基于MSP430-F149的智能插座

中北大學 史 策

電源插座是為家用電器提供電源接口的電氣設備，也是住宅電氣設計中使用較多的電氣附件，它與人們生活有著十分密切的關系。居民搬進新居后，普遍反映電源插座數量太少，使用極不方便，造成住戶私拉亂接電源線和加裝插座接線板，常常引起人身電擊和電氣火災事故，給人身財產安全帶來重大隱患。

所以，電源插座的設計也是評價住宅電氣設計的重要依據。目前市場上的普通插座或智能插座大多有以下缺陷：沒有過流保護，在雷雨天使用有危險、沒有定時開關功能，容易造成不必要的浪費、無法遠程遙控，沒有便利性。這里提出了一種基于MSP430-F149的智能插座，整體結構簡單，適用于家中和一般性廠房的使用。插座能保證使用地點的用電安全，支持短路保護、火災監測，支持功耗監控、定時遙控。

1.智能插座的總體設計

由于產品的主要作用之一是輔助節能，所以功耗的問題就顯得非常重要。我們分析了市場上的MCS-51單片機、AVR單片機、ARM以及Linux嵌入式操作系統。ARM、Linux等高端處理器，成本很高，不適用于大眾。MCS-51單片機能夠實現的功能有限，而且功耗較高。經過討論分析，決定產用由TI公司推出的MSP430-F149單片機，原因是它成本低，功能強大，電源電壓是3.3V，并且處理器可以軟件控制進入低功耗模式，只有當其接收到串口的中斷后才會被喚醒，綜上所述，MSP430-F149單片機滿足系統的要求[1]。

系統的功能框圖如圖1所示：

圖1 系統的功能框圖

2.硬件組成

由于硬件主要任務是實現保護與遙控。保護分為火災保護和過流短路保護，遙控是指通過藍牙傳輸數據，所以在硬件選擇中選擇了遠紅外傳感器、光敏電阻和藍牙模塊作為主要模塊，另外通過帶有過零檢測功能的開關進行對電路的控制。

2.1 火焰傳感器

遠紅外傳感器能夠探測到波長在700納米～1000納米范圍內的紅外光，探測角度為60，其中紅外光波長在880納米附近時，其靈敏度達到最大。遠紅外火焰探頭將外界紅外光的強弱變化轉化為電流的變化，通過A/D轉換器反映為0～255范圍內數值的變化。外界紅外光越強，數值越??；紅外光越弱，數值越大。

2.2 光敏傳感器

通過光敏電阻進行光的測量、光的控制和光電轉換。由于光敏電阻器對光的敏感性(即光譜特性)與人眼對可見光(0.4～0.76)μm的響應很接近，只要人眼可感受的光，都會引起它的阻值變化。所以通過光敏電阻可以簡單靈敏地實現實驗要求。

2.3 溫度傳感器

單線數字溫度傳感器DS18B20可以把溫度信號直接轉換成數字信號，每片DS18B20含有唯一的64位序列號，測溫范圍是-55℃—+125℃，滿足系統要求。DS18B20數字溫度計提供9位溫度讀數，指示器件的溫度信息經過單線接口送入DS18B20或從DS18B20送出，與MCU之間只需一條線連接，讀寫和完成溫度轉換所需的供電可由數據線提供而無需外部添加。由于每個DS18B20有唯一的系列號(silicon serial number)，因此，多個DS18B20可存在于同一條單線總線上，這就使得產品在溫度靈敏度和區域溫度檢測方面的工作得到了簡化。通過此傳感器能方便的監視外界以及內部的溫度變化。

2.4 電流傳感器

電流檢測由電流互感器完成，主要優點是大電流轉小電流，增加安全性；電線直接穿過傳感器就可測量，安裝方便。

電流互感器的工作原理：被測電流的繞組(匝數為N1)，稱為一次繞組(或原邊繞組、初級繞組)；接測量儀表的繞組(匝數為N2)稱為二次繞組(或副邊繞組、次級繞組)。電流互感器一次繞組電流I1與二次繞組I2的電流比，叫實際電流比K。電流互感器在額定電流下工作時的電流比叫電流互感器額定電流比，用Kn表示：Kn=I1n/I2n。

根據實際用電器的情況，在此處應用的變比為1000/1的電流互感器，可以把實際為5A的電流轉變為5mA的電流。再將一個定值電阻與電流互感器進行并聯，通過MCU上的A./D轉換器能測出定值電阻上的電壓，最后通過歐姆定理就可以計算得出轉換后的電流值，轉換前的電流就為此電流的1000倍。

2.5 藍牙通信

本系統藍牙功能在MSP430-F149上的實現，傳感器對模擬信號進行采樣，并對A/D變換后的數字信號進行處理傳輸到接收端，最后由單片機將處理結果通過藍牙發送到上位機內。同樣，當上位機需要傳輸指令時，由藍牙將指令對應的代碼傳送到MCU串口，實現雙向通信[3]。

2.6 通斷開關設計

本產品中的開關是針對家庭插座中220v交流電的，而繼電器吸合和斷開的時候不是在交流相位的過零點而引起的打火，這種火花的頻率成分復雜而且能量很強，RC吸收電路能吸收一部分，仍然有一部分能量輻射出來，會對MCU進行干擾。要解決此現象，光耦的初級經過限流接220V交流，次級接上拉進入GPIO，作用是專門用于監測AC220V的相位，根據繼電器的吸合和釋放時間，準確的在過零點進行開關，使得開關干擾降至最低限度。

但也有更簡單的方法就是用一個帶過零檢測的光耦MOC3020，去控制雙向可控硅，做成固態繼電器的方式，對單相AC電源進行控制。

開關設計電路如圖2所示：

圖2 開關設計電路

3.軟件設計

3.1 溫度傳感器的通信命令和時序

DS18B20工作過程中的協議為：(1)初始化；(2)操作命令；(3)存儲器操作命令；(4)時序。主機使用時間隙(time slots)讀寫DS18B20的數據位和寫命令字的位。由于DS18B20采用單總線協議方式，即在1根數據線實現數據的雙向傳輸，而對MSP430-F149單片機來說，硬件上并不支持單總線協議，因此，我們需要采用軟件方法模擬單總線的協議時序，從而完成對DS18B20的訪問。

3.2 溫度數據的計算處理方法

從DS18B20讀取出的值為二進制，要想用于字符的顯示必須先轉換成十進制值才可以。因為DS18B20的轉換精度為9-12位，所以在采用12位轉換精度時溫度寄存器里的值是以0.0625為單位步進的，即實際的十進制溫度值為寄存器里的二進制值乘以0.0625。一個十進制值和一個二進制值之間有很明顯的關系：二進制的高字節的低半字節和低字節的高半字節組成的一個字節內部的二進制值轉化為十進制值后，該十進制值就是溫度值的小數部分。由于小數部分是半個字節，所以二進制值范圍的0-F轉換成了十進制小數值就變成了0.0625的倍數(0-15倍)，這樣我們就需要4位的數碼管來顯示小數部分。這樣對于實際的應用而言，如果用1位數碼管來顯示小數，這樣的精確度可以達到0.1℃[4]。

3.3 藍牙設置

軟件系統首先要對單片機MSP430進行初始化，設置其ACLK輔助時鐘，設置UART0和UART1等內部模塊時鐘為ACLKM藍牙模塊復位。當藍牙發送任務啟動后，藍顏將把通過RS232口采集到的數據打包發送。每當發送完一個數據包后，等待中央單位的確認信息，完成確認工作后，然后進行下一個數據包的發送。如果無法收到確認信息，則根據主控任務提供的信息切換到其他備用的通道上，以繼續當前的發送任務，同時通知主控任務當前使用的通道信息。從而實現建立起兩個藍牙通道[5]。

4.結束語

本系統的設計圍繞低功耗、高性能和全面的安全保障。以MSP430-F149作為主控芯片，以多種傳感器作為外部電路。在創新的同時也在一些地方對電路做了改進，使得整體體積更小，運行更加穩定。在軟件方面充分發揮了MCU強勁的數據處理能力和低功耗特性，省去了外設ADC轉換器、大大節省了系統本身的耗電量。在家庭、公司、工廠等用電場所都可以安裝本產品來管理其用電設備，保證其用電安全，應用前景廣闊。

[1]張福才,張銳,茹洪芳.MSP430單片機自學筆記[M].北京:北京航空航天大學出版社,2011.

[2]張軍.基于MSP430單片機和DS18B20的數字溫度計[J].電子設計工程,2010,18(11).

[3]洪利,章揚,李世寶.MSP430單片機原理與應用實例詳解[M].北京:北京航空航天大學出版社,2010.

[4]沈建華,楊艷琴,翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單片機原理及應用[M].北京:清華大學出版社,2004.

[5]孫紅軍.基于MSP430和藍牙技術的數據傳輸系統[J].井岡山學院學報,2009,30(4).