单片机与嵌入式系统作业资料.docx

杭州电子科技大学通信工程学院单片机与嵌入式系统作业项目名称：基于MSP430G2553的智能WIFI遥控电源插座设计班级： 姓名： 徐 炜 学号： 13071135 姓名： 王 畅 学号： 13071206 姓名： 毛媛苑 学号： 13085103 一、研究背景、现状及研究目的、意义由于经济的发展促使人们追求更高的生活品质，而且科技的进步技术成熟也使软硬件的性价比达到了合理的水平。所以新兴的智能住宅采用一系列高新技术, 实现服务、信息和系统资源的高度共享, 为住户提供一种更加安全、舒适、方便的智能化、信息化生活空间1。虽然目前大部分家电具有近距离遥控功能，这些遥控器均采用红外线传输技术。红外传输技术是一种视距传输技术，遥控器与家电接收端之间不允许有障碍物阻隔，且红外传输仅能实现点对点通信任务，其一般通信距离在3m以内。因此，红外传输技术不适合应用于智能家居领域。针对目前住宅中很多的电器设备都不具有远程遥控功能，这样给智能家居要求的电器远程控制要求带来了很大的障碍2。为了对这些普通的电器设备实现远程遥控的功能, 理论上讲, 有两种解决方案：一种方案是对电器进行改装, 装入遥控电路接口, 使其具有被遥控的功能。另外一种方案是对电器设备不进行改装, 只是在其外部挂一个可实现远程无线遥控的电器插座。显然, 第二种方案更加方便实用1-2。在2009年，物联网的发展在国内社会中受到了高度重视，借助物联网的发展，智能家居产业存在着巨大的发展潜力。在2014年3月的上海家博会上，智能家居成为了本届展会的关键词之一。国内外各大厂商集体在智能家居战略上发力。如海尔推出了最新的U+智慧家居系统。三星展示了一款可以借助WIFI网络控制的新型洗衣机2。智能家居结合云计算预示着其未来的发展方向，也引发人们对智能家居的广泛关注2。本项目在对智能家居中可实现远程遥控的智能电器插座进行调研的基础上，运用单片机与无线局域网技术，根据实际需求设计了通过智能手机WIFI进行远程无线遥控的智能电源插座，实现对电器设备的远程控制与监测。WIFI是Wireless Fidelity的缩写，即无线高保真传输协议3。WIFI基于IEEE 802.11协议，它是一种将个人电脑、手持设备（如PDA、智能手机）等终端以无线方式互相连接的技术4。WIFI的最大优点是传输速度高，同时与现存网络设备具有良好的兼容性。随着第五代WIFI协议版本802.11ac的推出，WIFI的传输速率将超过1Gbps，其覆盖范围也将进一步扩大。因此，在现有的条件下，选择WIFI作为智能电源插座通信模块是最好的选择，一方面现有的移动终端设备上几乎全部集成了WIFI接口，可以方便地将移动设备作为智能电源插座的控制器。另一方面WIFI传输速率快，并提供了以太网访问方式，便于实现智能家居系统和以太网的连接。基于802.11b标准的WIFI工作在2.4GHz频段，其最大传输速率为11Mbps。文献5采用WIFI网络通信模块作为家庭网关控制中心子模块，主要实现家庭网关控制中心和用户移动终端设备之间的通信。由于用户移动终端设备如手机、笔记本电脑等均带有 WIFI模块，设计中只需要实现家庭网关控制中心的WIFI通信功能即可。选用 WIFI模块的好处就是用户无需实现WIFI协议的上层协议标准，只需要通过模块收发所需的数据即可，这给开发者带来了一定的便利性。文献6针对目前接触式电源开关存在的问题，设计了一种基于Android手机和WIFI的遥控电源开关实现方案。通过对负载功率相关要素的分析，采用受WIFI无线模块控制的PWM信号来改变可控硅导通角的大小，从而利用具有Android操作系统的手机，实现对负载的通断控制和输出功率大小的控制。文献7设计并实现了两种智能家居解决方案：蓝牙型智能插座方案与WIFI型智能插座方案。通过控制智能插座来达到间接控制插座上所连接的电器设备的目的。其硬件电路工作过程如下：电源转换模块将220V交流电转换成稳定的5V直流为整个插座的硬件平台供电,硬件平台通过WIFI模块接入Internet之后,整个插座就已经处于正常工作状态。使用智能手机上的应用程序通过WIFI模块与智能电源插座连接后，实现对该智能电源插座的控制。在本项目中，我们采用德州仪器（TI）中国大学计划提供的超低功耗MSP430G2553LaunchPad口袋实验开发平台作为智能电源插座主板，外扩电源转换模块、WIFI通信模块、继电器模块、时钟模块等，结合TI的CCS软件平台开发环境，研究和设计基于MSP430G2553的智能WIFI遥控电源插座。该智能插座具有接收智能手机WIFI控制指令功能。在同一无线局域网络中，可通过手机WIFI来遥控该插座所连接家用电器设备的开关,实现家电的远程遥控。同时,该智能插座所连接的用户家电设备的实时工作状态也可以通过WIFI反馈到用户手机上，获取智能插座的运行状态信息。参考文献：1 温铁钝，孙键国，张天宏.无线遥控智能插座的设计J. 测控技术. 2003，22（10）：53-55,59.2 孟坤. 基于MSP430的智能家居系统设计D. 苏州： 苏州大学硕士学位论文, 2014.3 刘乃安. 无线局域网（WLAN）原理、技术与应用M.西安：西安电子科技大学出版社，2004.4 段水福，历晓华，段炼. 无线局域网（WLAN）设计与实现M.杭州：浙江大学出版社，2007.5 张语涵. 基于WiFi网络智能家居系统的设计与实现 D. 天津：天津工业大学硕士学位论文，2012.6 李俐萍, 陈金鹰，孙宇，魏万迎. WiFi控制的功率调节系统设计与实现J. 自动化仪表. 2014，35 (7)：48-51.7 张新星.基于Android手机的智能插座设计 D. 杭州：浙江大学硕士学位论文，2014.8 杨艳，傅强. 从零开启大学生电子设计之路基于MSP430LaunchPad口袋实验平台M. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2014.二、 实施方案、实施计划及可行性分析1. 主要内容本项目设计基于MSP430G2553的智能WIFI遥控电源插座。采用低功耗MSP430G2553单片机的串口控制WIFI模块作为智能电源开关的接收端，通过智能手机WIFI功能实现对该电源开关的控制，将控制信号传输给智能电源开关的WIFI模块进行接收。MSP430G2553作为智能电源开关的中央控制器，它与电源转换、继电器开关控制、WIFI模块等进行连接。其中，电源转换模块将220V的交流电通过变压器降压后整流滤波转换为3.3V直流电，MSP430G2553从电源转换模块获得稳定的3.3V电源开始正常工作，MSP430G2553从WIFI模块接收到智能手机发送过来的定时开关指令，经过MSP430G2553内部定时器计时后，通过GPIO口控制继电器开关模块的开启或关闭，即设定插座的开关状态，控制电源插座通断电流，实现智能手机WIFI对电源开关进行控制。本项目的设计框图如图1所示。图1 智能WIFI遥控电源插座设计框图MSP430G2553是TI公司推出的16位超低功耗混合信号微处理器（MCU）。该单片机具有以下特点：（1）超低功耗，电源供电电压1.8-3.6V，待机电流小于1uA，具有1种活动模式（AM）和5种低功耗模式（LPM）；（2）强大的处理能力，采用16位精简指令集（RISC）结构，系统时钟主频16MHz，4KB RAM，内部带56KB Flash存储器；（3）丰富的外围模块资源，集成了比较器、定时器、10位ADC、串口（UART）、电容式触摸IO、SPI和I2C接口。图1中的外围模块需要进行购买，各模块与MSP430G2553的接口需要进行设计，并开发相应的驱动电路与软件程序。主要模块介绍如下：（1）电源转换模块：将220V交流电转换为3.3V直流电，采用变压器降压整流滤波方案。220V交流电经过变压器降压后转为9V交流电，然后经过桥式整流电路整流、电容滤波和三端集成稳压管LM1117L3，输出稳定的3.3V直流电。电源转换模块可以为单片机及其外围模块提供稳定的直流电源。电源转换模块电路原理图如图2所示。图2 电源转换模块电路原理图（2）WIFI模块：单片机通过WIFI模块与智能手机WIFI进行指令和数据的传输。WIFI模块以串口形式与单片机连接。模块引出VCC、GND、TXD和RXD四根管脚。VCC为3.3V（通过电源转换模块输出3.3V供电），默认设置波特率9600Baud、8位数据位、1位停止位、无奇偶校验。它与MSP430G2553的接口引脚为TXD和RXD。（3）继电器模块：继电器模块控制插座电源的通断。当单片机接收到控制指令后，通过继电器模块实现控制任务。在本项目中，我们拟采用电磁式继电器。电磁式继电器由铁芯、线圈、衔铁、触电簧片等组成。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会通过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁在电磁力的作用下被铁芯吸引，从而带动衔铁的动触电与常开触电吸合；当线圈断电后，电磁吸引力消失，衔铁在弹簧反作用力的作用下返回到原来的位置，使动触电与常闭触电吸合。MSP430G2553单片机与继电器之间接口采用GPIO。由于单片机是一个弱电器件,一般情况下工作在3.3V，其IO口输出电流很小，驱动电流在mA级以下，因此需要设计继电器驱动电路，继电器驱动是一个典型的功率驱动，拟采用三极管放大电流来驱动继电器。设计的继电器驱动电路如图3所示。图3 继电器驱动电路在图3中，单片机GPIO口P2.0输出高电平触发三极管导通。三极管采用NPN型的9014或8050，放大倍数100左右。基极电阻选3.3K。集电极连接电磁式继电器。在继电器两端反向并联保护二极管，以消除当三极管由导通变为截止时，继电器绕组产生的自感电压。感应的高电压通过二极管正向导通回路进行释放，可以保证三极管的安全，防止击穿。（4）时钟模块：时钟模块为智能插座提供实时日历信息，包括年、月、日、时、分、秒等数据，确保智能插座的定时功能能够准确运转，并且能够在插座断电的情况下继续精确走时。2. 拟解决关键问题（1）硬件：各模块与MSP430G2553的接口电路与驱动电路。（2）软件：a. 接口功能调试：Ø 电源转换模块（AC-DC与DC-DC）；Ø 单片机定时器设置和时钟模块（定时中断）；Ø 继电器模块中断子程序（GPIO口中断）；Ø WIFI模块串口调试（采用串口调试助手）。b. CCS软件系统编程：编写各模块子程序实现各模块的基本功能。（3）硬软件调试，实现系统功能。3. 实施方案MSP430G2553 LaunchPad是TI公司推出的低功耗MSP430开发板，它提供了具有集成仿真功能的14/20引脚DIP插座目标板，可通过2线JTAG协议对系统内置MSP430单片机进行编程和调试。MSP430G2553口袋实验板是TI中国大学计划提供的MSP430实验开发平台，其体积小巧，可以脱离实验室随身携带，便于随身进行开发学习。本项目中MSP430G2553 LaunchPad口袋实验平台主板与扩展板分别如图4和图5所示。图4 MSP430G2553 LaunchPad口袋实验平台主板 （a）扩展板正面 （b）扩展板反面图5 MSP430G2553 LaunchPad口袋实验平台扩展板MSP430G2553 LaunchPad口袋实验平台硬件原理图如图6所示。 图6 MSP430G2553LaunchPad口袋实验平台硬件原理框图MSP430G2553 LaunchPad口袋实验平台可实现的基本功能包括：1） 显示和输入单元：口袋实验平台利用I2C接口的TCA6416A扩展出16个低速双向IO（IO00IO07，IO10IO17）。4个扩展IO用于控制LCD驱动器HT1621，4个用于机械按键输入，8个用于LED灯柱。2） 触摸按键单元：两个触摸按键占用P2.0和P2.5两个GPIO，MSP430G2系列单片机的P1和P2全部具备振荡功能。3） 模拟输出单元：外部扩展了12位串行数模转换器DAC7311，使用P1.0/P1.3/P2.2三个普通GPIO控制。这三个IO同时被其他单元复用，但由于DAC7311都是高阻输入口，所以无需跳线复用。音频功放TPA301可以将DAC输出进行电流放大，以便驱动喇叭/蜂鸣器负载。4） 扩展存储部分：由SPI协议控制TF卡，使用P1.1/SPI SOMI、P1.2/SPI SIMO、P1.4/SPI CLK三个USCI功能IO和1个普通P2.4控制。5） SLOPE ADC单元：使用拨盘电位器作为待测电阻。P1.5/Comparator_A+、P1.3、P2.2三个IO进行控制。P1.3、P2.2复用，但同样无需跳线。6） PWM单元：P2.1/TA1.1负责输出SPWM；轨至轨运放TLV2372负责将SPWM滤波为双极性模拟信号；TPS60400提供运放所需负电源；三电阻网络负责将双极性信号转变为单极性信号；P1.0/ADC10负责对单极性信号采样，P1.0功能复用，同样无需跳线。MSP430G2553 LaunchPad口袋实验平台硬件功能单元如表1所示。表1 MSP430G2553 LaunchPad口袋实验平台硬件功能单元名称元件IO功能IO扩展TCA6416AP1.6/I2C SDAP1.7/I2C SCL利用I2C协议控制TCA6416A获得16个低速IOIO00IO07，IO10IO17显示HT1621128段LCDIO14/扩展IO;IO15/扩展IOIO16/扩展IO;IO17/扩展IO4个I2C扩展IO控制HT1621HT1621控制段式液晶机械按键微动开关*4IO10/扩展IO;IO11/扩展IOIO12/扩展IO;IO13/扩展IO4个I2C扩展IO识别机械按键LED灯柱0603LED*8IO00/扩展IO;IO01/扩展IOIO02/扩展IO;IO03/扩展IOIO04/扩展IO;IO05/扩展IOIO06/扩展IO;IO07/扩展IO8个I2C扩展IO控制8个LED触摸按键覆铜P2.0P2.5电容触摸按键模拟输出DAC7311TPA301蜂鸣器P1.0/复用P1.3/复用P2.2/复用12位串行DAC7311BTL乙类功率放大器扩展存储TF卡槽P1.1/SPI SOMIP1.2/SPI SIMOP1.4/SPI CLKP2.4基于SPI的TF卡读写SLOPE ADC拨盘电位器P1.5/Comparator_A+P1.3/复用P2.2/复用利用比较器实现积分型ADCPWMTLV2372TPS60400三电阻网络P2.1/TA1.1P1.0/ADC10/复用PWM波形合成双极性信号的ADC采样在MSP430G2553口袋实验平台硬件基础上，我们需要增加以下模块，各模块功能如下：（1） 电源转换模块：电源转换模块可以为单片机及其外围模块提供稳定的直流电源。（2） WIFI通信模块：通过WIFI模块与智能手机WIFI进行指令和数据的传输。（3） 电磁式继电器模块及其驱动电路：控制插座电源的通断。当单片机接收到控制指令后，通过继电器模块实现控制任务。（4） 时钟模块：为智能插座提供实时日历信息，在插座断电的情况下继续精确走时。通过CCS软件平台设计“智能插座”软件开发环境。CCS（Code Composer Studio）是TI公司开发的针对其MCU芯片的软件开发平台，具有环境配置、源文件编译、程序调试、跟踪和分析等功能，能够帮助用户完成编程、编译、链接、调试和数据分析等工作。在本项目中，我们采用CCSv5。CCS主窗口与调试窗口分别如图7和图8所示。图7 CCS主窗口图8 CCS调试窗口4. 可行性分析：Ø 在MSP430G2553开发板软硬件平台方面，MSP430G2553 LaunchPad口袋实验平台、开发资料众多，针对MSP430G2553 LaunchPad的CCS软件环境亦有示例程序。Ø 购买“智能插座”外围模块，包括：电源转换模块，WIFI通信模块，时钟模块，继电器模块，设计各模块与MSP430G2553口袋实验板的接口电路，并在CCS软件开发平台上编写针对各模块的功能实现子程序，通过接口调试与系统调试，实现“智能插座”的基本功能。三、创新与特色概述 本项目设计基于MSP430G2553的智能WIFI遥控电源插座。采用低功耗MSP430G2553单片机的串口控制WIFI模块作为智能电源开关的接收端，通过智能手机WIFI功能实现对该电源开关的控制。MSP430G2553作为智能电源开关的中央控制器，它与电源转换、继电器开关控制、WIFI模块等进行连接。MSP430G2553从WIFI模块接收到智能手机发送过来的定时开关指令，经过内部定时器计时后，通过GPIO口控制继电器开关模块的开启或关闭，从而控制电源插座通断电流，实现智能手机WIFI对电源开关进行控制。