摘 要： 插座作為家用電器的基礎(chǔ)配置之一，隨著社會(huì)的發(fā)展科技的進(jìn)步，發(fā)生了巨大的變化。傳統(tǒng)的電源插座由于長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)容易出現(xiàn)短路、過載、漏電等問題，嚴(yán)重的甚至引發(fā)火災(zāi)，已經(jīng)不能滿足人們現(xiàn)代生活的需求。尤其是校園火災(zāi)安全事故的頻發(fā)，時(shí)刻牽動(dòng)著人們的神經(jīng)。為解決上述問題，設(shè)計(jì)一款基于微處理器的能夠自動(dòng)識(shí)別惡性負(fù)載，自定義插座工作時(shí)間的高性能電子插座，仿真測(cè)試結(jié)果表明，高性能電子插座具有有效識(shí)別惡性負(fù)載并及時(shí)斷電、定時(shí)準(zhǔn)確、過載保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，可以運(yùn)用在校園寢室等禁止違規(guī)電器使用的場(chǎng)所。

關(guān)鍵詞： 惡性負(fù)載； 電子插座； 過載保護(hù)； 定時(shí)控制

中圖分類號(hào)： TN61?34； TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）14?0120?04

Research on high?performance electronic socket

DENG Kui1， SU Fu1， WANG Ying2， JIANG Yuefeng2， ZHAO Chongzhou2， WANG Fei1， GE Liang2

（1. College of Electrical Engineering and Information， Southwest Petroleum University， Chengdu 610500， China；

2. College of Mechatronic Engineering， Southwest Petroleum University， Chengdu 610500， China）

Abstract： The socket is one of the basis configurations for the household appliance， but it greatly changed with the development of the society and technology. The traditional power socket can’t satisfy the requirement of people’s modern life due to the problems of short circuit， overload， electric leakage and even fire disaster caused by long time standby mode. The frequent occurrence of campus fire disaster affects on people constantly. To solve the above problems， a microprocessor?based high?performance electronic socket was designed， which can automatically identify the malignant load and define the working time of socket by itself. The simulation and test results show that the high?performance electronic socket can effectively identify the malignant load， and has the advantages of power off timely， accurate timing， overload protection， etc. This socket can be applied to campus dormitory and other places forbidding the use of illegal electric appliance.

Keywords： malignant load； electronic socket； overload protection； timing control

0 引 言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)，人民生活的日益改善，各類家用電器為了適應(yīng)不斷變化的市場(chǎng)需求也在更新?lián)Q代，成為人們生活中不可或缺的一部分，為人們提供了方便、快捷、舒適的生活體驗(yàn)。但是，由于人們普遍對(duì)安全用電意識(shí)不高，在享受這些電器帶來的便利的同時(shí)，忽略了其本身的用電安全隱患，比如校園里學(xué)生隨意使用電熱毯、熱得快等發(fā)熱性負(fù)載而引發(fā)的用電安全事故屢見不鮮，嚴(yán)重影響了學(xué)生的人身財(cái)產(chǎn)安全，更甚者在其他場(chǎng)合引發(fā)火災(zāi)，造成特大安全事故[1]。

插座作為生活中電源分配的節(jié)點(diǎn)，隨著市場(chǎng)需求的變化和技術(shù)的進(jìn)步而高速發(fā)展，現(xiàn)在學(xué)校廣泛應(yīng)用的是學(xué)生公寓用電管理系統(tǒng)，學(xué)生公寓用電管理系統(tǒng)具有惡性負(fù)載識(shí)別的功能，但是一旦檢測(cè)到有人使用惡性負(fù)載，該系統(tǒng)會(huì)直接切斷整個(gè)寢室的供電，這樣不僅影響其他用電器的正常使用，且后期處理繁瑣，需管理員人工解決。而高性能電子插座可以在檢測(cè)到惡性負(fù)載以后，在不影響其他用電器正常使用的情況下，直接切斷對(duì)惡性負(fù)載的供電，后期處理比較簡(jiǎn)單。

因此，設(shè)計(jì)一款具備惡性負(fù)載識(shí)別、定時(shí)通斷電等功能、低成本、低功耗、使用方便的高性能電子插座十分必要。

1 惡性負(fù)載識(shí)別原理

惡性負(fù)載識(shí)別選用波形比較法，可將校園用電器分為非惡性負(fù)載和惡性負(fù)載。非惡性負(fù)載也稱非線性負(fù)載，如計(jì)算機(jī)這些用電設(shè)備，電路中一般有電抗元件存在，這使得輸入電流波形會(huì)發(fā)生畸變，電流相位與電壓相位存在不一致的現(xiàn)象，而惡性負(fù)載是線性負(fù)載，一般由純電阻電路構(gòu)成，其輸入電壓波形與輸入電流相位是一致的[1]。利用惡性負(fù)載和非惡性負(fù)載電流電壓相位是否一致這一基本原理，再通過對(duì)電流波形進(jìn)行周期性采樣，將輸入電流的波形積分，求得混合電流波形的面積，以及據(jù)采樣得來的最大電流值，按正弦積分所得面積，兩者求差計(jì)算功率，從而識(shí)別惡性負(fù)載[2]。判斷依據(jù)是：通過對(duì)采樣點(diǎn)的分析處理，分別得出對(duì)應(yīng)于圖1中陰影和黑線部分的積分面積，再按照面積關(guān)系得出線性負(fù)載與非線性整流負(fù)載的電流幅值，進(jìn)而求得相應(yīng)的負(fù)載功率，再由控制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)不同負(fù)載的識(shí)別和判斷[1，3]，分析流程如圖2所示。

2 方案設(shè)計(jì)

高性能電子插座設(shè)計(jì)旨在實(shí)現(xiàn)判斷負(fù)載性質(zhì)以及更具負(fù)載性質(zhì)定時(shí)通斷插座。設(shè)計(jì)了一款通過微處理器控制定時(shí)開關(guān)并對(duì)外部負(fù)載性質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)的高性能電子插座。系統(tǒng)通過對(duì)負(fù)載端電壓電流信號(hào)的采集，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后由A/D轉(zhuǎn)換器送給微處理器[4]，微處理器通過一系列的計(jì)算后連續(xù)對(duì)負(fù)載進(jìn)行判定，若為惡性負(fù)載則輸出相應(yīng)信號(hào)傳遞給光耦電路進(jìn)行處理，最后控制繼電器斷開負(fù)載回路[5]，方案圖如圖3所示。用戶可以通過時(shí)鐘模塊對(duì)插座進(jìn)行定時(shí)通斷。此方案控制靈活、可編程性高、電路簡(jiǎn)單、易操作、成本低、方便安全，適用于學(xué)生寢室，節(jié)約用電。

3 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體硬件構(gòu)架設(shè)計(jì)如圖4所示。當(dāng)插座接入負(fù)載工作時(shí)，惡性負(fù)載識(shí)別電路對(duì)其電壓電流信號(hào)進(jìn)行采集和調(diào)理，然后送給ADC0809。ADC0809將接收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為與之相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)并傳輸給單片機(jī)STC89C52，單片機(jī)通過數(shù)據(jù)處理計(jì)算出此時(shí)負(fù)載的功率。如果在一定時(shí)間內(nèi)其功率始終大于插座惡性負(fù)載的設(shè)定值，單片機(jī)則判定其惡性負(fù)載，并發(fā)出警報(bào)，此時(shí)單片機(jī)輸出一個(gè)信號(hào)用于通過繼電器控制負(fù)載斷開。用戶若要再次啟動(dòng)插座只需手動(dòng)按下復(fù)位鍵。定時(shí)電路為用戶提供自由設(shè)定插座通斷時(shí)間功能，當(dāng)用戶設(shè)定好插座工作時(shí)間后，啟動(dòng)定時(shí)功能，觸發(fā)單片機(jī)定時(shí)中斷。當(dāng)定時(shí)結(jié)束后，單片機(jī)輸出一個(gè)中斷信號(hào)，光耦電路通過中斷信號(hào)控制繼電器動(dòng)作并發(fā)出提示報(bào)警。為了避免插座上的電器出現(xiàn)短路而造成電流過大，損害系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，需要在主回路中安裝熔斷器，對(duì)插座進(jìn)行保護(hù)。

3.1 電源轉(zhuǎn)換模塊

系統(tǒng)供電電路如圖5所示，220 V的交流電先通過變壓器降為16 V的交流電，在經(jīng)過全波整流，電容濾波后送入穩(wěn)壓芯片7812的輸入端1端，輸出端3端輸出的12 V電壓經(jīng)電容濾波后送給7805的輸入端1端，再經(jīng)電容濾波輸出5 V電壓。因此VCC1端口輸出電壓是12 V，VCC2端口的輸出電壓是5 V。除為L(zhǎng)M324提供12 V電源外，其他芯片均由5 V直流電壓作為工作電源。

3.2 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

蜂鳴器報(bào)警電路如圖6所示。單片機(jī)的P2.4引腳作為蜂鳴器報(bào)警控制端口。當(dāng)單片機(jī)P2.4引腳為高電平時(shí)，不報(bào)警；若為低時(shí)，三極管發(fā)射極和集電極導(dǎo)通，蜂鳴器鳴叫報(bào)警。

3.3 負(fù)載回路切斷電路設(shè)計(jì)

負(fù)載回路切斷電路的設(shè)計(jì)如圖7所示。插座正常工作時(shí)，光電耦合器MOC3021的4腳和6腳導(dǎo)通，單片機(jī)P3.7引腳此時(shí)置低，三極管2N3054發(fā)射極和基極斷開，集電極與發(fā)射極也斷開，MOC3021的1腳和2腳不導(dǎo)通，繼電器不動(dòng)作。當(dāng)出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，單片機(jī)P3.7由低電平變成高電平，三極管發(fā)射極和基極導(dǎo)通，集電極和發(fā)射極導(dǎo)通，MOC3021的1腳和2腳導(dǎo)通，繼電器動(dòng)作，4腳和6腳斷開，切斷插座回路。

3.4 顯示電路設(shè)計(jì)

顯示電路設(shè)計(jì)如圖8所示。LCD1602的D0～D7依次與P0口的P1.0～P1.7相連接，P2.5～P2.7分別與單片機(jī)的使能端E、讀/寫信號(hào)端RS、寄存器選擇端RS相連接。當(dāng)插座處于空載狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)P3.6口輸出一個(gè)高電平信號(hào)，此時(shí)PNP三極管的發(fā)射極和集電極斷開，LCD1602進(jìn)入睡眠狀態(tài)，不顯示，這樣可以節(jié)約能耗，當(dāng)插座接入負(fù)載后，P3.6輸出一個(gè)低電平信號(hào)，三極管導(dǎo)通，單片機(jī)喚醒LCD1602，此時(shí)LCD1602正常工作，第一行顯示負(fù)載狀態(tài)，第二行顯示定時(shí)狀態(tài)。

3.5 電流采集電路設(shè)計(jì)

電流采樣電路如圖9所示。負(fù)載電流經(jīng)取樣電阻轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的正弦電壓，通過4個(gè)整流二極管1N4007組成的全波整流電路后，在經(jīng)過由LM324構(gòu)成的放大倍數(shù)為1倍的差分放大電路[6]，得到頻率為100 Hz的正半周期波形不變，負(fù)半周期波形翻折的波形信號(hào)，最后經(jīng)過RC濾波后送入ADC0809

4 軟件設(shè)計(jì)

高性能電子插座的軟件設(shè)計(jì)以Protues 7.8 和Keil C51為開發(fā)平臺(tái)。Protues將PCB設(shè)計(jì)、電路仿真軟件和虛擬模擬型仿真軟件有效結(jié)合在一起，使用方便。而Keil通過μVision將它所提供的鏈接器、C語言編輯器、宏匯編、庫(kù)管理以及仿真調(diào)試器組合在一起，為用戶提供了更方便、更舒適的體驗(yàn)。單片機(jī)上電復(fù)位后，通過程序進(jìn)行初始化操作，將采集到的模擬信號(hào)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，并通過單片機(jī)進(jìn)行處理，判斷此時(shí)插座上有無惡性負(fù)載。如果判斷為惡性負(fù)載，則進(jìn)行聲音報(bào)警，并給繼電器以輸出信號(hào)，通過繼電器動(dòng)作切斷電源；如果正常則進(jìn)行定時(shí)判斷，定時(shí)終止則給繼電器輸出信號(hào)，通過繼電器動(dòng)作切斷對(duì)負(fù)載供電[7?8]。流程圖如圖10所示。

5 高性能電子插座的系統(tǒng)測(cè)試

對(duì)系統(tǒng)定時(shí)功能以及惡性負(fù)載識(shí)別進(jìn)行測(cè)試，并通過LCD1602顯示當(dāng)前插座工作狀態(tài)，當(dāng)定時(shí)結(jié)束或者出現(xiàn)惡性負(fù)載時(shí)，蜂鳴器報(bào)警鳴叫，測(cè)試結(jié)果如表1和表2所示。當(dāng)高性能電子插座在接入負(fù)載時(shí)，能實(shí)時(shí)采集到負(fù)載的電壓電流信號(hào)，可以有效地監(jiān)測(cè)插座的工作狀況。

6 結(jié) 語

設(shè)計(jì)了一款基于STC89C52的高性能電子插座。仿真并設(shè)計(jì)了高性能電子插座的單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、電源轉(zhuǎn)換電路、定時(shí)按鍵電路、ADC0809采樣電路、LCD1602顯示電路、繼電器電路、蜂鳴器報(bào)警電路等硬件電路。測(cè)試結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的高性能電子插座實(shí)測(cè)效果良好，能對(duì)惡性負(fù)載進(jìn)行識(shí)別，并能較精確地實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能，達(dá)到了研究目的，為高性能電子插座應(yīng)用于智能家居提供了有益探索。

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