基于Arduino单片机的智能插座

1、北京林业大学科技创新训练结题报告科技创新训练结题报告（普通高等教育）论文题目基于Arduino单片机的智能插座学 院工学院专业名称自动化班 级自动化15-1学 号姓 名指导教师阚江明职 称教授指导教师林剑辉职 称教授基于Arduino单片机的智能插座指导教师 林剑辉摘要生活中插座的应用极其普遍，家用电器待机损耗，造成了电能的浪费。此论文论述和分析了当今社会中插座的发展历史、现状，比较当前普通的插座的不足，提出新的设计方案和解决方法基于WiFi的智能电源插座设计。过去，插座只是普通的连接器件，如今转变成为了拥有独立操作系统的新型智能设备。如今可以通过aiduino控制电量计量模块，将插座的电量通

2、过WiFi模块传到电脑，能够实时监控电量的使用情况，给生活带来了许多的便利。关键词：arduino，wifi,电量计量，智能控制A smart plug based on Arduino SCMAutomation 15-1Blanco QianSupervisor Jian-Hui LinAbstractThe application of socket in daily life is extremely common, the household electric appliance standby machine loss, caused the electric energy was

3、te. This paper discusses and analyzes the development history and current situation of socket in todays society, compares the current shortage of common socket, and proposes a new design scheme and solution - intelligent power socket design based on WiFi. In the past, sockets were just ordinary conn

4、ectors, but now they have become new smart devices with independent operating systems. Aiduino can now control the electric quantity measurement module and transfer the power of the socket to the computer through the WiFi module. It can monitor the power usage in real time and bring a lot of conveni

5、ence to life. Keywords: Arduino SCM，WIFI, Electric quantity measurement, Intelligent control目录1 设计方案11.1研究意义11.2方案概述12 硬件设计22.1系统各模块说明22.1.1 Arduino UNO22.1.2 IM1253电量计量模块52.1.3 AR9331WiFi模块72.1.4继电器模块93 软件设计103.1Arduino IDE103.2流程图114 个人总结124.1分工安排124.2遇到并解决的问题124.3心得体会12附录1 单片机完整C语言程序131 设计方案1.1研究

6、意义WiFi智能插座是一款新兴的智能化产品，它利用WiFi网络建立起与电脑的通信，用户通过电脑操作就能打开或者关闭指定的电器。因为可以做到随时随地对家电的控制，使待机功率较大的电器可以做到完全断电、随用随开，同时也能省下电费，达到节能减排、绿色环保的目的。随着人们生活质量的提高，借着互联网+、物联网概念的东风，智能家居概念越来越深入人心。而采用全套智能化家居系统的费用很高，而且技术更新快，产品容易过时，对于已经交付使用的住房来说，改造起来更为复杂。而利用智能WiFi插座，不需要破坏当前家庭装饰，不需要家庭网关，就可以把原本不智能的家用电器智能化，体验到智能家居的便利。1.2方案概述 该系统采用

7、arduino UNO开发板作为主控部分、通过电量计量模块采集到用电器的电量数据，传送到开发板中，开发板通过Wifi模块将电量传送到PC端。2 硬件设计2.1系统各模块说明2.1.1 Arduino UNO Arduino UNO是Arduino USB接口系列的最新版本，作为Arduino平台的参考标准模板。UNO的处理器核心是ATmega328，同时具有14路数字输入/输出口（其中6路可作为PWM输出），6路模拟输入，一个16MHz晶体振荡器，一个USB口，一个电源插座，一个ICSP heade和一个复位按钮。UNO已经发布到第三版，与前两版相比有以下新的特点：在AREF处增加了两个管脚S

8、DA和SCL，支持I2C接口；增加IOREF和一个预留管脚，将来扩展板将能兼容5V和3.3V核心板。改进了复位电路设计USB接口芯片由ATmega16U2替代了ATmega8U2概要处理器 ATmega328工作电压 5V输入电压（推荐） 7-12V输入电压（范围） 6-20V数字IO脚 14 (其中6路作为PWM输出）模拟输入脚 6IO脚直流电流 40 mA3.3V脚直流电流 50 mAFlash Memory 32 KB （ATmega328，其中0.5 KB 用于 bootloader）SRAM 2 KB （ATmega328）EEPROM 1 KB （ATmega328）工作时钟 16

9、 MHz电源Arduino UNO可以通过3种方式供电，而且能自动选择供电方式外部直流电源通过电源插座供电。电池连接电源连接器的GND和VIN引脚。USB接口直接供电。电源引脚说明VIN - 当外部直流电源接入电源插座时，可以通过VIN向外部供电；也可以通过此引脚向UNO直接供电；VIN有电时将忽略从USB或者其他引脚接入的电源。5V - 通过稳压器或USB的5V电压，为UNO上的5V芯片供电。3.3V - 通过稳压器产生的3.3V电压，最大驱动电流50mA。GND - 地脚。存储器ATmega328包括了片上32KB Flash，其中0.5KB用于Bootloader。同时还有2KB SRA

10、M和1KB EEPROM。输入输出1.14路数字输入输出口：工作电压为5V，每一路能输出和接入最大电流为40mA。每一路配置了20-50K欧姆内部上拉电阻（默认不连接)。除此之外，有些引脚有特定的功能。（1）串口信号RX（0号）、TX（1号）: 与内部 ATmega8U2 USB-to-TTL 芯片相连，提供TTL电压水平的串口接收信号。（2）外部中断（2号和3号）：触发中断引脚，可设成上升沿、下降沿或同时触发。（3）脉冲宽度调制PWM（3、5、6、9、10 、11）：提供6路8位PWM输出。（4）SPI（10(SS)，11(MOSI)，12(MISO)，13(SCK)）：SPI通信接口。（5

11、）LED（13号）：Arduino专门用于测试LED的保留接口，输出为高时点亮LED，反之输出为低时LED熄灭。2.6路模拟输入A0到A5：每一路具有10位的分辨率（即输入有1024个不同值），默认输入信号范围为0到5V，可以通过AREF调整输入上限。除此之外，有些引脚有特定功能（1）TWI接口（SDA A4和SCL A5）：支持通信接口（兼容I2C总线）。（1） AREF：模拟输入信号的参考电压。（2） Reset：信号为低时复位单片机芯片。通信接口1.串口：ATmega328内置的UART可以通过数字口0（RX）和1（TX）与外部实现串口通信；ATmega16U2可以访问数字口实现USB上

12、的虚拟串口。2.TWI（兼容I2C）接口：3.SPI 接口：物理特征Arduino UNO的最大尺寸为2.7 x 2.1 inches。注意要点Arduino UNO上USB口附近有一个可重置的保险丝，对电路起到保护作用。当电流超过500mA是会断开USB连接。Arduino UNO提供了自动复位设计，可以通过主机复位。这样通过Arduino软件下在程序到UNO中软件可以自动复位，不需要在复位按钮。在印制板上丝印RESET EN处可以使能和禁止该功能。图2.1.1（a）Arduino UNO原理图Fig.2.1.1（a）Arduino UNO schematic图2.1.1（b）Arduino

13、 UNO开发实物图Fig.2.1.1（b）Arduino UNO development physical map2.1.2 IM1253电量计量模块图2.1.2 IM1253DC直入电量计量模块实物图Fig.2.1.2IM1253 DC straight in physical diagram of electricity metering moduleIM1253 微型单相交、直流电子式电参数采集模块是深圳市艾锐达光电有限公司为了适应各类电器厂家对自己的产品用电情况进行监控研发而成；也是无线电爱好者，节能电器生产厂家的检验检测工具。该模块采用大规模集成电路，应用数字采样处理技术及 SMT

14、工艺，根据工业标准设计而成。准确度优于国家 1 级标准；该模块不但可以测量 4065Hz 的交流电压、电流、 功率、功率因素、频率等众多电气数据；还可以测量直流的电压、电流、功率、瓦时等数据； 通过 UART 接口方便的和其他单片机、ARM 连接实现众多自动化控制功能；1. 功能特点（1）采集单相交流电参数，包括电压、电流、功率、功率因数、频率、电能等多个电参量，信息全；采集直流电压、电流、功率、瓦数等数据；（2）采用专用测量芯片，有效值测量方式，测量精度高；（3）通信规约采用标准 Modbus-RTU，兼容性好，方便编程；（4）工作电压 DC5V5%，并具防接反保护功能，接反电源不会损坏模块

15、（5）模块体积小，方便集成到各种系统中；2. 技术参数单相输入（1）电压量程：0100V、220V 等可选；（2）电流量程：016A 锰铜采样直入式或互感式 20A、50A、100A 等可选；可外接电流互感器型号可选；（3）额定频率：交流 4565Hz（4）信号处理：采用专用测量芯片，24 位 AD 采样；（5）过载能力：1.2倍量程可持续；瞬间(200mS)电流 5 倍，电压 1.5 倍量程不损坏；（6）输入阻抗：电压通道1 kV；电流通道100m；通讯接口（1） 接口类型：提供 UART 通讯口；（2） 通讯规约：MODBUS-RTU 规约；（3） 数据格式：可软件设置，“n,8,1”、

16、“e,8,1”、 “o,8,1”、 “n,8,2”；（4）通讯速率：通讯接口波特率可设置 1200、2400、4800、9600Bps；通讯接口波特率默认为 4800bps，“n,8,1”格式；测量精度 电压、电流、功率：1.0%；有功电度 1 级电源DC+5V 供电时，峰值电压不得超过+5.5V；典型功耗：20mA；工作环境（1）工作温度：-20+70；存放温度：-40+75；（2）相对湿度：595%，无结露（在 40下）；2.1.3 AR9331WiFi模块该模块采用高通AR9331芯片，是一个高度集成的WLAN解决方案。该模块符合国际标准的802.11 b/g/n协议，采用DSSS、OF

17、DM、BPSK、QPSK、CCK和QAM基带调制技术，能自适应路由器等设备的无线热点。最大连接速率可达150Mbps。1. 产品规格执行标准：IEEE 802.11b/g/n供电电压：5V5%内存：32M （可定制64M）FLASH ：4M（可定制8M）接口： USB2.0、百兆网口、串口、I/O口、reset按键RF输入阻抗：50USB差分阻抗：90晶振频率：25MHz使用温度：080储存温度：-4085频率范围：2.4022.48GHz调制方式：802.11 g/n: OFDM 802.11b: CCK(11, 5.5Mbps), QPSK(2Mbps), BPSK(1Mbps)输出功率：

18、802.11b: 17dBm 1.5dBm (11Mbps) 802.11g: 13dBm1.5dBm (54Mbps) 802.11n: HT20 13dBm 1.5dBm (HT20 MCS7) HT40 12dBm 1.5dBm (HT40 MCS7)接收灵敏度：802.11b:11M 小于 -76dBm 802.11g: 54M 小于 -65dBm 802.11n: HT20 MCS7小于-64dBm HT40 MCS7小于-61dBm2. 系统结构图2.1.3（a）WiFi模块系统结构图Fig.2.1.3（a）WiFi module system structure diagram图

19、2.1.3（b）WiFi模块实物图Fig.2.1.3（b）Physical map of WiFi module2.1.4继电器模块1.工作电压：直流5V2.可控制10A 250VAC、10A 30VDA负载3.信号触发端低电平触发时，公共端与常开端接通4.直接可接单片机输出口5.抗干扰能力强6.具有二极管续流保护7.响应时间小于20毫秒8.继电器寿命长可连续吸和10万次9.外部连线采用旋转压接端子，使接线更牢固10.四周有固定安装口图2.1.4（a）继电器工作原理图Fig.2.1.4（a）Working principle diagram of relay3 软件设计3.1Arduino I

20、DEArduino IDE是Arduino的开放源代码的集成开发环境，其界面友好，语法简单以及能方便的下载程序，使得Arduino的程序开发变得非常便捷。作为一款开放源代码的软件，Arduino IDE也是由Java、Processing、 avr-gcc等开放源码的软件写成，其另一个最大特点是跨平台的兼容性，适用于Windows、Max OS X以及Linux。2011年11月30号Arduino官方正式发布了Arduino1.0版本，可以下载不同系统下的压缩包，也可以在github上下载源码重新编译自己的IDE。图3.1.1 Arduino IDE软件界面Fig.3.1.1 Arduino

21、 IDE interface3.2流程图图3.2.1 流程图Fig.3.2.1 Flow chart4 个人总结4.1分工安排小组成员：钱延、秦艺桐。小组分工：秦艺桐：整体方案的构思、硬件的采购、硬件的连接、汇报PPT的制作。钱延：整体方案的构思、硬件的采购、硬件的连接、程序的编写。4.2遇到并解决的问题从前期的方案构思到最后基本功能的实现，历时三个月。在这期间，遇到了很多问题，例如：单片机的选型、电量计量模块的选型、WiFi模块的选型以及连接。其中最难的问题是虚拟串口的扩展与电量数据的读取。由于arduino uno只有一对硬串口，刚开始用两路继电器开关。4.3心得体会透过这次课程设计，我在

22、各方面都有了必须程度的加强，不仅仅学习到了一些新知识，回顾了以前的一些快要遗忘的知识点，而且使自我的学习目标更加明确，学习方法更加完善，也体会到系统开发的趣味，更加清楚地认识到了自我在开发及学习上的一些不足之处。所谓“实践出真知”，在本次课程设计中得到了印证，在系统原理不是很复杂的情况下我们依然遇到了许多问题，但是在我和同学的配合下都顺利的解决了各种各样的困难。本次课程设计激发了我在软硬件结合开发的兴趣，增强了动手能力和编程能力，为以后的学习和工作打下了更牢固的基础。最后要感谢林剑辉老师的指导和帮助。附录1 单片机完整C语言程序#includeSoftwareSerialmySerial(2,

23、3);int cpin=4;int ARX=0;int ATX=1;int myTX=3;int myRX=2;unsigned long energy;unsigned int TX_Buffer6;unsigned int RX_Buffer17;unsigned long work_data;unsigned long work;unsigned long Voltage_data;unsigned long Voltage;void read_data(void) union crcdata unsigned int word16; unsigned char byte2; crcno

24、w; if(Clock.Second%2=1) Tx_Buffer0=0x01;Tx_Buffer1=0x03;Tx_Buffer2=0x00;Tx_Buffer3=0x48;Tx_Buffer4=0x00;Tx_Buffer5=0x06;ce=rcnow.word16=chkcrc(Tx_Buffer,6);Tx_Buffer6=crcnow.byte0;Tx_Buffer7=crcnow.byte1;send_data(8); unsigned int calccrc(unsigned char crcbuf,unsigned int crc) unsigned char i; unsigned char chk;for(i=0;i1;crc=crc&0x7fff; if(chk=1)crc=crc0xa001;crc=crc&0xffff; return crc; unsigned int chkcrc(unsigned char *buf,unsigned char len) unsigned char hi,lo; unsigned int i; unsigned int crc;crc=0xFFFF; for(i=