基于32单片机的智能插座

目 录

摘 要 … …1
Abstract… …2引言… …2
第一章 绪论 5
1.1 开发背景与选题意义 5
1.1 国内基于传感器智能插座分析 5
1.2 本文任务与目标 6
1.3 本文所作的工作 6
1.4 本章小结 6
第二章 控制单元以及检测单元选择 6
2.1 STM32控制芯片选择 7
2.2 电压电流传感器的选择 7
2.3 ESP8266芯片的选择 8
2.4 红外检测器选择 8
2.5 本章小结 8
第三章 硬件电路的搭建 9
3.1 硬件各个部分之间的联系介绍 10
3.2 系统硬件框架 10
3.2.1 硬件电路简介 10
3.2.2 红外传感器 10
3.2.3 光敏传感器 10
3.2.4 电流电压互感器 10
3.2.5 继电器 10
3.2.6 ESP8266 10
3.3 各功能模块搭建以及总原理图设计 10
3.3.1 总的电路原理图简介 10
3.3.2 硬件电路搭建过程中遇到的问题以及解决方法 13
3.4 本章小结 10
第四章 软件程序设计实现与控制界面设计 16
4.1 软件程序编写介绍 16
4.2 程序编写思路与软件界面设计 16
4.2.1 人体红外检测程序编写思路 16
4.2.2 光敏传感器程序编写思路 16
4.2.3 WIFI远程控制程序编写思路 16
4.2.4 继电器程序编写思路 16
4.2.5 主程序程序编写思路 16
4.2.6 软件界面设置 16
4.3 本章小结 16
第五章 基于传感器的智能插座的设计与实现 16
第六章 总结与展望 19
6.1 课题总结 19
6.2 进一步开发的展望 19
参考文献
致谢

摘 要

近年来，随着科学技术的发展迅速，人们对智能化的要求越来越高。越来越多的智能化设备进入千家万户，例如智能扫地机器人、智能家具中温度、湿度以及有害气体检测的智能设备。然而几乎百分九十以上的智能设备都需要连接电源，这就用到了插座，为满足各种电器的正常使用，各种插座也被设计出来。然而传统的插座只具备供电，所以需要人工对电器使用与否进行判断并对插线进行拔插，而且有些电器收到正常工作电压限制无法使用需要匹配相应的电源。针对以上的问题本文中提到了智能插座。智能插座是物联网系统中的一种，其主要作用是监测用电器的状态，并通过智能控制面板（或手机 App）实现定时控制、智能调节等功能。本文针对目前生活中的需要设计一款基于传感器的智能插座，使用控制芯片STM32，实现了实时监测、手机远程控制、用电器工作电压检测与自动调节等智能效果。
智能插座是一种新型的家用电器，通过单片机控制来优点，符合新一代家电产品发展趋势。目前市场上的智能插座主要由继电器和集成电路组成，并且实现了不同功能模块间的控制。本文将介绍一种新型基于传感器和单片机技术的智能插座，其具有开关状态监测、无线通信以及远程控制等功能，可有效提高家用电器的安全性和使用效率。
关键词：传感器;智能插座;实时监测;WIFI;STM32

                                             作    者：                                                      指导教师：

Abstract

In recent years, with the rapid development of science and technology, people’s demand for intelligence is getting higher and higher. More and more intelligent equipment has entered thousands of households, such as intelligent sweeping robots, intelligent furniture in the temperature, humidity and harmful gas detection of intelligent equipment. However, almost more than 90 percent of smart devices need to be connected to the power supply, which uses the socket, in order to meet the normal use of a variety of electrical appliances, a variety of sockets are also designed. However, the traditional socket only has power supply, so it is necessary to manually judge whether the electrical appliances are used or not and plug the plug, and some electrical appliances receive the normal working voltage limit and need to match the corresponding power supply. In view of the above problems mentioned in this article the intelligent socket. Smart socket is one of the Internet of things system, its main function is to monitor the state of electrical appliances, and realize the timing control and intelligent adjustment through the intelligent control panel (or mobile phone App). This paper aims at the current needs of the life to design a sensor-based intelligent socket, using the control chip STM 32, to realize real-time monitoring, mobile phone remote control, electrical working voltage detection and automatic adjustment and other intelligent effects. Smart socket is a new type of household appliance, through the microcontroller control to realize the electrical switch state monitoring, wireless communication and remote control. Its wide application range, with the advantages of low cost, simple structure, in line with the development trend of the new generation of home appliances. At present, the smart socket on the market is mainly composed of relays and integrated circuits, and realizes the control between different functional modules. This paper will introduce a new type of intelligent socket based on sensor and SCM technology, which has the switch status monitoring, wireless communication and remote control functions, which can effectively improve the safety and use efficiency of household appliances.
Keywords: Sensors;Smart Socket;Real-time Monitoring;WIFI;STM 32

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前言
智能插座是一种特殊的插座，它的插座结构中安装有多个传感器，可对家用电器进行智能控制。其智能功能可分为以下三种：1.环境传感器。当室内环境发生变化时，如温度升高或降低，插座中的温度传感器会触发继电器进行工作，从而控制电器设备的开关时间。该系统中的温度传感器可以检测室内温度，并对其进行一定处理后触发继电器工作。2.人体红外传感器。当有人进入或移动时，插座中的红外传感器会自动触发继电器进行工作。该系统可以判断室内是否有人或移动的物体，并且可以通过远程操作对插座进行控制，以实现自动开关。3.智能家居系统中的其他模块。该系统中还可添加一些智能家居功能，如灯光、电视等控制功能和火灾报警、安全监控等功能。根据不同的需求，该系统可分为两种类型：第一种是单一模块；第二种是多模块结合式系统。
本文章节安排：本文共分为六个章节，第一章主要对智能插座的发展做了总结并且介绍目前的研究现状；第二章主要介绍本文设计所需元器件各自的功能特点；第三章主要介绍硬件电路的搭建以及搭建过程中所遇到的问题；第四章主要介绍软件实现所需要的一些算法；第五章对做出的实物进行调试以及效果展示；第六章实现电器开关状态监测、无线通信及远程控制。其应用范围广泛，具有成本低、结构简单等主要对全文的所有工作做一个总结；

第一章 绪论
开发背景与选题意义
随着我国科技水平的不断提高,人们对电力的需求量在不断增加，然而尽管如此在我们日常生活中还有大部分的电力资源浪费。因此一些研究者们注意到了电力系统与用户连接处插座的实时带电性，对于这样的情况人们在未知情况下触碰到会有触电危险，王彪， 李辉等人基于学生用电安全，使用ESP8266芯片研究出了一款智能插座，它的功能就实现了对智能插座的远程控制，以及人体红外检测，无线远程控制的方式是采用WIFI模块实现的。因为其主要应对的问题是安全问题，仅仅考虑到学生日常接触到的液体物质洒落导致触电，因此功能局限性较高，外观上做的比较完善，对于这样的问题，一款功能比较完善的智能插座产品的研发是具有一定研究意义的。
基于当前我国在智能插座方面的研究还存在着一些问题，比如迄今为止还没有一款比较完整功能的智能插座设计，现在的智能插座产品有的具有远程控制，有的具有人体红外检测，还有的能够定时开关。但他们都是单独存在于一款产品中，因此将这些功能集中在一款智能插座产品上应该也是可以实现的，通过阅读一些参考文献我得知在理论上是可行的，并且这款智能产品的研发具有一定的研究意义。我国在智能插座的应用上也是比较广泛，一些研究者们也着手针对这一研究点开发出很多产品，因此对与智能插座的研究也显得更有意义。

国内基于传感器智能插座分析
基于传感器的智能插座是一种能采集、分析和执行各种传感器数据的智能插座，通过将多个带有不同功能的传感器连接到同一个插座上，该插座可以监测到用电器的功率和状态，并且通过智能控制面板（或手机 App）实现定时控制、智能调节、手动控制等功能。基于传感器的智能插座的硬件一般由智能插座本体、通讯模块（NB-IoT和 Zigbee）、数据处理单元（MCU）等部分构成。其中，通信模块（NB-IoT和 Zigbee）主要是负责把多个不同种类的传感器采集到的数据信息传送到云端，并对这些数据进行处理和分析。我国研发人员王彪， 李辉等人基于学生用电安全，使用ESP8266芯片研究出了一款智能插座，它的功能就实现了对智能插座的远程控制，以及人体红外检测，无线远程控制的方式是采用WIFI模块实现的。因为其主要应对的问题是安全问题，仅仅考虑到学生日常接触到的液体物质洒落导致触电，因此功能局限性较高，外观上做的比较完善。叶勇胜设计的一款智能插座也是考虑到安全问题，他所设计的插座是考虑到人们在睡觉后可能会误触到插座导致触电，因此它采用的是红外的静态和动态检测，来查看人们是否入眠，从而对插座的带电情况进行决策。王晓彦等人基于智能插座的功能完善开发了一款基于ESP32的智能插座，她所研发的这一款智能插座所具有的功能更加齐全，比如定时关断、实时监测功率和电流、温度检测等。我国在智能插座的应用上也是比较广泛，一些研究者们也着手针对这一研究点开发出很多产品，因此对与智能插座的研究也显得更有意义。

1.3 本文任务与目标
针对于目前智能插座存在的一些问题，以及根据人类日益生活水平提高所需的增加，本文提出了一款基于STM32的无线远程控制的智能插座。本文的任务包含以下几个部分：1、根据所需确定要实现的功能为WIFI远程控制、人体红外检测、用电器电压电流显示、功率上下限控制关断、指示照明灯、传感器检测用电器；
根据要实现的功能查阅相关资料，了解设计所需各个模块的使用原理以及方法；
根据设计所需完成原理图的设计，并且编写功能实现所需的程序；
根据原理图搭建硬件电路完成实物制作；
最后根据原理以及所作实物的演示效果对本次设计进行分析总结；

1.4 本文所作的工作

本文以笔者在研发智能插座控制软件以及智能插座实物制作方面所作内容如下；
(1) 需求分析、系统设计、可行性分析。
(2) 根据各个模块的使用方法以及使用原理掌握，并且应用Keil5软件进行编写应用程序。
(3) 应用AD软件绘制本次设计的原理图。
(4) 制作基于传感的的智能插座实物并且进行调试修改。
(5) 根据实物的演示效果加以分析总结，最终撰写论文。

1.4 本章小结
在这一章中主要阐述了基于传感器的智能插座的研究当前所存在的一些问题。目前还未有一款智能插座具备一套完整的功能，本文中基于这一问题设计了一款智能插座具有远程控制、人体红外检测、光敏检测等功能。提出了本文的目标任务是完成之恩那个插座设计，原理图设计，以及文献撰写，并且说明了本文中所做的工作。

控制单元以及检测单元选择

2.1 STM32控制芯片选择
STM32是由意法半导体集团研发出的一款微型处理器，STM32L系列产品基于超低功耗的 ARM Cortex-M4处理器内核，采用意法半导体独有的两大节能技术。本文中采用的是STM32f103c8t6芯片，这款芯片是一种f系列的增强型芯片。有关芯片选择问题上为什么采用STM32f103c8t6还是STM32f103c8芯片，这两种芯片没有本质上的区别，仅仅是在软件编程选择芯片类型上有所不同，再一个就是存储空间大小不同，有关STM32这一系列芯片上型号不同以及幸好中各参数参议列了一下表格，关于STM32一些型号参数代表由以下表2.1所示，其实物图如图2.1所示：

表2.1STM32芯片型号各参数代表含义
1
STM32
STM32代表ARM Cortex-M内核的32位微控制器。

2
F
F代表芯片子系列

3
103
103代表增强型系列。

4
R
R这一项代表引脚数，其中T代表36脚，C代表48脚，R代表64脚，V代表100脚，Z代表144脚，I代表176脚。

5
B

B这一项代表内嵌Flash容量，其中6代表32K字节Flash，8代表64K字节Flash，B代表128K字节Flash，C代表256K字节Flash，D代表384K字节Flash，E代表512K字节Flash，G代表1M字节Flash。

6
T
T这一项代表封装，其中H代表BGA封装，T代表LQFP封装，U代表VFQFPN封装。

7
6
6这一项代表工作温度范围，其中6代表-40——85℃，7代表-40——105℃。

2.2 电压、电流互感器的选择

电压、电流电流互感器在电力的传输、发电、变电中被广泛的应用。为便于测量、保护和控制需要转换为比较统一的电流，另外线路上的电压一般都比较高如直接测量是非常危险的。电流互感器就起到电流变换和电气隔离作用。本次设计中采用的是ZMCT103c电流互感器模块搭载ZMCT103c系列小型高精度电流互感器以及高精度运放电路，对信号做精确采样和适当补偿等功能。方便对5A以内的交流电进行信号采集。对应输出模拟交流信号可以调节，可根据电位器（调节放大比例，放大范围0-100倍）来调节所需输出电压，但是输出端（OUT）的最大电压不会超出1/2vCCO。本次设计使用的电压互感器为电压互感器TV1005M，电压互感器的选择也是为了隔离高压检测二次侧电压大小，在很多的电子设计类项目中被广泛应用，比如电子万用表采集电压信号、智能电表等。

2.3 ESP8266芯片的选择
ESP8266是一种低功耗、高速、小体积的串行通讯总线，它有一个串行的数据接口（串行通信接口），一个串口可以与多个应用处理器连接。它是一种高速串行总线（HSDB），它的物理层支持32位数据传输和数据包传送。它可以用来实现多个处理器之间的通信。ESP8266最初是由 Armor公司在2012年发布的，是一款可编程、低功耗、高速串行总线和多处理器接口的控制器，ESP8266也是 Armor公司在2013年推出的。这个控制器有两种主要型号，分别为ESP8266和ESP8266a。在2016年的时候， Armor公司开始逐步减少产品中使用的通信接口（SPI、 IIC和 UART），其中只有一种通信接口（SPI）会保留。2020年5月20日， Armor公司宣布他们会在2020年9月正式停止ESP8266产品的生产，并将不再发布ESP8266产品。作为ESP8266控制器的制造商， Armor公司推出了一款名为ESP8266a （SIP）的芯片。该芯片是一种高速、低功耗、可编程、低成本、可扩展的串行通讯总线，可以通过以太网（LAN）连接与多个应用处理器和外设通信。这款 SIP芯片拥有两个通用串行总线接口（UART）和一个通用串行总线接口（GPIO），并且可配置为一个内部总线（IBN）或者是多个外部总线。这款 SIP芯片与ESP8266的区别是其具有以太网接口，并且可以通过以太网进行数据传输。
之所要只用ESP8266芯片是因为要实现远程控制功能，也就是WIFI模块，由于ESP8266芯片内置WIFI功能所以用起来响应速度更快，控制更加便捷，还由于他独特的特点ESP8266的特点。1、基于ESP32的SPC5系列，在国内是比较容易买到的。2、提供了丰富的外围资源，包括 SPI接口、 IIC寄存器、 LwIP （高速串行通信协议）和以太网。3、提供了多个软件扩展功能，包括： SPI通信（SPI驱动程序）； IIC寄存器（配置寄存器）； IIC接口； LwIP协议栈（可扩展串口协议栈），支持 RTOS；网络编程。4、提供了丰富的 GPIO和 PLD接口，支持多种I/O模式，可编程配置引脚。5、提供了丰富的寄存器和功能模块，如： SPI接口控制、I2C通信功能模块以及 UART扩展模块。
2.4 红外检测器选择
红外传感器，即红外线传感器是一种能够在大气中检测出红外辐射的设备。红外线是一种电磁波，具有穿透能力强、波长短等特点，可以直接探测到红外波段。根据波长的不同，红外传感器又分为近红外线传感器和远红外传感器。其中，近红外线传感器与可见光传感器、微波传感器类似。近红外线（Near Infrared Source, NIS）是指波长在0.76~3μm之间的电磁波，在空气中的穿透深度约为0.1μm。NIS中含有的其他电磁能量，如可见光、微波等均不存在。在大气中传播时，近红外线传感器的信号比可见光强，主要是因为大气介质对电磁波具有吸收作用，而 NIS对电磁波辐射不起作用。近红外光主要包括红外线、可见光和紫外线3种波长的光。它们在大气中都能传播，但传输距离、穿透能力各有不同。因此，近红外传感器可分为3个不同的种类：红外气体探测器、红外荧光探测器和近红外光学探测器。红外气体探测器传统的气体探测器使用汞作为工作物质。汞是一种有毒重金属，对人的危害极大。因此，自上世纪70年代末开始应用于气体检测领域以来就受到了限制。虽然在这之后开发出了许多替代方案（如半导体、金属和碳化物等），但均未取得成功。近红外气体探测器（Near InfraredGas-ID）利用可见光波段的光作为工作物质时，可以检测出大气中汞的含量水平。目前这类传感器在应用领域最多的是紫外探测器（UV-D）和可见光探测器（VV）。
红外传感器是一种检测红外线的传感器。其主要优势是易于集成、成本低、安装简单，在大多数应用中都能胜任。红外传感器可用于不同类型的应用，如安全系统、自动控制和测量等。红外传感器技术将在许多领域得到广泛应用，从安全系统到医疗设备都会看到它们的身影。下面我们将了解为什么使用红外传感器。在安全系统中使用红外传感器现在，对于大多数消费者来说，生活中的安全都是最重要的，所以现在许多的公司都在推出新产品以提高安全性。这也意味着，越来越多的市场对智能家居系统提出了新要求。以智能门锁为例，其功能除了防盗和开门以外，还必须具有自动识别访客身份以及与远程主人保持联系的功能。随着技术和市场发展到一定程度，智能家居行业正在不断向前发展，并希望可以满足所有这些要求。然而，随着新一代技术和产品的出现以及各种新功能的开发，许多公司都面临着很大的挑战。红外传感器是一种可以提供可靠安全保障的技术，但这种技术有一个缺点。例如，在一些应用中，它会经常被外界干扰；在其他应用中，它也容易受到某些环境条件下温度或湿度变化的影响。虽然这两个问题不太严重或不明显，但对红外传感器来说却是一个很大的问题。当光线被反射到红外传感器时，会使其内部的光学元件产生一系列信号和干扰，这会降低传感器的性能。由于这种原因，当红外线传感器与外部连接时可能会出现故障；这不仅会增加成本、增加功耗和影响产品寿命和性能，还可能影响系统连接并影响整个系统性能。
2.4 本章小结
本章中基于设计中所涉及到的器件进行选择，并且对设计所涉及到的一些器件的使用参数进行简单的介绍，选定了以STM32f103c8t6单片机作为主控芯片，以ZMCT103c电流互感器采集用电器的工作电流，TV1005M电压互感器用来采集用电器的工作电压，并且通过电压、电流互感器采集到的数据传回主控芯片计算功率，红外传感器检测是否有人靠近智能插座，光敏传感器对环境的光照强弱进行检测并控制照明LED灯的亮暗。

第三章 硬件电路的搭建
3.1 硬件各个部分之间的联系介绍

根据所需确定要实现的功能为WIFI远程控制、人体红外检测、用电器电压电流显示、功率上下限控制关断、指示照明灯、传感器检测用电器；根据以上功能硬件方面一共分为五个部分。第一部分就是选择了主控芯片为STM32f103c8t6芯片，这里采用的是它的最小系统，包含外部晶振电路以及复位电路。第二部分就是显示模块采用的是OLED屏，它的编程方法简单应用比较广泛而且能显示字符种类较为齐全。第三部分就是传感器模块，这里应用了两种传感器一个是光敏传感器一个是人体红外传感器，这两个传感器的应用就是完成了人体靠近智能插座时会自动控制插座的带电情况，一个是考虑到人身安全。第四部分就是ESP8266WIFI模块，这一模块的使用就是为了完成WIFI远程控制功能，第四部分LED照明指示灯部分，这一部分功能实现比较简单仅仅是为了在黑暗环境中能够看清插座位置，预防误触产生危险。第五部分就是用电器电压电流检测部分，这一部分采用的是电压电流互感器对输出电压电流进行采样分析，从而产生用电器所需的标准电压电流。这五个部分通过控制器端IO连接，进而通过编写相应的用户程序对智能插座的智能性进行实现。

3.2系统硬件框架
3.2.1硬件电路简介

本次设计中鉴于智能插座实现的功能如人体红外检测、光敏传感器定时控制照明、ESP8266模块用于远程控制通信、电压电流互感器采集用电器工作的电压电流从而显示用电器的功率、OLED显示屏显示当前的电压电流。因此应用到红外传感器、光敏传感器、电压电流互感器、继电器、OLED显示屏模块以及ESP8266模块。

3.2.2红外传感器

红外传感器工作电压为直流3.3V和5V之间、工作电流大于等于20mA、工作温度在负10℃到50℃之间、检测距离为两厘米到三十厘米、有效角度为35°，具有一对红外线发射与接收管，发射管发射出一定频率的红外线，当检测方向遇到障碍物信号输出接口输出低电平信号，可通过电位器旋钮调节检测距离。这个模块的原理图如图3.1所示，该模块封装后显示在外面的引脚有三个即VCC（5V电压输入）、GND（接地）、DO（信号传输线），其中DO引脚是比较重要的当有障碍物时反射光线会被接收到对外显示为低电平，当没有障碍物时会对外显示高电平。

图3.1红外传感器原理图

3.2.3光敏传感器

光敏传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器。在光敏电阻模块中载入了一个光敏电阻。光敏电阻是用硫化镉或硒化镉等半导体材料制成的特殊电阻器。光敏电阻对环境光线十分敏感。光照越强阻值就越低，随着光照强度的升高，电阻值迅速降低。VCC：电源引脚，接单片机+5V或者3.3V。GND：地线，接单片机GND。其原理图如图3.2所示，这个模块封装后也是对外显示为三个引脚。DO：开关量输出（0或1），模块在无光条件下或光强达不到设定阈值时，DO口输出高电平；当外界环境光强超过设定阈值时，DO输出低电平。AO：模拟量输出（电压），与单片机AD模块相连，通过AD转换，获得准确数值。

图3.2光敏传感器原理图

3.2.4电压、电流互感器
电压、电流电流互感器在电力的传输、发电、变电中被广泛的应用。为便于测量、保护和控制需要转换为比较统一的电流，另外线路上的电压一般都比较高如直接测量是非常危险的。电流互感器就起到电流变换和电气隔离作用。本次设计中采用的是ZMCT103c电流互感器模块，如图3.3所示，它搭载ZMCT103c系列小型高精度电流互感器以及高精度运放电路，对信号做精确采样和适当补偿等功能。方便对5A以内的交流电进行信号采集。对应输出模拟交流信号可以调节，可根据电位器（调节放大比例，放大范围0-100倍）来调节所需输出电压，但是输出端（OUT）的最大电压不会超出1/2vCCO。本次设计使用的电压互感器为电压互感器TV1005M，其原理图如图3.4所示，电压互感器的选择也是为了隔离高压检测二次侧电压大小，在很多的电子设计类项目中被广泛应用，比如电子万用表采集电压信号、智能电表等。

图3.3电流互感器原理图

图3.4电压互感器原理图

3.2.5继电器
当我们控制端的I\O口输出一个低电平信号(而继电器模块由低电平信号触发还是高电平信号触发则是由其模块采取的三极管是PNP还是NPN来决定的，这里本设计采用的继电器模块采用三极管PNP，由低电平信号触发)，三极管PNP就会导通，K1继电器连接VCC5到GND这部分回路就会导通，从而使继电器中的磁铁通电，将内部的衔铁有从常闭引脚切换到常闭引脚上，而当我们被控电路还有外部电源是连接到COM和NO(常开)上，这时就会因为被控电路与外部电源形成一个闭合电路，从而使被控电路上的设备通电。说的有点绕，其实可以把继电器这部分的作用想象成一个闸刀开关，当我继电器通电吸合后，就将其闸刀放下，使整个外部电路导通。而这个外部电路的电流说不定是很大的，因此我们才会说可以通过继电器使小电流来控制大电流。其原理图如图3.5所示。

图3.5继电器原理图

3.2.7ESP8266模块

ESP8266系列一般都具有两种开发方式，一种为AT指令开发方式，即厂家出厂时预先在ESP8266芯片烧入好固件，封装好WiFi的协议栈，内部已经实现透传，而用户只需要使用一个USB转TTL的模块或者单片机的串口就能实现与WiFi模块的通信，发送AT指令来对WiFi模块进行控制。这个模块对外显示五个引脚，包括VCC、GND、TXD、CH_PD、RST五个，其中GND、VCC为供电电源，TXD为发送数据接口，CH_PD为接受AT指令接口。其原理图如图3.6所示。
图3.6ESP8266原理图

3.3各功能模块搭建以及总原理图设计
3.3.1总的电路原理图简介
根据智能插座实现的功能需求以及所需硬件模块进行原理图绘制，传感器三个分别是电压、电流互感器、光敏传感器以及人体红外传感器，控制器为STM32f103c8t6芯片，以及照明LED指示灯，OLED显示屏，WIFI模块等，具体的电路原理图如图3.1所示：

图3.1智能插座电路原理图

3.3.2硬件电路搭建过程中遇到的问题以及解决方法

1、红外传感器由于检测角度受限，当障碍物与红外传感器相距较近且角度较大时，红外传感器会检测不到。
解决办法：按照人们在接触到智能插座最常用的角度，对智能插座的安装初始角度进行调整，最终调整的角度覆盖值为135°。
红外传感器模块对有无障碍物检测所传回的电平信号未知，导致照明灯LED的亮暗与预期的效果相反。
解决办法：通过查阅红外传感器模块电平信号传输原理和使用方法后解决了问题。
继电器模块对于高低电平触发开通还是关断一开始也是危险查询使用方法，导致开通与关断颠倒。
解决办法：通过查阅相关资料得知继电器模块的电平信号触发情况与它内置的三极管的类型有关，而继电器模块由低电平信号触发还是高电平信号触发则是由其模块采取的三极管是PNP还是NPN来决定的，这里本设计采用的继电器模块采用三极管PNP，由低电平信号触发。

3.4本章小结
在这一章中对智能插座设计的硬件系统做了详细的介绍，介绍了硬件电路中所应用的模块的原理图以及原理使用方法做了详细的描述，以及一些模块使用时需要注意的问题。并且对硬件电路搭建过程中遇到的问题以及针对问题做出的解决方案做了简单的汇总。

第四章 软件程序设计实现与控制界面设计
4.1 软件程序编写介绍
本次设计所应用的编程软件为keil 5，keil 5是一款强大硬件编程软件在很多与硬件相关的行业都在使用，这款软件支持51单片机、STM32、ARM、Android等多种控制芯片。广受国内工业农业等欢迎。有关STM32有很多的官方库，一些底层函数可以通过调用直接应用，编程起来很简单结构也比较清晰。在本次设计中程序编写分为几个部分，包含了显示部分、红外检测部分、指示灯照明部分、WIFI远程控制部分等。程序编写比较明了且易于读取，详细程序放在了附录部分。

4.2 程序编写思路与软件界面设计
4.2.1人体红外传感器检测程序编写思路
由于使用的是红外传感器模块，所以它的使用方法及较简单，模块与主控芯片连接之后，通电红外管就会发出红外线，若有障碍物时光线会被反射回来，DO引脚就会将低电平信号传回主芯片，所没有障碍物反射光线时，DO引脚默认为高电平，红外传感器程序的编写流程图如图4.1所示；
图4.1红外传感器程序流程图

4.2.2光敏传感器检测程序编写思路
光敏传感器的程序编写方式与红外传感器的程序编写类似，但光敏传感器检测的物理量为光照强度，所光照强度比较暗时它的引脚传送至主控芯片的电平信号为低电平，同理光照强度较高时他的引脚传送至主控芯片的电平信号为高电平，它的程序编写流程图如图4.2所示；

图4.2光敏传感器程序流程图

4.2.3 WIFI远程控制程序编写思路
ESP8266模块对于远程控制的使用需要用户设定特定的控制指令，每个指令相对于一个控制命令，它的程序编写也很简单，只需在它的库函数中调用ESP8266与主控芯片的连接，通过这两个器件的通信和用户预定的控制指令来实现远程控制。ESP8266模块的变成流程图如图4.3所示。
图4.3 ESP8266远程控制流程图

4.2.5主程序编写思路

根据智能插座要实现的功能，其中需要外部中断来判断智能插座工作状态的部分包含人体红外传感器检测到有人员距离插座很近将要发生触电危险时会产生中断控制继电器断开并且照明指示灯会亮。再加上定时设置智能插座的接通与关断。电压电流互感器会实时的采集用电器正常工作时的电压电流，并将采集到的数据传到MCU进行数据处理并且通过OLED显示当前智能插座工作的电压电流和功率。具体的程序编程流程图如图4.1所示：其中需要注意的是红外传感器接触到障碍物时返回的电平信号为低电平，没有障碍物时返回的信号为高电平，继电器内置采用的三极管时PNP因此他是一个低电平触发模块。首先要设计编写中断函数，由于要用到关断与接通，还要使用显示函数也就是OLED显示器要显示的字符信息，还有WIFI通讯函数，需要手动设置通信AT指令，最终将这个函数逐一在主函数中调用，完成程序编写。

图4.1智能插座程序流程图

4.2.6软件界面设计

根据WIFI完成远程控制功能，需要通过要检测的数据通过无线传输至手机APP或者电脑脚本，在本次设计中采用的是应用手机APP对智能插座进行远程检测和远程控制，现在手机与一些硬件芯片开发了很多串口通信的APP，我们只需要在手机应用软件中更改，具体设置界面如图4.2所示：
图4.2智能插座远程控制界面

4.3 本章小结
在这一章中详细介绍了软件编程中各个模块的编程方法，并且绘制了程序流程图，讲述了编程软件为KEIL 5软件，通过程序流程图可以清晰地看出各个模块的使用方法，并且思路清晰，最后一个小段中介绍了控制界面的使用，通过设定的用户指令与智能插座实现远程控制。

第五章 基于传感器的智能插座的设计与实现
本章主要对设计出的实物进行演示并且对演示效果做出评价。演示步骤分为三个部分：首先接通电源之后硬件各个部分先进行初始化，通过手机APP与STM32芯片进行连接，传感器会自动采集智能插座末端所检测到的用电器工作电压电流并且传回STM32并通过oled显示当前电压电流，若没有用电器接入智能插座会通过继电器断开从而断电以节省电能。其次根据光敏传感器检测工作时段，若为黑天且通过人体红外传感器断定有人靠近智能插座时，LED灯会亮起到一个照明的效果，以防止因视线黑暗而发生触电危险。最后就是定时功能，根据用户设定继电器打开供电时长，智能插座在定时时间段内会接通电源供用电器正常工作，并且通过电压、电流互感器实时采集用电器工作电压电流以及功率并通过显示单元OLED模块显示当前工作的一些参数。演示的效果图如图5.1所示：

第六章 总结与展望
6.1 课题总结
智能插座是一种新型的家用电器，通过单片机控制来实现电器开关状态监测、无线通信及远程控制。其应用范围广泛，具有成本低、结构简单等优点，符合新一代家电产品发展趋势。目前市场上的智能插座主要由继电器和集成电路组成，并且实现了不同功能模块间的控制。本文将介绍一种新型基于传感器和单片机技术的智能插座，其具有开关状态监测、无线通信以及远程控制等功能，可有效提高家用电器的安全性和使用效率。本文共分为六个章节，第一章主要对智能插座的发展做了总结并且介绍目前的研究现状；第二章主要介绍本文设计所需元器件各自的功能特点；第三章主要介绍硬件电路的搭建以及搭建过程中所遇到的问题；第四章主要介绍软件实现所需要的一些算法；第五章对做出的实物进行调试以及效果展示；第六章主要对全文的所有工作做一个总结；在设计过程中遇到了很多的问题，但是笔者本着办法总比困难多的想法一步步朝着最终目标前进，最终比较完善的完成了本次的设计。

6.2 进一步开发的展望
基于人们的生活水平在不断提高，人们对于物质的需求也在不断增加，针对这样的问题本文中虽然实现了大部分的功能，但是还有很大的开发空间。比如将智能插座与智能家居方面结合起来，这样会使得智能家居中一些用电器的智能化提高应用年限也会增加。还有更重要的一点就是成本的控制，所以将来的研究内容就是要简化电路以及降低成本，最终可以保证千家万户都可以买得起，并且要保证能耗和使用年限。因此对于智能插座的研究还具有很大的发展前景。

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致 谢

时光飞逝，转眼间大学生活已经结束了，从一开始那个懵懂无知的少年经过了四年的大学生活学到了很多的知识和经验，笔者在大学期间积极参加学校以及学院组织的活动，参加了志愿者活动积极的帮助同学。在这里我学到了很多也结识了很多好朋友，在学校的生活中他们对我提供了很多帮助，在这里我向他们提出衷心的感谢。还要感谢我的指导老师以及大学期间所有的授课老师，他们在课堂上默默无闻的奉献自己，教会我们学习知识的同时还教会了我们很多社会上的经验。还要感谢我的父母亲人，他们辛苦劳作供我上学，我跟是感动我想对他们说一声谢谢。将来的路途遥远且艰难，我会更加的努力将来可以保教祖国服务人民。

附 录：
硬件原理图