单片机与嵌入式系统作业资料

杭州电子技术大学通信工程学院单片机和嵌入式系统运行项目名称：基于MSP430G2553的智能WIFI远程控制电源插座设计类：名称：曙光学号：姓名：王青学校编号：姓名：毛源学校编号：10一、研究背景、现状和研究目的、重要性经济的发展促使人们追求更高的生活质量，技术的发展使硬件和软件的性价比达到了适当的水平。因此，新兴智能住宅使用实现服务、信息和系统资源高共享的一系列先进技术，为家具提供更安全、更舒适、更方便的智能信息生活空间1。目前，大多数家电都具有近距离遥控功能，但这些遥控器都使用红外线传输技术。红外传输技术不允许在遥控器和家电接收端之间阻挡障碍物，红外传输一般只能在3米以内进行点对点通信操作。因此，红外传输技术不适合智能家居领域。对于目前住宅中的很多电气设备，没有远程遥控功能，对智能家居要求的电力远程控制要求造成了很大障碍2。对于这些通用电气设备的远程远程远程控制功能，理论上有两种解决方案。一是改造电器，加载远程控制电路接口，使其具有远程控制功能。另一个方案是，不改造电器，另外，连接可以远程遥控的电源插座。显然，第二个程序更方便、更实用1-2。2009年物联网的发展受到国内社会的高度关注，物联网的发展使智能家居产业具有巨大的发展潜力。智能家居在2014年3月的上海世博会上作为此次展览会的核心关键词登场。国内外主要企业一致致力于智能家居战略。就像海尔推出最新的u智能家庭系统一样。三星推出了可以通过无线网络控制的新洗衣机2。与云计算相结合的智能家居预示了未来的方向，并引起了智能家居的广泛关注2。该项目在智能家居中对可远程控制的智能电源插座进行了调查后，根据实际需求，利用单片机和无线局域网技术，设计了通过智能手机WIFI进行远程无线远程控制的智能电源插座，实现了电气设备的远程控制和监控。WIFI是wireless high-fidelity传输协议3，是Wireless Fidelity的缩写。WIFI基于IEEE 802.11协议，这是一种无线连接个人计算机、手持设备(如PDA、智能手机)等终端的技术4。WIFI最大的优点是传输速率高，同时与现有网络设备兼容。随着第五代WIFI协议版本802.11ac的推出，WIFI的传输速率超过1Gbps，复盖范围进一步扩大。因此，在现有条件下，最好选择WIFI作为智能电源插座通信模块，另一方面，传统移动终端设备几乎集成了所有WIFI接口，使移动设备成为智能电源插座的控制器变得更加方便。另一方面，WIFI传输速度快，并为智能家庭系统和以太网连接提供以太网访问。基于802.11b标准的WIFI在最高传输速率为11Mbps的2.4GHz频带上运行。文献5采用WIFI网络通信模块作为家庭网关控制中心子模块，主要实现家庭网关控制中心和用户移动终端设备之间的通信。移动终端设备(例如手机、笔记本电脑等)配备WIFI模块，因此，其设计仅允许家庭网关控制中心实施WIFI通信功能。选择WIFI模块将为开发人员带来一些方便，因为用户可以通过模块仅发送和接收必要的数据，而无需为WIFI协议实施上层协议标准。文献6针对当前接触电源开关存在的问题，设计了基于Android手机和WIFI的远程电源开关的实现方案。使用由WIFI无线模块控制的PWM信号分析更改SCR传导角度大小的与负载功率相关的因素，可以利用装有Android操作系统的手机控制负载的阻塞控制和输出功率大小。文献7设计并实施了两种智能家居解决方案：蓝牙智能套接字解决方案和WIFI智能套接字解决方案。通过控制智能插座，可以间接控制连接到插座的电气设备。硬件电路的工作方式如下：电源转换模块将220V交流电转换为稳定的5V直流电，为整个插座的硬件平台供电，如果硬件平台通过WIFI模块连接到互联网，则整个插座可以正常工作。使用智能手机的应用程序通过WIFI模块连接到智能电源插座，可以控制相应的智能电源插座。在此项目中，我们使用Texas instruments (TI)中国大学计划提供的超低功耗MSP430G2553LaunchPad袖珍实验开发平台作为智能电源插座板，整合了TI的CCS软件平台开发环境，包括电源扩展转换模块、WIFI通信模块、中继模块和时钟模块，并基于MSP430G2553的智能wif53这个智能套接字具有接收智能手机WIFI控制命令的功能。在同一无线LAN上，通过手机WIFI连接到插座的家用电器的开关可以远程控制家用电器的远程遥控器。同时，连接了此智能套接字的用户家电设备的实时操作状态也可以通过WIFI反馈传送到用户的手机，获取智能套接字的操作状态信息。参考文献：1温铁钝，孙基国，张天红。无线远程控制智能插座设计J。测量和控制技术。2003，22 (10): 53-55，59。2 mengkun。基于MSP430的智能家居系统设计D。苏州：苏州大学硕士学位论文，2014年。3柳诺安。无线局域网(WLAN)原理、技术和应用M。西安：西安电子科技大学出版社，2004。4端水福，历小华，端莲。无线LAN (WLAN)设计和实施M。杭州：浙江大学出版社，2007。5章鱼数。WiFi网络智能家庭系统的设计与实现D。天津：天津工业大学硕士学位论文，2012年。6 Li Liping、Chen jinying、sun Yu、Wei wanying。WiFi控制电源调节系统的设计与实现J。自动化仪表。2014，35 (7): 48-51。7张诺瓦。基于Android手机的智能插槽设计D。杭州：浙江大学硕士学位论文，2014年。8梁延，浦江。大学生电子设计从零开始的路 MSP430LaunchPad口袋实验平台M。北京：北京航空航天大学出版社2014。2、实施计划、实施计划和可行性分析1.主要内容该项目基于MSP430G2553的智能WIFI远程控制电源插座。低功耗MSP430G2553单芯片串行端口控制使用WIFI模块作为智能电源交换机的接收点，通过智能电源WIFI功能将控制信号发送到智能电源交换机的WIFI模块。智能电源交换机的中央控制器MSP430G2553连接到电源转换、中继交换机控制、WIFI模块等。其中，电源转换模块通过变压器降压配对过滤器将220V的交流转换为3.3V直流，MSP430G2553从电源转换模块获得稳定的3.3V电源开始工作，MSP430G2553接收从WIFI模块发送到智能手机的定时开关命令，通过MSP430G2553内部计时器计时，打开或关闭GPIO端口控制继电器开关模块，即插座上的开关状态此项目的设计图如图1所示。图1智能WIFI远程控制电源插座设计框图MSP430G2553是TI推出的16位超低功耗混合信号微处理器(MCU)。此单芯片微型计算机具有以下特点：(1)低功耗、电源电压1.8-3.6V、低于待机电流1uA、1个操作模式(AM)和5个低功耗模式(LPM)；(2) 16位元精简指令集(RISC)结构、系统时脉时脉速度16MHz、4KB RAM、内部56kb快闪记忆体、(3)比较器、计时器、10位元ADC、序列埠(UART)、必须购买图1中的外围模块，设计每个模块和MSP430G2553的接口，并开发相应的驱动程序电路和软件程序。主要模块说明如下：(1)电源转换模块：将220V交流转换为3.3V直流，使用变压器降压整流器过滤方案。220V交流电通过变压器下调到9V交流电后，通过桥式整流电路整流、电容滤波器和三端集成稳定管LM1117L3输出稳定的3.3V直流。电源转换模块为单片机和外围模块提供稳定的直流电源。电源转换模块电路原理图如图2所示。图2电源转换模块电路图(2)WIFI模块：单芯片微型计算机通过WIFI模块与智能手机WIFI进行指令和数据传输。WIFI模块以串行端口的形式连接到单片机。模块为VCC、GND、TXD和RXD四脚。VCC为3.3V(通过电源转换模块输出3.3V电源)。默认设置为波特率9600波特、8位数据位、1位停止位和无奇偶校验。与MSP430G2553的接口针脚为TXD和RXD。(3)继电器模块：继电器模块控制插座电源的连接。当单片机收到控制命令时，通过继电器模块执行控制操作。在这个项目中，我们想使用电磁继电器。电磁继电器由铁芯、线圈、电枢、触电引线等组成。线圈两端加上一定的电压，在线圈中通过一定的电流产生电磁效应，电枢在电磁力的作用下被铁球吸引，主导电枢的移动电击和常时电击吸收。线圈断电后，电磁魅力消失，电枢在弹簧反作用力的作用下回到原来的位置，吸收移动电击或NC电击。MSP430G2553单片机和继电器的接口使用GPIO。单片机是在3.3V下工作的弱电设备，由于IO端口输出电流很小，驱动器电流低于mA水平，因此需要设计一个典型电源驱动继电器驱动器电路，该电路使用晶体管放大电流驱动继电器。设计的继电器驱动电路如图3所示。图3继电器驱动电路图3中，单芯片GPIO端口P2.0输出高电平触发晶体管传导。晶体管使用NPN型9014或8050放大100左右。基极电阻选择3.3K .集电极连接电磁继电器。在继电器两端，以相反的方向并行保护二极管，消除当晶体管从导向变为切断时继电器绕组产生的自感电压。感应高电压通过二极管正向传导电路发射，因此保持了晶体管安全，防止了破损。(4)时钟模块：时钟模块提供智能插座的实时时间表信息，如年、月、日、小时、分钟、秒等，使智能插座的计时功能正常工作，即使插座电源关闭，也能保持准确的移动时间。2.关键问题解决建议(1)硬件：每个模块和MSP430G2553的接口和驱动程序电路。(2)软件：A.接口功能调试：电源转换模块(AC-DC和DC-DC)；Scm计时器设置和时钟模块(定时中断)；中继模块中断子程序(GPIO端口中断)；WIFI模块串行调试(使用串行调试助手)。B.CCS软件系统编程：编写每个模块的子程序，以实现每个模块的基本功能。(3)硬软件调试，实现系统功能。3.实施方案MSP430G2553 LaunchPad是TI发布的低功耗MSP430发布主板，提供具有集成模拟功能的14/20针DIP插槽目标主板，并允许通过双线JTAG协议对系统中内置的MSP430微控制器进行编程和调试。MSP430G2553袖珍实验版是TI中国大学计划提供的MSP430实验开发平台，可以脱离小型实验室，随身携带，轻松进行开发学习。本项目的MSP430G2553 LaunchPad袖珍实验平台板和扩展板如图4和图5所示。图4 MSP430G2553 LaunchPad口袋实验平台板(a)扩展卡正面(b)扩展卡背面图5 MSP430G2553 LaunchPad袖珍实验平台扩展板MSP430G2553 LaunchPad袖珍实验平台硬件图如图6所示。图6 MSP430G2553LaunchPad袖珍实验平台硬件方框图MSP430G2553 LaunchPad袖珍实验平台可实现的基本功能包括：1)显示和输入单元：袖珍实验平台使用I2C接口的TCA6416A扩展16个低速率双向IO(IO00至IO07、IO10至IO17)。4个用于LCD驱动器HT1621控制的扩展IO、4个用于机器键击、8个用于LED灯柱。(2)触控键设备：两个触控键占用P2.0和P2.5的GPIO，MSP430G2系列微控制器P1和P2都具有振动功能。(3)模拟输出设备：12位串行数字到模拟转换器DAC7311进行了外部扩展，使用了3个P1.0/P1.3/P2.2通用GPIO控制。这三个IO由其他单元同时多路复用，但DAC7311都是高电阻输入，不需要跳线多路复用。音频放大器TPA301可以通过电流放大DAC输出来驱动扬声器/蜂鸣器负载。4)扩展存储部分：受SPI协议控制的tf卡、P1.1/SPI SOMI、P1.2/SPI SIMO、P1.4/SPI CLK 3 USCI功能IO和一个通用P2.4控制。5) SLOPE ADC设备：使用千分表作为测量电阻。P1.5/Comparator_A、P1.3、P2.2中的三个IO控制。P1.3、P2.2多路复用