國立勤益科技大學 電子工程系實務專題報告 智慧插座 指導教授 : 蔡錦福教授 四子三甲 3A213038 盧憲俊 四子三甲 3A213026 陳柏儒
目錄 摘要 ------------------------------------2 前言 ------------------------------------2 研究目的 --------------------------------3 原理與分析 AT89S52----------------------------4 Bluetooth--------------------------5 霍爾電流感應模組 -------------------6 ADC0804----------------------------8 軟硬體系統系統方塊圖 -------------------------10 程式流程圖 -------------------------11 單晶片程式碼 -----------------------12 App 程式碼 -------------------------17 實驗結果 --------------------------------18 結論 ------------------------------------21 參考文獻 --------------------------------22 1
摘要 在現今的環境裡, 其實地球暖化是非常嚴重的, 造成很多的氣象異變, 會有這些問題, 其實是因為排放溫室氣體, 而我們怎麼去預防地球持續暖化, 具體的做法如 : 減少能源的浪費, 提高能源的使用效率, 像隨手關燈等等之類的 為了解決上述的問題, 對於插座, 我們將他附加了定時功能, 然後, 本作品使用手機 APP 透過藍芽模組來控制電源, 以及結合霍爾效應 IC 來偵測電流, 如果電流過高會警示以及斷電, 保護使用者的用電安全, 以及避免不必要的災害發生, 達到減碳的目的 前言 近年來全球對於碳排放量相當的重視, 像是地球暖化是非常嚴重的, 造成很多的氣象異變, 會有這些問題, 其實是因為排放溫室氣體, 台灣電力公司也列舉了, 許多家庭的省電方式及技巧, 隨手拔插頭就是最簡單的一種動作, 而網路也有很多相關文章指出, 許多家電產品待機就會消耗電量, 造成不必要的浪費, 而我們怎麼去預防地球持續暖化, 我們在日常生活中發現有很多不必要的能源浪費, 像是很多人常在晚上睡覺來手機充電, 這樣不但造成能源的浪費而且也容易造成電池的壽命減短, 或者是電扇可能走了忘記關等等..., 具體的做法 2
如 : 像隨手關燈等等之類的, 減少能源的浪費, 提高能源的使用效率, 所以, 我們才想要做可遙控定時插座, 來減少能源不必要的浪費, 我們希望透過這個作品來節省日常浪費的能源, 透過電壓與電流 [7] 偵測並且可以利用手機 APP 透過藍芽 [1-6] 來控制開關, 讓行動不便的人可以輕鬆關閉電器 研究目的 由於, 台灣家庭放置插座的位置, 大多接近於地板, 因此當人們需要關閉插座時, 便無法避免彎腰或蹲下等動作, 對於健全的人而言, 開關插座易如反掌, 但對於行動不便者則難如登天, 所以構想此專題, 我們也結合節能的概念來設計此專題, 提供人們環保便利的生活, 我們的定時功能, 是適用所有年齡層的人, 都可以一起來節省能源, 而我們的智慧插座, 適用於行動不便的人, 或者是電源開關距離使用者很遠, 這可以讓他們不用移動再開起電器開關, 減少他們的不便也節省時間 3
原理與分析 3.1 單晶片 AT89552 介紹 : 圖 3.1 AT89S52 接腳圖特色 : AT89S52 為 8 位元微處理器 ROM: 內建 4K bytes 外部最多可擴充至 64K bytes RAM: 內建 128 bytes 外部最多可擴充至 64K bytes 四組可謂原定址的 8 位元輸出入埠,P0 P1 P2 以及 P3 一個全雙工串列埠,UART; 兩個 16 位元計時 / 計數器 五個中斷源,INT0 INT1 T0 T1 TXD/RXD 28 包裝與重要腳 89S52 採 PDIP40 針腳式的包裝方式 相鄰兩隻腳的距離為 0.1 英吋 ( 即 2.540mm) 零件長度為 52.578mm, 而兩排接腳之間距為 0.6 英吋 ( 即 15.875mm), 而零件後度為 4.826mm 4
3.2 Bluetooth 藍牙用於在不同的裝置之間進行無線連線, 例如連線電腦和外圍裝置, 如 : 印表機 鍵盤等, 又或讓個人數位助理 (PDA) 與其它附近的 PDA 或電腦進行通信 具備藍牙技術的手機可以連線到電腦 PDA 甚至連線到免持聽筒 事實上, 根據已訂立的標準, 藍牙可以支援功能更強的長距離通訊, 用以構成無線區域網路 每個 Bluetooth 裝置可同時維護 8 個連線 可以將每個裝置配置為不斷向附近的裝置聲明其存在以便建立連線 另外也可以對二個裝置之間的連線進行密碼保護, 以防止被其他裝置接收 藍牙的標準是 IEEE 802.15.1, 藍牙協定工作在無需許可的 ISM (Industrial Scientific Medical) 頻段的 2.45GHz 最高速度可達 723.1kb/s 為了避免干擾可能使用 2.45GHz 的其它協定, 藍牙協定將該頻段劃分成 79 個頻道,( 頻寬為 1MHz) 每秒的頻道轉換可達 1600 次 5
3.3 霍爾電流感應模組霍爾效應 : 是指當固體導體放置在一個磁場內, 且有電流通過時, 導體內的電荷載子受到洛倫茲力而偏向一邊, 繼而產生電壓 ( 霍爾電壓 ) 的現像 電壓所引致的電場力會平衡洛倫茲力 通過霍爾電壓的極性, 可證實導體內部的電流是由帶有負電荷的粒子 ( 自由電子 ) 之運動所造成 霍爾效應於 1879 年被埃德溫 赫伯特 霍爾 (Edwin Herbert Hall) 發現 除導體外, 半導體也能產生霍爾效應, 而且半導體的霍爾效應要強於導體 在導體上外加與電流方向垂直的磁場, 會使得導線中的電子受到洛倫茲力而聚集, 從而在電子聚集的方向上產生一個電場, 此一電場將會使後來的電子受到電力作用而平衡掉磁場造成的洛倫茲力, 使得後來的電子能順利通過不會偏移, 此稱為霍爾效應 而產生的內建電壓稱為霍爾電壓 其電路圖如圖 3.2 所示 圖 3.2 ASC712 霍爾效應 IC 接腳圖 6
傳感晶片 : 採用 ACS712ELCTR-20A 晶片 採用鍍錫電路板 供電電源 5v 感測範圍 :-20A~+20A 對應模擬量輸出 : 100mV/A 線性輸出 :input:-20a~+20a(ac/dc);output : 0.5DCV~ 4.5DCV( 線性,0A 時 =2.5V 輸出 ) ACS712 系列晶片特性 總輸出誤差為 1.5%, 在 TA = 25 C 1.2mΩ 內部導體電阻 5.0 V 單電源操作 5μs 的響應步驟輸入電流輸出上升時間 80 khz 頻寬 66~185mV/ A 輸出靈敏度 AC 或 DC 電流成線性輸出電壓 極度穩定的輸出偏移電壓 幾乎為零的磁滯 7
3.4 ADC0804 圖 3.3 ADC0804 接腳圖 ADC0804 是一個類比轉數位的 IC 晶片, 其規格如下 :.5V 工作電壓. 類比電壓輸入範圍為 0 至 5V. 中點參考電壓 (Vref) 若空接為 2.5V, 此電壓亦可自行設定. 轉換時間為 100us(fclk=640KHz 時 ). 解析度為 8 位元 8
. 誤差為 ±1LSB. 讀取時間為 135ns 類比電壓和數位轉換的關係 : ADC0804 為 8 位元的 A/D 轉換 轉換位階為 00H 到 FFH(0~255), 共 256 個位階 每一位階的電壓 =( 參考電壓 *2)/256 類比電壓與數位關係為 數位轉換值 (DB0~DB7) = 類比電壓 * 256 參考電壓 * 2 9
軟硬體系統 4.1 系統方塊圖 本作品的系統架構如圖 4.1 所示, 作品上翻的時間設定按鈕設定完成後, 按下確認鍵即可以開始定時插座, 並且偵測電流與電壓, 另外也可以透過手機 APP, 經由藍芽無線傳輸裝置, 設定記時時間, 以及觀測及時的電壓與電流狀態 圖 4.1 系統方塊圖 10
4.2 程式流程圖 圖 4.2 為 AT89S52 的程式流程圖, 一開始偵測設定時間的按鈕有無訊號輸入, 當時間設定完後即可啟動插座, 當手機 APP 透過藍芽與 MCU 連線時, 也可以設定其計時時間, 並且可以同步偵測插座上的電流與電壓狀態 圖 4.2 程式方塊圖 11
4.3 AT89S52 程式碼 #include "reg52.h" #define ADC P3_2 // 時間增加按鈕 sbit P3_2 = 0xb2; #define SW1 P3_3 // 時間增加按鈕 sbit P3_3 = 0xb3; #define SW2 P3_4 // 時間減少按鈕 sbit P3_4 = 0xb4; #define SW3 P3_5 // 確認按鍵 sbit P3_5 = 0xb5; #define SW4 P3_6 // 確認按鍵 sbit P3_6 = 0xb6; #define Relay P3_7 // 繼電器輸出腳位 sbit P3_7 = 0xb7; char table1[12]=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x83,0xd8,0x80,0x 98,0xc6,0xa3; char table2[3]=0x0e,0x0d; // 七段顯示器 com1~3 選擇 個位, 十位 char table3[3]=0,0; // 儲存七段顯示器顯示資料 個位, 十位 char table4[10]=0x00,0x01,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07,0x08,0x 09; char mode,num,time,r1,r2; int p, q, r; int count1; unsigned int ADCa; char i,j,k,l,m,n,buf; float ADC1,ADC2,ADCb; void delay1ms(int a) int i,j; for(i=0;i<a;i++) 12
for(j=0;j<121;j++); void delay1hr() // 計時一小時 int k,l,m; for(k=0;k<3600;k++) for(l=0;l<1000;l++) for(m=0;m<121;m++); void conv() // 數值轉換 if(time==25) // 七段顯示 Co table3[0]=11; table3[1]=10; else // 七段顯示數字 table3[0]=time%10; table3[1]=time/10; void init_uart(unsigned int baudrate) SCON=0x52; TMOD=0x20; TH1=256-(28800/baudrate); TL1=TH1; TR1=1; void display() char n,o; // 七段掃描顯示 13
for(n=0;n<16;n++) for(o=0;o<2;o++) P2=table2[o]; P0=table1[table3[o]]; delay1ms(3); void StarADC() // 啟動 ADC 轉換 ADC=0;ADC=1; ADC=0;ADC=1; void BLUET() ADC2=2.69-ADCb; ADC2=ADC2*7.4; ADCa=ADC2*10.0; ADCa=ADCa-8; if(adca<=0) ADCa=0; table3[0]=(adca%10); // 個位數 table3[1]=adca/10; // 十位數 /* 傳送數據 */ SBUF=0x41; if(ti==0); TI=0; delay1ms(5); SBUF=table4[table3[0]]; if(ti==0); TI=0; delay1ms(5); SBUF=table4[table3[1]]; if(ti==0); TI=0; delay1ms(5); 14
/*void BLUER() if(ri==0); RI=0; buf=sbuf; R1=buf; delay1ms(5); if(ri==0); RI=0; buf=(sbuf-0x30); R2=buf; // time=((r2*10)+r1); time=r1; */ main() // exit: time=0; init_uart(9600); StarADC(); while(1) Relay=1; ADC2=0;ADCb=2.69; for(m=0;m<50;m++) ADC1=(P1*0.02); //0-5 if(adc1<adcb) ADCb=ADC1; if(ri==0); RI=0; buf=sbuf; if((sw1==0) (buf==0x42)) time=time+1; // 按下增加按鍵 15
if(ri==0); RI=0; buf=sbuf; if((sw2==0) (buf==0x43)) // 按下減少按鍵 time=time-1; if(ri==0); RI=0; buf=sbuf; if(time==26) // 當 time=26 時, 設 time=0 time=0; if(time<0) // 當 time<0 時, 設 time=25 time=25; conv(); // 數值轉換 display(); BLUET(); while((sw3==0) (buf==0x45)) conv(); // 數值轉換 display(); // 確認結束 16
4.4 App 程式 17
實驗結果 圖 5.1 成品工作圖 圖 5.2 成品工作圖 18
圖 5.3 APP 配置 5.4 APP 工作圖 圖 5.5 電路 ( 下層板 ) 19
圖 5.6 電路 ( 上層板 ) 20
結論 本作品結合現在物連網的趨勢而設計, 配合政府所推動的未來社會綠能建築的設計理念, 因此本產品可以規劃在未來的建築設計上 對於現在的住宅而言也可以透過本作品與未來綠色建築接軌, 藉由無線傳輸的技術及可審視家裡的用電狀況和電器設備的狀態, 也可透過本作品的定時功能來達到節能減碳以及規劃電器的使用時間 優點 1. 使用 APP 透過藍芽傳輸, 可以達到遠端監控的目的 2. 成品體積小 成本低 3. 可多段定時, 自由選擇使用時間 21
參考文獻 8051 單晶片 C 語言設計實務楊明豐著 藍芽的介紹與應用 https://zh.wikipedia.org/wiki/%e8%97%8d%e7%89%99 ADC0804 Datasheet http://www.ti.com/lit/ds/symlink/adc0804-n.pdf 霍爾效應 https://zh.wikipedia.org/wiki/%e9%9c%8d%e7%88%be%e6%95%88%e6%87%89 霍爾效應傳感器 https://zh.wikipedia.org/wiki/%e9%9c%8d%e5%b0%94%e6%95%88%e5%ba%94%e4 %BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8 ACS712ELCTR-20A ( 霍爾效應 IC) Datasheet http://www.allegromicro.com/en/products/part_numbers/0712/0712.pdf AT89S52 Datasheet http://www.atmel.com/images/doc1919.pdf 22