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摘要：提出了一种以ATmega328P单片机为主体的电源开关定时系统的设计方法，主要应用于小家电供电控制。系统以Arduino Nano开发板为基础，采用ATmega328P单片机为核心控制器件；使用5 V继电器以及电容式触摸开关联合对小家电电源实现人工和定时两种通断控制；采用OLED液晶显示屏实时显示菜单选项和定时的时长。另外，系统提供了功能选择和设置定时按键，并配有蜂鸣器电路为定时结束提示。该系统由电容式触摸感应开关和按键开关作为信号输入部分，负责采集电源人工启停信号和定时信息；由单片机控制核心进行信息分析、处理及判断，并给出相应输出控制；系统输出部分包括显示模块、继电器控制模块和提示音模块，在输出控制信号的作用下联合完成人机交互、电源的人工通断和定时通断等功能。系统仿真和实物测试结果表明，本系统可有效地实现电源定时通断的需求，可达到合理使用电力资源的初衷。
关键词：ATmega328P单片机；Arduino Nano开发板；OLED显示；定时通断
0引言
定时工具的最初形式是沙漏或水漏等[1]。随着钟表的诞生，人们开始尝试使用其来改进定时器，以达到精准控制时间的目的[2]。1876年，英国外科医生索加发明了一种发条装置驱动的定时器，并将它应用于煤气阀门的控制上。这也是开关定时系统最早期的雏形。至此，随着科技的不断发展，开关定时系统也日益成熟和壮大，已被广泛应用于不同的领域和行业之中。
在国外，定时开关逐渐成为供电方式智能化的一个重点，其市场需求也越来越大。如法国罗格朗电气公司研发的1P-W型智能遥控定时开关，西班牙西蒙电气公司的i7系列触摸延时开关，法国施耐德电气公司研发的用于工业控制的IHP系列电子式可编程定时开关等等[3-4]。相较于国外，国内定时开关的研究始于20世纪80年代，2006年国内引入了定时开关插座[5]。随后国内出现了一系列相关产品，比如常新电子的CX-TGK01型微型电脑时控开关、北京左岸伟业的可编程定时器开关，公牛电器有限公司研发的LKG-316T型时控开关等[6-7]。此外，在国内外市场上基于物联网技术开发的智能定时开关已经面世，其智能化程度更高[8]。
智能家用电器为人们的生活带来了诸多舒适感[9]。为了合理有效地解决各家电的供电问题，同时考虑到节能、便捷、价格等，不同家电都已配置了不同的定时器来控制开关或工作时间。但传统开关定时系统通过拧紧内部发条蓄力，以驱动计时开关的计时通断。拧动定时开关轴使定时器的触点与开关进行接通，根据不同的角度设置来确定定时计时的时长[10]。但时间久了，机械部件会发生磨损导致定时误差增大，甚至会出现不能正常工作的情况。除此之外，传统开关定时系统还存在功能简单、控制单一等问题。而基于电子式定时系统的开关可以控制电器在所设定时间内自动断电，同时不用考虑部件磨损，其稳定性更强，并且定时精度较传统定时开关更高。目前新型的电源开关定时系统变得更加智能化、多样化，不仅能够控制灯光、电视、音响等常见的电器，还支持控制空调、热水器等更多的家庭电器，满足用户不同的使用需求。但各种新型成熟的电源定时开关系统的引入，必然带来家电成本价格的大幅提升，开发难度提高等问题。因此，对于智能家用电器中的电源定时开关系统既要考虑性能，又要考虑成本等实际因素。针对此，本文提出了一种控制方便、成本低、性能良好的电源定时开关系统。在低成本的前提下，其不仅采用了更加先进的电子元器件和电路提高了系统的耐用性、可靠性和精准性等，而且还能够有效防止电器短路、过载等问题，保障用户的家庭安全[11]。因此，随着如今各类智能小家电的迅速发展和推广以及人们对节能减排问题的日益重视，对该智能家电电源开关定时系统的研究具有一定实用价值和市场价值。
1系统总体设计方案
本系统实现了一个以单片机为核心的智能家电电源开关定时系统的设计。系统需设置触摸感应模块、按键控制模块、显示模块、提示音模块、继电器控制模块及单片机控制模块6个功能模块，原理如图1所示。
该系统的触摸感应模块和按键控制模块负责接收外部输入控制信号，主要包括手动开启关闭电源信号、定时设置和选择信号等。该输入控制信号被送往单片机控制模块，其通过检测到的输入控制信号做出与之相对应的输出控制响应；该输出响应信号控制继电器控制模块和提示音模块实现对不同家电电源的通断控制，并辅助进行发声提示。同时，系统还可通过屏幕显示对菜单图标、定时信息、继电器开关状态、提示状态等信息进行实施显示，以完成人机交互。
图1中，系统继电器控制模块受2个因素的控制：（1）感应开关模块，实现电源的人工开启和关闭；（2）定时功能，定时开关电源。系统定时功能可通过按键模块进行选择、设置和切换，并由显示模块进行相应菜单图标和有关信息的辅助显示和提示；当定时时间到时，电源自动切断的同时会由提示音模块发出声音提示。此外，按键模块还可实现一些其他辅助功能的选择，如对蜂鸣器模块声音提示关闭操作等。
2硬件电路
2.1单片机控制模块
单片机控制模块以Arduino Nano开发板为基础，采用ATmege328p单片机为控制核心[12]。配有复位电路、16 MHZ晶振电路、USB-Type-C供电及下载接口、USB转TTL程序下载电路、5 V转3.3 V降压电路、数据传输及电源指示灯和5 V稳压电路LDO等辅助电路。单片机控制模块电路原理如图2所示。LDO电路中VIN引脚可以通过外接电池为整个系统供电；5 V转3.3 V降压电路可为OLED屏幕提供电源。USB转TTL程序下载电路，可通过电脑USB接口进行单片机程序烧录，不需要额外准备程序下载器进行程序烧录。
2.2触摸感应模块
触摸感应模块采用TTP223电容式触摸按键模块，如图3所示。图3（a）中OUT引脚连接单片机的PD6引脚，将触摸信号的有无送往单片机。当无触摸时，该引脚为低电平输出；当有触摸时，该引脚为高电平输出。
2.3按键控制模块
按键控制模块主要设有4个独立按键，其原理如图4所示。图4中K1、K2分别为加号键和减号键用来控制菜单的切换及定时时间的调整，K3、K4分别是确认键与返回键，2个键配合可对菜单进行选择。K1、K2、K3、K4依次与单片机4条I/O口线连接相连，每条I/O口线上还需连接1个10 KΩ的上拉电阻。单片机通过对应I/O线上电平高低的来判断具体按键是否被按下。
2.4显示模块
本系统显示模块电路选用的是0.96英寸（3.2 cm）四针式I2C总线结构的OLED屏幕模块（包含SSD1306屏幕驱动）[13]。显示模块电路如图5所示，该模块与主控单片机采用I2C总线连接方式，只需要连接4条线就可以正常工作。OLED屏幕工作电压为3.3 V，故VCC管脚接3.3 V电压，GND引脚接地。时钟信号线（SCL）接单片机PC5引脚，数据信号线（SDA）接单片机PC4引脚。
2.5继电器控制模块
继电器控制模块可由多组继电器组成，其单组5 V继电器电路如图6所示。图6（a）中将IN引脚与单片机I/O口线PB1进行连接，另还需要将家电的正负极分别接在继电器COM引脚和NO引脚。由IN引脚接收到的单片机控制信号驱动家电电源的接通和切断。当IN引脚接收到低电平信号时，公共端与常开端会导通，为用电负载接通电源[14]。
2.6提示音模块
提示音模块较简单，可采用蜂鸣器结合发光二极管完成。当电源接通或在定时时间内，二极管点亮；当电源切断时或定时时间到，蜂鸣器发声同时二极管熄灭。
3软件设计
本系统软件开发主要使用C语言，同时使用Arduino IDE软件和Platform IO插件辅助[15-17]。
本智能家电电源开关定时系统软件各功能部分的结构框图如图7所示，其主要包括主控功能、按键扫描功能、感应功能、执行功能、显示功能和提醒功能等6部分。感应功能可完成对手动触摸启动和关闭系统电源的检测；按键扫描功能可实现系统功能选择和定时档位的设置及调整；显示功能可实时显示各种实时信息；提示功能可实现当用户定时时间到时，驱动提示音电路工作；执行功能负责自动切断电源；主控功能则负责连接各功能模块，保证其有效、可靠的工作，从而实现整个系统的功能。
4系统仿真与实物
4.1仿真
使用Wok-Wi在线仿真平台进行仿真。Wok-Wi是在线电子电路仿真平台，以Arduino为主，可以在网站上实现虚拟仿真的Wok-Wi空间[18]。首先在仿真平台右侧仿真器的元件库中选择所需的元器件，按照电路原理图连接导线即可；其次在左侧的工具栏中的库管理中安装程序所用到的库文件；然后在源文件一栏中拷入编写好的程序代码就可以对软件进行调试了。仿真界面如图8所示，通过仿真调试修改后，该系统可正常显示运行，效果如图9所示。
4.2实物
仿真确认预期效果之后，根据仿真电路制作实物，并将调试好的软件程序烧录制主控单片机中。Arduino Nano开发板原本没有直流电压的供电接口，需要使用Mini-B USB端口和计算机相连[19]。本次设计将Mini-B USB接口改为Type-C USB接口。实物调试效果如图10所示。
5结束语
本文完成了以单片机为核心的小家电电源开关定时系统的整体设计。系统以ATmega328P单片机为主体，采用5 V继电器以及电容式触摸开关对小家电电源进行通断控制，利用0.96英寸（3.2 cm）OLED液晶显示屏实时显示菜单选项和定时的时长。另外，系统还配有按键进行功能选择和定时时长选择，同时具有蜂鸣器和发光二极管为定时结束提供提示。经系统仿真和实物调试，该系统可实现9个不同定时档位的选择；当系统定时结束时，会有相应声光和显示信息进行提示，并切断电器电源；系统还可随时通过感应开关对继电器直接进行控制，实现家电的普通电源开关功能。同时可通过屏幕对菜单图标、定时信息、继电器开关状态、提示状态等信息进行显示。
此外，通过加入适量的继电器，本系统还可以增加所控制家电的数量。同时，还可以将此系统作为其他系统的子系统使用，提高家电的智能化，减少控制设备，降低控制成本。
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