基于STM32单片机的智能家庭电控系统设计*

赵东升，刘忠富，张笑彤

(大连民族大学信息与通信工程学院,辽宁 大连 116600)

0 引言

近些年来，随着物联网技术的发展，智能化家电产品成为大多数家庭的必需品。万物互联已经成为未来社会发展的趋势，智能交通、人工智能、工业自动化及某些公共服务设备都可以通过网络成为有机的整体。物联网正在改变人们的生活和整个世界[1]。同时，合理用电，安全用电的需求也越来越迫切。近些年来国内外的科研技术人员对家庭用电管理系统的设计进行了较多的研究。传统家用插座功能单一，不能远程进行控制，无法统计用电量。基于此，本文设计了一种方便管理，可以直观地统计用电量，并且可以远程控制的智能家庭电控系统。

1 系统方案设计

智能家庭电控系统为家庭智能用电的节点，用于实现对家用电器的温度检测、电量测量、状态监控、过压过流保护以及定时开、关控制。系统化硬件电路框图如图1所示。

图1 智能家庭电控系统硬件设计框图

图中，STM32F103微处理器为系统的核心，负责协调各个模块之间的运行，8266通信模块负责完成无线通信功能。外围电路主要由电流采样电路、电源电路、继电器电路、LCD显示电路等构成。其中电流采样电路使用霍尔电流检测模块用于采集电路中的电流，为数/模转换提供数值；电源电路主要负责将交流市电转化为稳定的直流电压，为单片机和其他模块供电；继电器电路用于对插座进行供断电的控制，并且在电流大于额定电流一定时间时切断受控插座的电源，对外设起到保护作用；LCD显示电路显示插座当前的运行状态以及传感器数值显示。红外模块使用的是红外避障模块，可以检测有无用电器使用。

2 系统硬件电路设计

2.1 单片机最小系统

本次设计采用STM32F103单片机作为主控制器件。这款单片机具有高效能、低功耗、实时应用、具有竞争性价格于一体的特点，满足嵌入式领域的要求。

2.2 电源电路设计

稳压电源是本次设计部分中不可或缺的一部分。本设计硬件电路需要两种电源供电，单片机和继电器模块供电需要5V电源，无线收发模块需要3.3V电源[2]。由于智能家庭电控系统连接的电源是家用220V交流电，然而单片机和其他传感器模块均要使用低压直流电对其供电，为了实现将高电压转换为低电压的目的，本文加入了AC-DC电压转换模块，并在220V本机电源电路分为两路，一路是将交流220V经过AC-DC降压稳压电源模块转换成5V电源给单片机和一些传感器供电，采用开关电源。继电器选用5V的继电器，成本要低一些。由于一些传感器及主控制器件需要3.3V的电源供电，所以我们采用DC-DC芯片(AMS1117_3.3V功能模块)，将5V转为3.3V给单片机和一些传感器供电。

2.3 红外检测电路设计

使用红外检测模块，目的是节约用电防止小孩触电，在没有用电器使用的时候保证继电器处在断开的状态。选用HJ-IR2抗干扰型高性能红外避障模块，该模块是一种一体化反射型光电探测器，其所受光线的影响非常小，与光敏电阻相比，稳定性高、准确度非常高。该电路采用一个红外模块，其电源都接了VCC-5V，OUT接了单片机的PD0口。

HJ-IR2相当于一个红外电子开关,检测到有用电器插在插口处时输出低电平,平时高电平。VCC为电源+5V，OUT为信号输出端,GND接电源负极。

2.4 电量计量电路设计

霍尔电流传感器的电路相对来说比较简单，并且使用器件较少，功率损耗也低，测量精度高，并且其响应速度快，响应时间小于1μs，工作的频带较宽，从性能方面来讲具备优势[3]。

霍尔电流检测模块采用两位数码管来显示当前所检测到的电流值，量程为0～30A。外部提供标准输入电压然后与电流采样值模块进行比较，以判断当前电流是否在允许范围内，如果采集值超出测量范围，则该模块会发出提示信号。电量计量电路如图2所示。

图2 模块原理图

图中，AD22515芯片是电路核心芯片，芯片的引脚1是连接外部基准电压的外部输入端口，引脚2是比较输出端口，通过比较外部基准电压和采样电流模块的电压来判断我们所采集的电流是否超出范围，如果超出范围，引脚2将会输出高电平，可作为报警信号。引脚4是GND，与单片机共地。引脚5是串行输出端口。引脚6是+5V输入端，接单片机5VI/O口。将霍尔电流检测模块正确连入火线与零线，可以在数码管上看到实时的电流值，并且使用该模块的数据通信功能，将数据共享给单片机，再由无线通信系统共享给上位机，实现远程检测功能。

2.5 无线通信电路设计

ATK-ESP8266模块采用串口(LVTTL)与MCU(或其他串口设备)通信，内置TCP/IP协议栈，能够实现串口与WIFI之间的转换。通过ATK-ESP8266模块，传统的串口设备只是需要简单的串口配置，即可通过网络(WIFI)传输自己的数据。

本次设计将设置单片机串口3与ATK-ESP8266 WIFI模块连接，同时将ATK-ESP8266 WIFI模块设置为AP模式进行无线通信[4]。

系统把STM32作为服务器，手机通过连接ESP8266，控制STM32开发板上的继电器进而控制插座的断电。

图3 无线通信模块电路图

2.6 显示模块

采用TFT触摸屏模块，它是一款TFTLCD模块触摸屏，具有320*240的分辨率，2.8寸的大小，工作电压为3.3V或5V,是电阻式触摸屏，它的原理是人从触摸点检测装置上接收触摸信息,并将它转换为触点坐标,再送给微控制器,它同时能接收微控制器发来的命令并加以执行。这样它就可以显示电量计量，环境温湿度，以及当前状态等信息，并且用户还能在其上进行定时操作以及其它操作。

2.7 继电器模块

系统设计采用继电器控制电路，我们通过两个继电器开关对总开关进行控制，继电器1接收PD0的信号，而PD0的信号是由单片机处理红外传感器的信号得到的；继电器2接收PB5的信号，PB5的信号为ESP8266控制得到。当两个继电器所控制的电路同时为通路的时候，即插排是工作的状态，否则电路为短路状态[5]。

3 系统软件设计

本设计的软件部分采用C语言进行编写，C语言结构简单，运行稳定，可移植性高，兼容多平台使用。大大提高了本设计的可行性。

系统上电之后，进行硬件和时钟初始化，MCU和操作系统的工作方式及工作状态进入准备阶段。根据智能家庭电控系统的需要，本文共定义4个任务：电量数据采集处理任务、温湿度检测任务，UART通信任务、LCD显示任务。

1) 初始状态，电流数据采集处理任务优先级最高，先执行该任务，霍尔电流模块采集当前电流电压并计算电流有效值、功率。

2) 当进行无线数据收发时，触发任务中断，系统调用通信任务，MCU将数据通过串口发送到8266无线芯片,并通过无线传输数据和发送命令。

3) 接着调用LCD显示任务，将处理好的电流有效值，有功功率和温湿度在LCD上依次循环显示。

4)当用户需要对用电设备进行控制时，触发任务中断，系统调用继电器任务。在该任务中，用户通过手机端发送断电或者打开电源指令,单片机接收指令后控制继电器的通断。本设计中，继电器处于常闭状态，断电按键可以开启继电器，同理供电按键可以关闭继电器。

4 系统调试

本设计调试主要两个方面，第一个方面是调试传感器的数据准确度;第二个是远程通信以及控制功能。

在调试传感器的数据准确度时用常见的电烙铁和手机充电器进行用电调试。在系统上电以后，将手机充电器连接好，观察电流数值，计算实际功率，对比充电器的额定功率，确保误差在可接受范围内。

图4 系统主函数流程图

表1 使用手机对计电精准度调试结果

表2 使用电烙铁对控制功能调试

在测试远程通信以及控制功能时，在设定好AP通信相关参数后，使用手机上的APP连接好ESP8266热点，实现手机与ESP8266之间的通讯，即实现远程通信的功能。在手机端，按下手机上开关按钮，可以向单片机发送“ON”来控制继电器的闭合，以实现远程控制功能。

5 结论

本产品的设计是基于STM32单片机，结合功能模块。本产品适用于家庭用电控制，相对于传统家庭用电，本产品增加了电量统计功能、远程控制和通信功能。符合现代化发展理念，提供了更安全的家庭用电环境。本产品设计在保证功能完整可靠的前提下，尽量降低成本，所以本产品有一定的市场价值和应用价值。