胡宇航1，黄冬龙2，卜凡荣1，胡启帆2，马世勋2，张敏3
（1.江苏省电力公司昆山市供电公司，江苏昆山215300；2.深圳大学电子科学与技术学院，广东深圳518052；3.深圳大学光电工程学院，广东深圳518052）
摘要：基于89C51单片机的外部中断和定时器中断定时计数功能，通过双向可控硅对220 V交流电源的导通进行无触点连续控制，实现了双模式（常规模式、夜间模式）智能遥控插座。常规模式下调节家电的工作功率、控制其工作状态。夜间模式下，通过光控模块、声控模块和人体感应模块对家电的工作状态进行智能控制。实现了不更换家电，在原有电路中加上智能插座，即可使普通家电智能化，通用性好，成本低廉，应用面广，尤其适用于台灯、电风扇等低端家电，适用于消费水平中下的广大低端电器市场。
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关键词 ：双向可控硅；无触点连续控制；物联网；智能家居
中图分类号：TN710?34；TM925.9 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）16?0066?04
收稿日期：2015?02?04
0 引言
智能家居作为一个新生产业，市场消费观念还未形成，但随着智能家居市场推广普及的进一步落实，培育起消费者的使用习惯，智能家居市场的消费潜力必然是巨大的。
目前国内的智能家居发展水平低、造价高等问题使得智能家居很难普及。在智能家居的推进过程中，如何在不更换旧家电的同时实现家电智能化是值得研究的一个问题。智能遥控插座，可对家电进行功率调节和定时控制，对台灯、电风扇等小功率家电经过多次功能测试和性能测试，遥控控制灵敏，功能响应正确。智能遥控插座可以在不更换大量旧家电的基础上，实现简单家电的智能化，具有广大的市场价值[1?6]。
1 总体设计
智能遥控插座具有遥控端和插座端，通过遥控可以发送控制命令给插座，智能遥控插座响应命令，执行操作。
主要模块包括：遥控接收模块、光控模块、人体感应模块、声控模块、定时模块、电流通断模块、同步信号提取模块、220 V转5 V开关电源模块、51单片机主控制模块。如图1所示，开关电源模块为其他模块提供5 V电源；红外遥控接收板把从遥控端发送过来的控制信号传递给单片机，单片机接收控制信号做出逻辑处理；同步信号提取模块利用光耦P521 从交流电源提取同步信号，发送中断信号给单片机外部中断，外部中断触发后单片机提供触发信号给电流通断模块，使家电处于导通状态；51 单片机利用定时器中断的定时功能实现对家电的定时功能；光控模块、人体感应模块及声控模块感应周围环境，发送感应信号给51单片机，单片机接收感应信号判断是否打开外部中断提供触发信号给双向可控硅，以此来智能控制家电的工作状态。
2 智能遥控插座的硬件设计
本智能遥控插座的电源模块为反激式开关电源。反激式开关电源具有体积小、重量轻、功耗小、效率高的优点，转换效率高达60%~70%。开关电源输入为交流电源220 V，输出为直流电压5 V，可通过最大电流为2 A，为遥控接收板模块、主控模块、光控模块等其他模块提供5 V工作电压。
本智能遥控插座的交流电源同步信号的产生如图2所示，220 V交流电经2个大功率电阻降压，由全桥整流器DF107电桥整流后，输出100 Hz半正弦交流电，此电压大于光耦P521的门限电压时，光耦导通，输出为低电平，正半周正弦波当过零时，光耦截止，输出呈现高电平，提取出同步信号输入到单片机外部中断INT0口，单片机打开外部中断延时输出触发信号。图中的同步信号就是需要的交流电压过零点信号，各部分波形如图3所示。图中整流后波形中的水平虚线表示光藕P52l输入二极管的门限电压。
电流通断模块主要利用了双向可控硅能够对交流电源的导通进行无触点连续控制，以小电流控制大电流，进而实现了常规模式下连续调节功率的目的，且动作快、寿命长、可靠性高。双向可控硅的特点是导通后即使触发信号去掉，它仍将保持导通；当负载电流为零（交流电压过零点）时，它会自动关断。所以需要在交流电的每个半波期间都要产生触发信号，触发信号产生时间的长短（触发角的大小）就决定了家电的工作功率。触发角越大，导通时间越长，可控硅导通的时间越短，家电的工作功率就越低；反之，工作功率就越大。这就要求确定交流电源同步信号的过零点，并以此为基础，控制触发信号触发角的大小，达到调节家电的工作功率的目的。
220 V交流主电源导通区间、同步信号和触发信号的时序关系如图4所示。图中的阴影部分表示可控硅的导通区间，它的大小决定了家电的工作功率。改变延时时间可改变触发信号和同步信号的相位关系，也改变了可控硅的导通区间的大小，达到调节功率的目的。
声控感应采用声音传感器模块，工作电压为直流3~5.5 V，可以对周围环境声音进行检测。通过电位器调节声音阈值，当环境声音超过此阈值时，输出引脚D0会输出低电平，指示灯亮，并且能自动延时5 s。通过测试，该声音控制感应模块，在10 s以内击掌可响应，输出低电平，满足设计要求。该声控感应模块有3个引脚，分别是VCC，GND，OUT，其中OUT脚接在单片机I/O 口上，提供感应信号给单片机，单片机通过判断感应信号的高低电平来控制家电的工作状态。
人体感应采用热电释人体感应模块，工作电压为DC 4.5~20 V，触发方式为感应输出高电平，感应距离为7 m 以内。全自动感应，人进入感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时2.5 s关闭高电平，输出低电平。该人体感应模块有3 个引脚，分别是VCC，GND，OUT，其中OUT脚接在单片机I/O口上，提供感应信号给单片机，单片机通过判断感应信号的高低电平来控制家电的工作状态。
光强度感应通过将光敏电阻与上拉电阻并联分压，中间电压作为LM393 比较电路的输入端，另一比较输入端由电位器提高基准电压，LM393输出为模拟信号，在输出端上拉电阻得到数字信号，输出端与单片机I/O口相连，发送感应信号给89C51单片机，与声控模块和人体感应模块的感应信号相结合，主控制模块做出逻辑判断处理，以此来智能控制家电的工作状态。
遥控接收模块采用6 路无线红外遥控接收板，为6 路非锁存输出接收模块，超再生接收板（固定码）采用LC振荡电路，输出的信号为高电平，可直接驱动一只发光二极管，有密码保护功能。接收板工作频率为315 MHz，工作电压为直流5 V，静态电流为5 mA，接收灵敏度为-103 dBm。6路超再生接收模块有9个引出端，分别为VCC，GND，D0，D1，D2，D3，D4，D5，VT，其中VCC 为5 V供电端，GND为接地端，VT端为解码有效输出端，D0，D1，D2，D3，D4，D5，PT2272集成电路的7～13脚，为6位数据锁存输出端，有信号时能输出5 V高电平，驱动电流约2 mA，与发射器上的6个按键一一相对应。发射器按键被按下，接收板收到控制信号，相对应的引脚输出高电平，发送控制信号给主控制模块，主控制模块做逻辑处理。
主控制模块为AT89C51单片机。AT89C51 单片机拥有4 KB flash 闪速存储器，128 B 内部RAM，32 个I/O口线，2个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。单片机分别与遥控接收板上的常规模式信号脚、夜间模式信号发送脚、定时信号发送脚、减小信号发送脚和增大信号发送脚相连接，用于接收并发送指令；电源模块分别与同步信号提取模块、单片机相连，把交流电转化为直流电后再把直流电供给同步信号提取模块和单片机；同步信号提取模块与单片机相连，用于向单片机发送同步信号，使插座本体的控制状态和遥控器的控制状态一致；电源通断模块与单片机相连，增大按键或减小按键被按下时触发单片机，单片机同时发送触发信号给电源通断模块从而使电源通断模块进行无触点式以小电流控制大电流；光控模块与单片机相连，用于感应插座本体所处周围环境的亮度情况并做出判断是否进入夜间模式；声控模块与单片机相连，在插座本体处于夜间模式下根据声音控制插座本体的导通从而控制接在插座上的电器的打开与关断状态；人体感应模块与单片机相连，在插座本体处于夜间模式下根据人体是否存在感应范围内来控制插座本体的导通从而控制接在插座上的电器的打开与关断状态；红外遥控模块与单片机相连，用于接收遥控器发射的红外信号并把接收到的信号传送给单片机。进一步地，插座本体还包括定时模块，定时模块分别与单片机、定时按键相连，用于控制常规模式下定时的时间[7?8]。
3 智能遥控插座的软件设计
常规模式下可通过遥控按键“增加”和“减少”按键来进行连续调节家电的工作功率，使家电处于最舒服的工作功率。实现常规模式下的调节工作功率功能，要控制的对象是50 Hz的正弦交流信号，通过同步信号检测电路，将同步信号送至单片机的外部中断口INT0，单片机接收到同步信号后就启动一个延时程序Delay（），延时的具体时间由按键来改变。延时结束后，单片机立即产生触发信号。触发信号可使双向硅导通，电流经过双向可控硅流过负载，使负载导通。按下增加按键，延时时间减少，触发角变大，家电工作功率上升，反之亦然。延时越长，负载导通的时间就越短，负载的工作功率就越小。由于延时的长短是由按键决定的，所以实际上就是通过“ 增加”和“ 减少”按键来做到控制负载的工作功率。
理论上来讲，延时时间应该可以是0～10 ms 内的任意值。在程序中，将一个周期均等分成N 等份，每次按键只需要去改变其等份数，N 越大越好，但由于受到单片机本身的限制和基于实际必要性的考虑，只需要分成100份左右即可，实际采用的值是95。双向可控硅的触发脉冲宽度要根据具体的光耦结合示波器观察而定，在本设计中取20 μs。程序中使用定时器T1来控制这个时间。
常规模式下的定时功能，可由遥控按键“定时”来控制实现。定时时间可由定时按键设置，总共有4 个档位：无定时、1 h、2 h、3 h。遥控的定时按键发送控制信号给单片机，单片机启动定时器1，定时工作档位时间后，关闭外部中断INT0，触发信号就断开，双向可控硅断开，家电处于断开状态，实现定时工作控制。
夜间模式下的智能识别，可对周围环境进行智能识别，做到周围光亮度较暗时且有人时，自动使家电处于工作状态，并且做到没人时，自动延时1 min断开家电[9]。常规模式和夜间模式可以有遥控按键“常规”和“夜间”进行相互切换。夜间模式下，光控模块可对周围的光亮度进行判断，并把感应信号实时发送给主控模块；声控模块对周围环境进行判断，看是否有人说话，并且将感应信号发送给主控模块；人体感应模块可对周围环境进行判断，看周围是否有人走动，并且将感应信号发送给主控制模块。主控制模块对周围环境进行判断，若是周围光线条件较暗且有人走动的话，开启外部中断INT0，单片机延时1 ms，提供触发信号，使双向可控硅导通，家电处于通电状态。并且实时对周围环境进行判断，若没人，通过定时器0进行自动延时1 min后关闭外部中断，家电处于掉电状态[9]。
单片机的空闲模式：当单片机进入空闲模式时，除CPU处于休眠状态外，其余硬件全部处于活动状态，芯片中程序未涉及到的数据存储器和特殊功能寄存器中的数据在空闲模式期间都将保持原值。但假若定时器正在运行，那么计数器寄存器中的值还将会增加。单片机在空闲模式下可由任一个中断或硬件复位唤醒，需要注意的是，使用中断唤醒单片机时，程序从原来停止处继续运行，当使用硬件复位唤醒单片机时，程序将从头开始执行。
单片机的掉电模式：当单片机进入掉电模式时，外部晶振停振、CPU、定时器、串行口全部停止工作，只有外部中断继续工作。使单片机进入休眠模式的指令将成为休眠前单片机执行的最后一条指令，进入休眠模式后，芯片中程序未涉及到的数据存储器和特殊功能寄存器中的数据都将保持原值。可由外部中断低电平触发或由下降沿触发中断或者硬件复位模式唤醒单片机。
单片机内部有一个电源管理寄存器PCON，这个寄存器的最低两位，IDL和PD分别用来设定使单片机进入空闲模式和掉电模式。IDL为空闲模式设定位，当IDL=0时，单片机处于正常工作状态；当IDL=1时，家电进入空闲模式。PD为掉电模式设定位，当PD=0时，单片机处于正常工作状态；当PD=1时，家电进入掉电模式[9?10]。
4 结语
随着物联网时代的到来，各种设备甚至于人都成了物联网的一个环节，家居的智能化是今后科技发展的必然趋势。在我国，尤其是农村市场，已存在大量低端电器设备资源。如何将这些资源很好的利用起来，让人人都能以较低的花费享受到高端智能设备带来的便利，是一个值得研究的课题。智能遥控插座，通过对电源的智能控制，实现普通家电的智能化，适用于台灯、电扇等功能简单且应用广泛的家电市场，摆脱了传统插座功能单一的局限，以低廉的成本提供舒适的智能家居体验，在广大低端电器市场具有巨大的应用潜力。
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作者简介：胡宇航（1977—），男，工程师，硕士。主要研究方向为智能电网。