鍵信號并完成對應功能。

　　3.2.1菜單的繪制

　　本系統菜單共有兩級，采用鏈表結構設計，其結構如圖8所示。

　　鏈表中，每個節點的結構如下：

　　typedef struct

　　{

　　intLocation_Level［3］;

　　char*Item_Name;

　　Menu_Item* Next;

　　} Menu_Item;

　　其中，Location_Level［3］表示當前節點的位置。Location_Level［0］的值代表此節點在主菜單的第幾項；Location_Level［1］的值代表此節點在二級子菜單的第幾項；Location_Level［2］代表此節點在三級子菜單的第幾項。

　　Item_Name表示當前節點名稱。在顯示時會根據對應節點打印出此字符串。

　　Next指向下一節點的指針。

　　比如，圖8中的二級子菜單中的項目“年設置”，其Location_Level［0］=1，代表其隸屬于主菜單的“設定時間”項；Location_Level［1］=1，代表其隸屬于二級菜單的“年設置”項；Location_Level［2］=0，代表其止于二級菜單，沒有進入三級菜單。其Item_Name=“年設置”；Next指向“年設置”節點的下一個節點。

　　用鏈表設計菜單的優點在于，無論在菜單的什么位置添加項，都可以直接添加在鏈表的尾部。因為定位當前節點位置靠的是當前節點的Location_Level［3］中的3個變量，在菜單級數較少時，靠鏈表遍歷就足夠了。

　　3.2.2按鍵的響應

　　按鍵的檢測是在中斷函數中完成的。中斷處理函數僅完成按鍵序號的確認，而按鍵處理函數是在中斷外實現的。本系統的按鍵有4個，分別為“向前”，“向后”，“確認”，“返回”，對應標識號依次為1、2、3、4。

　　按鍵處理的思路是：中斷檢測出當前按下的是哪個按鍵，然后根據當前指針指向的節點來確定要完成的動作。如圖9所示。

　　假設當前指針指向菜單項“設定時間”，則Location_Level［3］={1,0,0}，說明當前節點處于主菜單的第一項。如果此時“確認”按鍵被按下，那么按鍵處理函數從表中找到此時位置對應動作。假設此動作為“進入二級菜單”，則指針會跳轉到Location_Level［3］={1,1,0}的位置，同時在屏幕上刷新出二級菜單。其他3個按鍵的響應與此類似。

　　3.3定時時間的設定

　　定時時間設定是在按鍵響應函數中實現的。程序流程圖如圖10所示。

　　1.2.2節介紹過，DS1302時鐘芯片內部有31 B的RAM寄存器，可用于存放臨時數據。由于市電定時開關系統需要保證在系統掉電后，配置數據不會丟失，從而在再次上電時依舊可用。所以，本系統使用了DS1302的臨時數據寄存器作為配置數據的保存位置。由于DS1302有備用電源，配置數據不會因掉電而丟失。

　　3.4傳感器的數據處理

　　考慮到應用場景的不同，系統給出了8位GPIO擴展接口，可用于各種數字傳感器的擴展，如溫濕度傳感器、液位圖11傳感器數據處理流程圖傳感器、光強傳感器等。傳感器數據處理流程圖如圖11所示。

　　以光強傳感器為例。設光照強度標志為Light_Flag，定時器的標志為Time_Flag，則傳感器與定時時間標志變量關系表如表1。 表1傳感器與定時時間標志變量表 01Light_Flag環境光照度低于某閾值環境光照度高于某閾值Time_Flag當前時間處于設定時間內當前時間處于設定時間外

　　如果被控電器為照明電路，要求“在設定時間段內，當光照度低于某閾值時，照明電路被開啟”，則偽代碼如下：

　　if((Light_Flag&& Time_Flag)==1)

　　{打開繼電器;}

　　else

　　{關閉繼電器;}

　　同理，液位傳感器、溫度傳感器等的數據都可以采用這種處理思路。

　　4測試效果

　　測試中使用了3個定時時間段，并觀察繼電器的通斷狀態。

　　如圖12中主菜單界面所示，共有3個選項，可通過屏幕下方的按鍵實現光標的上下移動以及選擇、取消等功能；右圖為實時時鐘設置界面，通過按鍵實現從年到秒的選擇。

　　圖13左為定時時間設置界面。共有四個時間段可以配置。當配置完畢后，回到主菜單，進入“TIME DISPLAY”子菜單，便可看到右圖的效果。可以看到，時間顯示界面除了顯示當前時間外，還用不同的箭頭表示出了定時時間段。舉例來說，對于定時時間1（7:40~9:00），對應右圖的純黑色箭頭（黑框之內）所指時間段，可以從時間軸上非常清晰地顯示出來。

　　當前時間如果落在任何一段設定時間內，則繼電器吸合，其指示燈亮起。

5結束語

　　本系統界面簡潔，操作方便，可適用于大多數家用電器。經實際測試，系統用于定時照明場景，持續工作兩周未出現異常。

參考文獻

　　［1］ 陳致遠,朱葉承,周卓泉,等.一種基于STM32的智能家居控制系統［J］.電子技術應用,2012，38（9）：138140.［2］ 張逢雪,王香婷,王通生，等.基于STM32單片機的無線智能家居控制系統［J］.自動化技術與應用,2011，30（8）：98101.

　　［3］ 徐端全.嵌入式系統原理與設計［M］.北京: 北京航空航天大學出版社,2009.

　　［4］ 李寧.基于MDK的STM32處理器開發應用［M］.北京: 北京航空航天大學出版社,2008.