單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)作業(yè)

1、 杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)作業(yè)項目名稱：基于MSP430G2553的智能WIFI遙控電源插座設(shè)計班級： 13083415 姓名： 徐 煒 學(xué)號： 13071135 姓名： 王 暢 學(xué)號： 13071206 姓名： 毛媛苑 學(xué)號： 13085103 10一、研究背景、現(xiàn)狀及研究目的、意義由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展促使人們追求更高的生活品質(zhì)，而且科技的進(jìn)步技術(shù)成熟也使軟硬件的性價比達(dá)到了合理的水平。所以新興的智能住宅采用一系列高新技術(shù), 實現(xiàn)服務(wù)、信息和系統(tǒng)資源的高度共享, 為住戶提供一種更加安全、舒適、方便的智能化、信息化生活空間1。雖然目前大部分家電具有近距離遙控功能，這些遙控器均采

2、用紅外線傳輸技術(shù)。紅外傳輸技術(shù)是一種視距傳輸技術(shù)，遙控器與家電接收端之間不允許有障礙物阻隔，且紅外傳輸僅能實現(xiàn)點對點通信任務(wù)，其一般通信距離在3m以內(nèi)。因此，紅外傳輸技術(shù)不適合應(yīng)用于智能家居領(lǐng)域。針對目前住宅中很多的電器設(shè)備都不具有遠(yuǎn)程遙控功能，這樣給智能家居要求的電器遠(yuǎn)程控制要求帶來了很大的障礙2。為了對這些普通的電器設(shè)備實現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控的功能, 理論上講, 有兩種解決方案：一種方案是對電器進(jìn)行改裝, 裝入遙控電路接口, 使其具有被遙控的功能。另外一種方案是對電器設(shè)備不進(jìn)行改裝, 只是在其外部掛一個可實現(xiàn)遠(yuǎn)程無線遙控的電器插座。顯然, 第二種方案更加方便實用1-2。在2009年，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展在國

3、內(nèi)社會中受到了高度重視，借助物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，智能家居產(chǎn)業(yè)存在著巨大的發(fā)展?jié)摿?。?014年3月的上海家博會上，智能家居成為了本屆展會的關(guān)鍵詞之一。國內(nèi)外各大廠商集體在智能家居戰(zhàn)略上發(fā)力。如海爾推出了最新的U+智慧家居系統(tǒng)。三星展示了一款可以借助WIFI網(wǎng)絡(luò)控制的新型洗衣機(jī)2。智能家居結(jié)合云計算預(yù)示著其未來的發(fā)展方向，也引發(fā)人們對智能家居的廣泛關(guān)注2。本項目在對智能家居中可實現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控的智能電器插座進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，運用單片機(jī)與無線局域網(wǎng)技術(shù)，根據(jù)實際需求設(shè)計了通過智能手機(jī)WIFI進(jìn)行遠(yuǎn)程無線遙控的智能電源插座，實現(xiàn)對電器設(shè)備的遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測。WIFI是Wireless Fidelity的縮寫，即

4、無線高保真?zhèn)鬏攨f(xié)議3。WIFI基于IEEE 802.11協(xié)議，它是一種將個人電腦、手持設(shè)備（如PDA、智能手機(jī)）等終端以無線方式互相連接的技術(shù)4。WIFI的最大優(yōu)點是傳輸速度高，同時與現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)設(shè)備具有良好的兼容性。隨著第五代WIFI協(xié)議版本802.11ac的推出，WIFI的傳輸速率將超過1Gbps，其覆蓋范圍也將進(jìn)一步擴(kuò)大。因此，在現(xiàn)有的條件下，選擇WIFI作為智能電源插座通信模塊是最好的選擇，一方面現(xiàn)有的移動終端設(shè)備上幾乎全部集成了WIFI接口，可以方便地將移動設(shè)備作為智能電源插座的控制器。另一方面WIFI傳輸速率快，并提供了以太網(wǎng)訪問方式，便于實現(xiàn)智能家居系統(tǒng)和以太網(wǎng)的連接。基于802.1

5、1b標(biāo)準(zhǔn)的WIFI工作在2.4GHz頻段，其最大傳輸速率為11Mbps。文獻(xiàn)5采用WIFI網(wǎng)絡(luò)通信模塊作為家庭網(wǎng)關(guān)控制中心子模塊，主要實現(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)控制中心和用戶移動終端設(shè)備之間的通信。由于用戶移動終端設(shè)備如手機(jī)、筆記本電腦等均帶有 WIFI模塊，設(shè)計中只需要實現(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)控制中心的WIFI通信功能即可。選用 WIFI模塊的好處就是用戶無需實現(xiàn)WIFI協(xié)議的上層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，只需要通過模塊收發(fā)所需的數(shù)據(jù)即可，這給開發(fā)者帶來了一定的便利性。文獻(xiàn)6針對目前接觸式電源開關(guān)存在的問題，設(shè)計了一種基于Android手機(jī)和WIFI的遙控電源開關(guān)實現(xiàn)方案。通過對負(fù)載功率相關(guān)要素的分析，采用受WIFI無線模塊控制的P

6、WM信號來改變可控硅導(dǎo)通角的大小，從而利用具有Android操作系統(tǒng)的手機(jī)，實現(xiàn)對負(fù)載的通斷控制和輸出功率大小的控制。文獻(xiàn)7設(shè)計并實現(xiàn)了兩種智能家居解決方案：藍(lán)牙型智能插座方案與WIFI型智能插座方案。通過控制智能插座來達(dá)到間接控制插座上所連接的電器設(shè)備的目的。其硬件電路工作過程如下：電源轉(zhuǎn)換模塊將220V交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的5V直流為整個插座的硬件平臺供電,硬件平臺通過WIFI模塊接入Internet之后,整個插座就已經(jīng)處于正常工作狀態(tài)。使用智能手機(jī)上的應(yīng)用程序通過WIFI模塊與智能電源插座連接后，實現(xiàn)對該智能電源插座的控制。在本項目中，我們采用德州儀器（TI）中國大學(xué)計劃提供的超低功耗MSP

7、430G2553LaunchPad口袋實驗開發(fā)平臺作為智能電源插座主板，外擴(kuò)電源轉(zhuǎn)換模塊、WIFI通信模塊、繼電器模塊、時鐘模塊等，結(jié)合TI的CCS軟件平臺開發(fā)環(huán)境，研究和設(shè)計基于MSP430G2553的智能WIFI遙控電源插座。該智能插座具有接收智能手機(jī)WIFI控制指令功能。在同一無線局域網(wǎng)絡(luò)中，可通過手機(jī)WIFI來遙控該插座所連接家用電器設(shè)備的開關(guān),實現(xiàn)家電的遠(yuǎn)程遙控。同時,該智能插座所連接的用戶家電設(shè)備的實時工作狀態(tài)也可以通過WIFI反饋到用戶手機(jī)上，獲取智能插座的運行狀態(tài)信息。參考文獻(xiàn)：1 溫鐵鈍，孫鍵國，張?zhí)旌?無線遙控智能插座的設(shè)計J. 測控技術(shù). 2003，22（10）：53-5

8、5,59.2 孟坤. 基于MSP430的智能家居系統(tǒng)設(shè)計D. 蘇州： 蘇州大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2014.3 劉乃安. 無線局域網(wǎng)（WLAN）原理、技術(shù)與應(yīng)用M.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.4 段水福，歷曉華，段煉. 無線局域網(wǎng)（WLAN）設(shè)計與實現(xiàn)M.杭州：浙江大學(xué)出版社，2007.5 張語涵. 基于WiFi網(wǎng)絡(luò)智能家居系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) D. 天津：天津工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012.6 李俐萍, 陳金鷹，孫宇，魏萬迎. WiFi控制的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)J. 自動化儀表. 2014，35 (7)：48-51.7 張新星.基于Android手機(jī)的智能插座設(shè)計 D. 杭州：浙江大學(xué)

9、碩士學(xué)位論文，2014.8 楊艷，傅強(qiáng). 從零開啟大學(xué)生電子設(shè)計之路基于MSP430LaunchPad口袋實驗平臺M. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2014.2、 實施方案、實施計劃及可行性分析1. 主要內(nèi)容本項目設(shè)計基于MSP430G2553的智能WIFI遙控電源插座。采用低功耗MSP430G2553單片機(jī)的串口控制WIFI模塊作為智能電源開關(guān)的接收端，通過智能手機(jī)WIFI功能實現(xiàn)對該電源開關(guān)的控制，將控制信號傳輸給智能電源開關(guān)的WIFI模塊進(jìn)行接收。MSP430G2553作為智能電源開關(guān)的中央控制器，它與電源轉(zhuǎn)換、繼電器開關(guān)控制、WIFI模塊等進(jìn)行連接。其中，電源轉(zhuǎn)換模塊將220V的

10、交流電通過變壓器降壓后整流濾波轉(zhuǎn)換為3.3V直流電，MSP430G2553從電源轉(zhuǎn)換模塊獲得穩(wěn)定的3.3V電源開始正常工作，MSP430G2553從WIFI模塊接收到智能手機(jī)發(fā)送過來的定時開關(guān)指令，經(jīng)過MSP430G2553內(nèi)部定時器計時后，通過GPIO口控制繼電器開關(guān)模塊的開啟或關(guān)閉，即設(shè)定插座的開關(guān)狀態(tài)，控制電源插座通斷電流，實現(xiàn)智能手機(jī)WIFI對電源開關(guān)進(jìn)行控制。本項目的設(shè)計框圖如圖1所示。圖1 智能WIFI遙控電源插座設(shè)計框圖MSP430G2553是TI公司推出的16位超低功耗混合信號微處理器（MCU）。該單片機(jī)具有以下特點：（1）超低功耗，電源供電電壓1.8-3.6V，待機(jī)電流小于1

11、uA，具有1種活動模式（AM）和5種低功耗模式（LPM）；（2）強(qiáng)大的處理能力，采用16位精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)時鐘主頻16MHz，4KB RAM，內(nèi)部帶56KB Flash存儲器；（3）豐富的外圍模塊資源，集成了比較器、定時器、10位ADC、串口（UART）、電容式觸摸IO、SPI和I2C接口。圖1中的外圍模塊需要進(jìn)行購買，各模塊與MSP430G2553的接口需要進(jìn)行設(shè)計，并開發(fā)相應(yīng)的驅(qū)動電路與軟件程序。主要模塊介紹如下：（1）電源轉(zhuǎn)換模塊：將220V交流電轉(zhuǎn)換為3.3V直流電，采用變壓器降壓整流濾波方案。220V交流電經(jīng)過變壓器降壓后轉(zhuǎn)為9V交流電，然后經(jīng)過橋式整流電路整流、電容

12、濾波和三端集成穩(wěn)壓管LM1117L3，輸出穩(wěn)定的3.3V直流電。電源轉(zhuǎn)換模塊可以為單片機(jī)及其外圍模塊提供穩(wěn)定的直流電源。電源轉(zhuǎn)換模塊電路原理圖如圖2所示。圖2 電源轉(zhuǎn)換模塊電路原理圖（2）WIFI模塊：單片機(jī)通過WIFI模塊與智能手機(jī)WIFI進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)的傳輸。WIFI模塊以串口形式與單片機(jī)連接。模塊引出VCC、GND、TXD和RXD四根管腳。VCC為3.3V（通過電源轉(zhuǎn)換模塊輸出3.3V供電），默認(rèn)設(shè)置波特率9600Baud、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無奇偶校驗。它與MSP430G2553的接口引腳為TXD和RXD。（3）繼電器模塊：繼電器模塊控制插座電源的通斷。當(dāng)單片機(jī)接收到控制指令后，通

13、過繼電器模塊實現(xiàn)控制任務(wù)。在本項目中，我們擬采用電磁式繼電器。電磁式繼電器由鐵芯、線圈、銜鐵、觸電簧片等組成。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會通過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵在電磁力的作用下被鐵芯吸引，從而帶動銜鐵的動觸電與常開觸電吸合；當(dāng)線圈斷電后，電磁吸引力消失，銜鐵在彈簧反作用力的作用下返回到原來的位置，使動觸電與常閉觸電吸合。MSP430G2553單片機(jī)與繼電器之間接口采用GPIO。由于單片機(jī)是一個弱電器件,一般情況下工作在3.3V，其IO口輸出電流很小，驅(qū)動電流在mA級以下，因此需要設(shè)計繼電器驅(qū)動電路，繼電器驅(qū)動是一個典型的功率驅(qū)動，擬采用三極管放大電流來驅(qū)動繼電器。設(shè)

14、計的繼電器驅(qū)動電路如圖3所示。圖3 繼電器驅(qū)動電路在圖3中，單片機(jī)GPIO口P2.0輸出高電平觸發(fā)三極管導(dǎo)通。三極管采用NPN型的9014或8050，放大倍數(shù)100左右?；鶚O電阻選3.3K。集電極連接電磁式繼電器。在繼電器兩端反向并聯(lián)保護(hù)二極管，以消除當(dāng)三極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r，繼電器繞組產(chǎn)生的自感電壓。感應(yīng)的高電壓通過二極管正向?qū)ɑ芈愤M(jìn)行釋放，可以保證三極管的安全，防止擊穿。（4）時鐘模塊：時鐘模塊為智能插座提供實時日歷信息，包括年、月、日、時、分、秒等數(shù)據(jù)，確保智能插座的定時功能能夠準(zhǔn)確運轉(zhuǎn)，并且能夠在插座斷電的情況下繼續(xù)精確走時。2. 擬解決關(guān)鍵問題（1）硬件：各模塊與MSP430G25

15、53的接口電路與驅(qū)動電路。（2）軟件：a. 接口功能調(diào)試：Ø 電源轉(zhuǎn)換模塊（AC-DC與DC-DC）；Ø 單片機(jī)定時器設(shè)置和時鐘模塊（定時中斷）；Ø 繼電器模塊中斷子程序（GPIO口中斷）；Ø WIFI模塊串口調(diào)試（采用串口調(diào)試助手）。b. CCS軟件系統(tǒng)編程：編寫各模塊子程序?qū)崿F(xiàn)各模塊的基本功能。（3）硬軟件調(diào)試，實現(xiàn)系統(tǒng)功能。3. 實施方案MSP430G2553 LaunchPad是TI公司推出的低功耗MSP430開發(fā)板，它提供了具有集成仿真功能的14/20引腳DIP插座目標(biāo)板，可通過2線JTAG協(xié)議對系統(tǒng)內(nèi)置MSP430單片機(jī)進(jìn)行編程和調(diào)試。MSP

16、430G2553口袋實驗板是TI中國大學(xué)計劃提供的MSP430實驗開發(fā)平臺，其體積小巧，可以脫離實驗室隨身攜帶，便于隨身進(jìn)行開發(fā)學(xué)習(xí)。本項目中MSP430G2553 LaunchPad口袋實驗平臺主板與擴(kuò)展板分別如圖4和圖5所示。圖4 MSP430G2553 LaunchPad口袋實驗平臺主板 （a）擴(kuò)展板正面 （b）擴(kuò)展板反面圖5 MSP430G2553 LaunchPad口袋實驗平臺擴(kuò)展板MSP430G2553 LaunchPad口袋實驗平臺硬件原理圖如圖6所示。 圖6 MSP430G2553LaunchPad口袋實驗平臺硬件原理框圖MSP430G2553 LaunchPad口袋實驗平臺可

17、實現(xiàn)的基本功能包括：1） 顯示和輸入單元：口袋實驗平臺利用I2C接口的TCA6416A擴(kuò)展出16個低速雙向IO（IO00IO07，IO10IO17）。4個擴(kuò)展IO用于控制LCD驅(qū)動器HT1621，4個用于機(jī)械按鍵輸入，8個用于LED燈柱。2） 觸摸按鍵單元：兩個觸摸按鍵占用P2.0和P2.5兩個GPIO，MSP430G2系列單片機(jī)的P1和P2全部具備振蕩功能。3） 模擬輸出單元：外部擴(kuò)展了12位串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC7311，使用P1.0/P1.3/P2.2三個普通GPIO控制。這三個IO同時被其他單元復(fù)用，但由于DAC7311都是高阻輸入口，所以無需跳線復(fù)用。音頻功放TPA301可以將DAC輸

18、出進(jìn)行電流放大，以便驅(qū)動喇叭/蜂鳴器負(fù)載。4） 擴(kuò)展存儲部分：由SPI協(xié)議控制TF卡，使用P1.1/SPI SOMI、P1.2/SPI SIMO、P1.4/SPI CLK三個USCI功能IO和1個普通P2.4控制。5） SLOPE ADC單元：使用撥盤電位器作為待測電阻。P1.5/Comparator_A+、P1.3、P2.2三個IO進(jìn)行控制。P1.3、P2.2復(fù)用，但同樣無需跳線。6） PWM單元：P2.1/TA1.1負(fù)責(zé)輸出SPWM；軌至軌運放TLV2372負(fù)責(zé)將SPWM濾波為雙極性模擬信號；TPS60400提供運放所需負(fù)電源；三電阻網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)將雙極性信號轉(zhuǎn)變?yōu)閱螛O性信號；P1.0/ADC1

19、0負(fù)責(zé)對單極性信號采樣，P1.0功能復(fù)用，同樣無需跳線。MSP430G2553 LaunchPad口袋實驗平臺硬件功能單元如表1所示。表1 MSP430G2553 LaunchPad口袋實驗平臺硬件功能單元名稱元件IO功能IO擴(kuò)展TCA6416AP1.6/I2C SDAP1.7/I2C SCL利用I2C協(xié)議控制TCA6416A獲得16個低速IOIO00IO07，IO10IO17顯示HT1621128段LCDIO14/擴(kuò)展IO;IO15/擴(kuò)展IOIO16/擴(kuò)展IO;IO17/擴(kuò)展IO4個I2C擴(kuò)展IO控制HT1621HT1621控制段式液晶機(jī)械按鍵微動開關(guān)*4IO10/擴(kuò)展IO;IO11/擴(kuò)展I

20、OIO12/擴(kuò)展IO;IO13/擴(kuò)展IO4個I2C擴(kuò)展IO識別機(jī)械按鍵LED燈柱0603LED*8IO00/擴(kuò)展IO;IO01/擴(kuò)展IOIO02/擴(kuò)展IO;IO03/擴(kuò)展IOIO04/擴(kuò)展IO;IO05/擴(kuò)展IOIO06/擴(kuò)展IO;IO07/擴(kuò)展IO8個I2C擴(kuò)展IO控制8個LED觸摸按鍵覆銅P2.0P2.5電容觸摸按鍵模擬輸出DAC7311TPA301蜂鳴器P1.0/復(fù)用P1.3/復(fù)用P2.2/復(fù)用12位串行DAC7311BTL乙類功率放大器擴(kuò)展存儲TF卡槽P1.1/SPI SOMIP1.2/SPI SIMOP1.4/SPI CLKP2.4基于SPI的TF卡讀寫SLOPE ADC撥盤電位器P

21、1.5/Comparator_A+P1.3/復(fù)用P2.2/復(fù)用利用比較器實現(xiàn)積分型ADCPWMTLV2372TPS60400三電阻網(wǎng)絡(luò)P2.1/TA1.1P1.0/ADC10/復(fù)用PWM波形合成雙極性信號的ADC采樣在MSP430G2553口袋實驗平臺硬件基礎(chǔ)上，我們需要增加以下模塊，各模塊功能如下：（1） 電源轉(zhuǎn)換模塊：電源轉(zhuǎn)換模塊可以為單片機(jī)及其外圍模塊提供穩(wěn)定的直流電源。（2） WIFI通信模塊：通過WIFI模塊與智能手機(jī)WIFI進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)的傳輸。（3） 電磁式繼電器模塊及其驅(qū)動電路：控制插座電源的通斷。當(dāng)單片機(jī)接收到控制指令后，通過繼電器模塊實現(xiàn)控制任務(wù)。（4） 時鐘模塊：為智能插座提供實時日歷信息，在插座斷電的情況下