郝沛，黄鲁

　　（中国科学技术大学 信息科学技术学院，安徽 合肥 230026）

摘要：传统市电开关需要人为干预，在某些重复定时开关场景下使用不方便，且需要人为判断通断的条件。设计了一种智能开关，可以实现设置时间段内开关的自动通断，并且能够借助传感器数据辅助判断通断条件。实测结果表明，该系统工作稳定，控制界面简洁友好。

关键词：市电定时开关；时钟芯片；传感器；继电器

0引言

　　随着家用电器的普及，传统的手动开关已经无法满足日益复杂的应用场景。比如定时照明系统，人为地去控制照明开关，不但不方便，而且很难精确掌控开启与停止时间。如果在市电与照明系统之间增加一级控制系统，在设定好开关时间后，由系统执行开关操作，并且可以根据环境光照度来选择是否照明，则会带来极大的方便［1］。推而广之，定时抽水系统、定时充电系统、定时加热系统都可以采用此种控制方案，从而给市电应用场景带来极大便利。

1系统简介

　　本系统设计的核心思路是“以弱控强，用户定制；控时为主，传感为辅”。硬件上，系统需要实现对传感器以及外围模块的驱动；软件上，系统需要实现人机交互界面的绘制、时间检测以及传感器数据的处理。

　1.1系统功能框图

　　如图1所示，系统输入为220 V的市电，通过继电器后，输出到被控电器，从而控制被控电器的开关。继电器的作用为隔离强弱电，同时控制市电的通断，其控制信号由控制系统提供。控制系统输入电压为9 V，由电源适配器提供。传感器提供判断通断的辅助信号，如光照度、水位、温湿度等［2］。

1.2系统主要模块

　　1.2.1主控制器STM32

　　STM32是基于ARM Cortex-M3内核的32位微处理器，主频最高为72 MHz。它包含丰富的接口，且其内部时钟频率可由用户自主定制，能够方便地开发出PWM输出、频率捕获、脉宽捕获等功能［3］。其GPIO口可自由配置为输入/输出模式、中断模式、复用模式［4］。

　　1.2.2定时器DS1302

　　DS1302是DALLAS公司设计的一款低功耗时钟芯片，具有涓流充电、闰年补偿功能。芯片采用32.768 kHz晶振，且内部集成了31 B的用于临时数据存放的RAM寄存器。其采用3线I/O口与控制器通信：SCLK时钟引脚，由主控芯片提供，用以实现数据的同步交互；I/O数据输入/输出引脚，用以串行数据传输；RST复位引脚，需在数据传输时强制拉高，在数据传输结束后强制拉低。

　　1.2.3液晶显示模块LPH7366

　　LPH7366是一款分辨率为84×48的单色液晶显示模块，具有功耗低、操作简便等优点，广泛应用于手机显示屏、便携式设备中，如NOKIA5110的液晶屏。

　　LPH7366模块采用四线I/O口与主机通信：CE使能引脚，低有效；SCK时钟引脚；DATA串行数据传输引脚； CD命令/数据选择引脚（低电平代表传输命令，高电平代表传输数据）。

　　由于LPH7366没有集成字库，所以需要把ASICII字库嵌入到代码中去。

2系统硬件

　　根据硬件功能，系统被划分为以下几个子系统：电源系统、STM32主控系统、人机交互系统、时钟系统、继电器系统。各系统功能如下：

　　（1）电源系统：为整个定时开关系统提供工作电平。系统工作电平有两种：9 V和3.3 V；

　　（2）主控系统：完成对整个系统的控制以及数据的采集处理；

　　（3）人机交互系统：提供人机交互接口，实现数据的反馈以及控制参数的配置；

　　（4）时钟系统：提供实时时钟数据，供主控系统使用；

　　（5）继电器系统：隔离强弱电系统，并实现3.3 V电平对9 V电平的驱动。

　　2.1系统硬件框图

　　系统硬件框图如图2所示。

　　2.2系统电路图

　2.2.1STM32最小系统电路

　　STM32能够工作的最小系统电路包含电源输入、复位电路、晶振电路。如图3所示。

　　2.2.2外围设备电路

　　外设电路包括电源电路、液晶+按键电路、实时时钟电路和继电器驱动电路。

　　（1）电源电路，如图4所示。

　　其输出电压由以下公式得到：

　　VOUT=1.221×R1－R2R2（1）

　　当R1=10 kΩ，R2 =2.7 kΩ时，VOUT=3.301 V。

　　（2）时钟电路

　　时钟电路采用DS1302方案。芯片有两组供电电源Vcc1和Vcc2。Vcc2为主电源，Vcc1为备用电源。芯片会以电平较高的一端作为电源输入，所以，为确保在系统掉电时时钟芯片能够正常工作，需要在Vcc1引脚处外加3 V蓄电池。

　　（3）液晶驱动电路

　　由于LPH7366液晶模块的逻辑驱动电平为3 V，所以可直接将其引脚连接到STM32上。按键系统采用自弹式轻触按键，连接到STM32的GPIO上，以中断方式输入。

　　（4）继电器驱动电路

　　由于继电器线圈的工作电平为9 V，而STM32的逻辑电平为3.3 V，所以需要驱动电路才能够用STM32的驱动电平来控制继电器。此处使用晶体管SS8050作为驱动电路，且将其设定为工作在饱和区内。如图5所示，假设晶体管BJT1的β=100，Vbe=0.7 V；继电器线圈电阻Rk=70 Ω，继电器工作电压VIN=9 V。设STM32的PB.9脚输出到R4上的电压为Vin，三极管基极电流为Ib，集电极电流为Ic。假设三极管工作在临界饱和区,则：

　　Ic=VIN/(R3+Rk)(2)

　　Ib=Ic/β(3)

　　Vin=Ib×R4+Vbe(4)

　　可以得到三极管达到饱和状态的最小输入电压Vin=0.75 V。即输入电平超过0.75 V，三极管便会导通，从而继电器吸合。由于在默认条件下继电器应处于断开状态，所以在三极管输入端增加下拉电阻R5=10 kΩ。

3系统软件

　　3.1程序流程图

　　主程序的思路是，实时读取时钟芯片DS1302的时间，并显示在液晶显示屏上；同时检测当前时间是否进入了用户设定的继电器吸合时间。如果进入了设定时间，则吸合继电器；如果在设定时间外，则断开继电器。主程序流程图如图6。　

　　本系统中，按键的检测是在中断程序中实现的。由于在处理某一个中断函数时，其他同级或者更低级的中断是被屏蔽的，所以中断函数应尽可能简短。本系统的按键中断函数仅实现检测哪个按键被按下，而按键消息处理函数是在中断函数外实现的。按键中断处理程序流程图如图7。

3.2人机交互界面设计

　　人机交互界面是本系统软件的主要构成部分。其完成的功能有：显示当前时间与定时时间段，绘制菜单以配合按键进行设置，响应按键信号并完成对应功能。

　　3.2.1菜单的绘制

　　本系统菜单共有两级，采用链表结构设计，其结构如图8所示。

　　链表中，每个节点的结构如下：

　　typedef struct

　　{

　　intLocation_Level［3］;

　　char*Item_Name;

　　Menu_Item* Next;

　　} Menu_Item;

　　其中，Location_Level［3］表示当前节点的位置。Location_Level［0］的值代表此节点在主菜单的第几项；Location_Level［1］的值代表此节点在二级子菜单的第几项；Location_Level［2］代表此节点在三级子菜单的第几项。

　　Item_Name表示当前节点名称。在显示时会根据对应节点打印出此字符串。

　　Next指向下一节点的指针。

　　比如，图8中的二级子菜单中的项目“年设置”，其Location_Level［0］=1，代表其隶属于主菜单的“设定时间”项；Location_Level［1］=1，代表其隶属于二级菜单的“年设置”项；Location_Level［2］=0，代表其止于二级菜单，没有进入三级菜单。其Item_Name=“年设置”；Next指向“年设置”节点的下一个节点。

　　用链表设计菜单的优点在于，无论在菜单的什么位置添加项，都可以直接添加在链表的尾部。因为定位当前节点位置靠的是当前节点的Location_Level［3］中的3个变量，在菜单级数较少时，靠链表遍历就足够了。

　　3.2.2按键的响应

　　按键的检测是在中断函数中完成的。中断处理函数仅完成按键序号的确认，而按键处理函数是在中断外实现的。本系统的按键有4个，分别为“向前”，“向后”，“确认”，“返回”，对应标识号依次为1、2、3、4。

　　按键处理的思路是：中断检测出当前按下的是哪个按键，然后根据当前指针指向的节点来确定要完成的动作。如图9所示。

　　假设当前指针指向菜单项“设定时间”，则Location_Level［3］={1,0,0}，说明当前节点处于主菜单的第一项。如果此时“确认”按键被按下，那么按键处理函数从表中找到此时位置对应动作。假设此动作为“进入二级菜单”，则指针会跳转到Location_Level［3］={1,1,0}的位置，同时在屏幕上刷新出二级菜单。其他3个按键的响应与此类似。

3.3定时时间的设定

　　定时时间设定是在按键响应函数中实现的。程序流程图如图10所示。

　　1.2.2节介绍过，DS1302时钟芯片内部有31 B的RAM寄存器，可用于存放临时数据。由于市电定时开关系统需要保证在系统掉电后，配置数据不会丢失，从而在再次上电时依旧可用。所以，本系统使用了DS1302的临时数据寄存器作为配置数据的保存位置。由于DS1302有备用电源，配置数据不会因掉电而丢失。

　　3.4传感器的数据处理

　　考虑到应用场景的不同，系统给出了8位GPIO扩展接口，可用于各种数字传感器的扩展，如温湿度传感器、液位图11传感器数据处理流程图传感器、光强传感器等。传感器数据处理流程图如图11所示。

　　以光强传感器为例。设光照强度标志为Light_Flag，定时器的标志为Time_Flag，则传感器与定时时间标志变量关系表如表1。 表1传感器与定时时间标志变量表 01Light_Flag环境光照度低于某阈值环境光照度高于某阈值Time_Flag当前时间处于设定时间内当前时间处于设定时间外

　　如果被控电器为照明电路，要求“在设定时间段内，当光照度低于某阈值时，照明电路被开启”，则伪代码如下：

　　if((Light_Flag&& Time_Flag)==1)

　　{打开继电器;}

　　else

　　{关闭继电器;}

　　同理，液位传感器、温度传感器等的数据都可以采用这种处理思路。

　　4测试效果

　　测试中使用了3个定时时间段，并观察继电器的通断状态。

　　如图12中主菜单界面所示，共有3个选项，可通过屏幕下方的按键实现光标的上下移动以及选择、取消等功能；右图为实时时钟设置界面，通过按键实现从年到秒的选择。

　　图13左为定时时间设置界面。共有四个时间段可以配置。当配置完毕后，回到主菜单，进入“TIME DISPLAY”子菜单，便可看到右图的效果。可以看到，时间显示界面除了显示当前时间外，还用不同的箭头表示出了定时时间段。举例来说，对于定时时间1（7:40~9:00），对应右图的纯黑色箭头（黑框之内）所指时间段，可以从时间轴上非常清晰地显示出来。

　　当前时间如果落在任何一段设定时间内，则继电器吸合，其指示灯亮起。

5结束语

　　本系统界面简洁，操作方便，可适用于大多数家用电器。经实际测试，系统用于定时照明场景，持续工作两周未出现异常。

参考文献

　　［1］ 陈致远,朱叶承,周卓泉,等.一种基于STM32的智能家居控制系统［J］.电子技术应用,2012，38（9）：138140.［2］ 张逢雪,王香婷,王通生，等.基于STM32单片机的无线智能家居控制系统［J］.自动化技术与应用,2011，30（8）：98101.

　　［3］ 徐端全.嵌入式系统原理与设计［M］.北京: 北京航空航天大学出版社,2009.

　　［4］ 李宁.基于MDK的STM32处理器开发应用［M］.北京: 北京航空航天大学出版社,2008.