郝沛，黃魯
（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230026）
摘要：傳統(tǒng)市電開關(guān)需要人為干預(yù)，在某些重復(fù)定時開關(guān)場景下使用不方便，且需要人為判斷通斷的條件。設(shè)計了一種智能開關(guān)，可以實現(xiàn)設(shè)置時間段內(nèi)開關(guān)的自動通斷，并且能夠借助傳感器數(shù)據(jù)輔助判斷通斷條件。實測結(jié)果表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，控制界面簡潔友好。
關(guān)鍵詞：市電定時開關(guān)；時鐘芯片；傳感器；繼電器
0引言
隨著家用電器的普及，傳統(tǒng)的手動開關(guān)已經(jīng)無法滿足日益復(fù)雜的應(yīng)用場景。比如定時照明系統(tǒng)，人為地去控制照明開關(guān)，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(tǒng)之間增加一級控制系統(tǒng)，在設(shè)定好開關(guān)時間后，由系統(tǒng)執(zhí)行開關(guān)操作，并且可以根據(jù)環(huán)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(tǒng)、定時充電系統(tǒng)、定時加熱系統(tǒng)都可以采用此種控制方案，從而給市電應(yīng)用場景帶來極大便利。
1系統(tǒng)簡介
本系統(tǒng)設(shè)計的核心思路是“以弱控強(qiáng)，用戶定制；控時為主，傳感為輔”。硬件上，系統(tǒng)需要實現(xiàn)對傳感器以及外圍模塊的驅(qū)動；軟件上，系統(tǒng)需要實現(xiàn)人機(jī)交互界面的繪制、時間檢測以及傳感器數(shù)據(jù)的處理。
1.1系統(tǒng)功能框圖
如圖1所示，系統(tǒng)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(guān)。繼電器的作用為隔離強(qiáng)弱電，同時控制市電的通斷，其控制信號由控制系統(tǒng)提供。控制系統(tǒng)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(tǒng)主要模塊
1.2.1主控制器STM32
STM32是基于ARM Cortex-M3內(nèi)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(nèi)部時鐘頻率可由用戶自主定制，能夠方便地開發(fā)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(fù)用模式［4］。
1.2.2定時器DS1302
DS1302是DALLAS公司設(shè)計的一款低功耗時鐘芯片，具有涓流充電、閏年補(bǔ)償功能。芯片采用32.768 kHz晶振，且內(nèi)部集成了31 B的用于臨時數(shù)據(jù)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(xiàn)數(shù)據(jù)的同步交互；I/O數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳，用以串行數(shù)據(jù)傳輸；RST復(fù)位引腳，需在數(shù)據(jù)傳輸時強(qiáng)制拉高，在數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后強(qiáng)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(yōu)點，廣泛應(yīng)用于手機(jī)顯示屏、便攜式設(shè)備中，如NOKIA5110的液晶屏。
LPH7366模塊采用四線I/O口與主機(jī)通信：CE使能引腳，低有效；SCK時鐘引腳；DATA串行數(shù)據(jù)傳輸引腳； CD命令/數(shù)據(jù)選擇引腳（低電平代表傳輸命令，高電平代表傳輸數(shù)據(jù)）。
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(tǒng)硬件
根據(jù)硬件功能，系統(tǒng)被劃分為以下幾個子系統(tǒng)：電源系統(tǒng)、STM32主控系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、時鐘系統(tǒng)、繼電器系統(tǒng)。各系統(tǒng)功能如下：
（1）電源系統(tǒng)：為整個定時開關(guān)系統(tǒng)提供工作電平。系統(tǒng)工作電平有兩種：9 V和3.3 V；
（2）主控系統(tǒng)：完成對整個系統(tǒng)的控制以及數(shù)據(jù)的采集處理；
（3）人機(jī)交互系統(tǒng)：提供人機(jī)交互接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的反饋以及控制參數(shù)的配置；
（4）時鐘系統(tǒng)：提供實時時鐘數(shù)據(jù)，供主控系統(tǒng)使用；
（5）繼電器系統(tǒng)：隔離強(qiáng)弱電系統(tǒng)，并實現(xiàn)3.3 V電平對9 V電平的驅(qū)動。
2.1系統(tǒng)硬件框圖
系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。
2.2系統(tǒng)電路圖
2.2.1STM32最小系統(tǒng)電路
STM32能夠工作的最小系統(tǒng)電路包含電源輸入、復(fù)位電路、晶振電路。如圖3所示。
2.2.2外圍設(shè)備電路
外設(shè)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(qū)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(dāng)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(tǒng)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(qū)動電路
由于LPH7366液晶模塊的邏輯驅(qū)動電平為3 V，所以可直接將其引腳連接到STM32上。按鍵系統(tǒng)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(qū)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(qū)動電路才能夠用STM32的驅(qū)動電平來控制繼電器。此處使用晶體管SS8050作為驅(qū)動電路，且將其設(shè)定為工作在飽和區(qū)內(nèi)。如圖5所示，假設(shè)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(shè)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(shè)三極管工作在臨界飽和區(qū),則：
Ic=VIN/(R3+Rk)(2)
Ib=Ic/β(3)
Vin=Ib×R4+Vbe(4)
可以得到三極管達(dá)到飽和狀態(tài)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(dǎo)通，從而繼電器吸合。由于在默認(rèn)條件下繼電器應(yīng)處于斷開狀態(tài)，所以在三極管輸入端增加下拉電阻R5=10 kΩ。
3系統(tǒng)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(dāng)前時間是否進(jìn)入了用戶設(shè)定的繼電器吸合時間。如果進(jìn)入了設(shè)定時間，則吸合繼電器；如果在設(shè)定時間外，則斷開繼電器。主程序流程圖如圖6。
本系統(tǒng)中，按鍵的檢測是在中斷程序中實現(xiàn)的。由于在處理某一個中斷函數(shù)時，其他同級或者更低級的中斷是被屏蔽的，所以中斷函數(shù)應(yīng)盡可能簡短。本系統(tǒng)的按鍵中斷函數(shù)僅實現(xiàn)檢測哪個按鍵被按下，而按鍵消息處理函數(shù)是在中斷函數(shù)外實現(xiàn)的。按鍵中斷處理程序流程圖如圖7。
3.2人機(jī)交互界面設(shè)計
人機(jī)交互界面是本系統(tǒng)軟件的主要構(gòu)成部分。其完成的功能有：顯示當(dāng)前時間與定時時間段，繪制菜單以配合按鍵進(jìn)行設(shè)置，響應(yīng)按鍵信號并完成對應(yīng)功能。
3.2.1菜單的繪制
本系統(tǒng)菜單共有兩級，采用鏈表結(jié)構(gòu)設(shè)計，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。
鏈表中，每個節(jié)點的結(jié)構(gòu)如下：
typedef struct
{
intLocation_Level［3］;
char*Item_Name;
Menu_Item* Next;
} Menu_Item;
其中，Location_Level［3］表示當(dāng)前節(jié)點的位置。Location_Level［0］的值代表此節(jié)點在主菜單的第幾項；Location_Level［1］的值代表此節(jié)點在二級子菜單的第幾項；Location_Level［2］代表此節(jié)點在三級子菜單的第幾項。
Item_Name表示當(dāng)前節(jié)點名稱。在顯示時會根據(jù)對應(yīng)節(jié)點打印出此字符串。
Next指向下一節(jié)點的指針。
比如，圖8中的二級子菜單中的項目“年設(shè)置”，其Location_Level［0］=1，代表其隸屬于主菜單的“設(shè)定時間”項；Location_Level［1］=1，代表其隸屬于二級菜單的“年設(shè)置”項；Location_Level［2］=0，代表其止于二級菜單，沒有進(jìn)入三級菜單。其Item_Name=“年設(shè)置”；Next指向“年設(shè)置”節(jié)點的下一個節(jié)點。
用鏈表設(shè)計菜單的優(yōu)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(dāng)前節(jié)點位置靠的是當(dāng)前節(jié)點的Location_Level［3］中的3個變量，在菜單級數(shù)較少時，靠鏈表遍歷就足夠了。
3.2.2按鍵的響應(yīng)
按鍵的檢測是在中斷函數(shù)中完成的。中斷處理函數(shù)僅完成按鍵序號的確認(rèn)，而按鍵處理函數(shù)是在中斷外實現(xiàn)的。本系統(tǒng)的按鍵有4個，分別為“向前”，“向后”，“確認(rèn)”，“返回”，對應(yīng)標(biāo)識號依次為1、2、3、4。
按鍵處理的思路是：中斷檢測出當(dāng)前按下的是哪個按鍵，然后根據(jù)當(dāng)前指針指向的節(jié)點來確定要完成的動作。如圖9所示。
假設(shè)當(dāng)前指針指向菜單項“設(shè)定時間”，則Location_Level［3］={1,0,0}，說明當(dāng)前節(jié)點處于主菜單的第一項。如果此時“確認(rèn)”按鍵被按下，那么按鍵處理函數(shù)從表中找到此時位置對應(yīng)動作。假設(shè)此動作為“進(jìn)入二級菜單”，則指針會跳轉(zhuǎn)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(yīng)與此類似。
3.3定時時間的設(shè)定
定時時間設(shè)定是在按鍵響應(yīng)函數(shù)中實現(xiàn)的。程序流程圖如圖10所示。
1.2.2節(jié)介紹過，DS1302時鐘芯片內(nèi)部有31 B的RAM寄存器，可用于存放臨時數(shù)據(jù)。由于市電定時開關(guān)系統(tǒng)需要保證在系統(tǒng)掉電后，配置數(shù)據(jù)不會丟失，從而在再次上電時依舊可用。所以，本系統(tǒng)使用了DS1302的臨時數(shù)據(jù)寄存器作為配置數(shù)據(jù)的保存位置。由于DS1302有備用電源，配置數(shù)據(jù)不會因掉電而丟失。
3.4傳感器的數(shù)據(jù)處理
考慮到應(yīng)用場景的不同，系統(tǒng)給出了8位GPIO擴(kuò)展接口，可用于各種數(shù)字傳感器的擴(kuò)展，如溫濕度傳感器、液位圖11傳感器數(shù)據(jù)處理流程圖傳感器、光強(qiáng)傳感器等。傳感器數(shù)據(jù)處理流程圖如圖11所示。
以光強(qiáng)傳感器為例。設(shè)光照強(qiáng)度標(biāo)志為Light_Flag，定時器的標(biāo)志為Time_Flag，則傳感器與定時時間標(biāo)志變量關(guān)系表如表1。 表1傳感器與定時時間標(biāo)志變量表 01Light_Flag環(huán)境光照度低于某閾值環(huán)境光照度高于某閾值Time_Flag當(dāng)前時間處于設(shè)定時間內(nèi)當(dāng)前時間處于設(shè)定時間外
如果被控電器為照明電路，要求“在設(shè)定時間段內(nèi)，當(dāng)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(guān)閉繼電器;}
同理，液位傳感器、溫度傳感器等的數(shù)據(jù)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(tài)。
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(xiàn)光標(biāo)的上下移動以及選擇、取消等功能；右圖為實時時鐘設(shè)置界面，通過按鍵實現(xiàn)從年到秒的選擇。
圖13左為定時時間設(shè)置界面。共有四個時間段可以配置。當(dāng)配置完畢后，回到主菜單，進(jìn)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(dāng)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(yīng)右圖的純黑色箭頭（黑框之內(nèi)）所指時間段，可以從時間軸上非常清晰地顯示出來。
當(dāng)前時間如果落在任何一段設(shè)定時間內(nèi)，則繼電器吸合，其指示燈亮起。
5結(jié)束語
本系統(tǒng)界面簡潔，操作方便，可適用于大多數(shù)家用電器。經(jīng)實際測試，系統(tǒng)用于定時照明場景，持續(xù)工作兩周未出現(xiàn)異常。
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