白桂峰,溫志偉

(1.山西省自動(dòng)化研究所,山西 太原 030006;2.山西北方興安化工有限公司,山西 太原 030008)

引言

隨著社會(huì)的發(fā)展,學(xué)生宿舍的電器使用率越來越高,與此同時(shí)插座的使用頻率也在增多。而在學(xué)生宿舍,大部分電器比如手機(jī)、充電寶、剃須刀等電器長時(shí)間處于充電狀態(tài),有時(shí)即使?jié)M電狀態(tài)仍在持續(xù)充電或者電器取走單獨(dú)留下充電器,這不僅造成大量的電能浪費(fèi),同時(shí)也醞釀了較大的安全隱患[1-2]。造成這種現(xiàn)象原因除了使用者節(jié)能意識(shí)和安全意識(shí)的缺失之外,對(duì)于一次又一次的從插座上拔掉充電器十分繁瑣,而且這種重復(fù)的行為也會(huì)造成插座老化、插孔松動(dòng)等問題,不知不覺很多由于老化而引出的問題也層出不窮,輕者電路無法使用,嚴(yán)重的可能會(huì)引起火災(zāi)或者爆炸等問題。對(duì)于宿舍生活,這一問題將變得更加嚴(yán)峻且有待解決[3]。因此,本文設(shè)計(jì)一款以STC89C52為主控芯片的多功能插座,其能夠通過檢測插座工作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)開斷,較好地解決以上問題,同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)大功率電器的監(jiān)測,達(dá)到節(jié)能、安全的目的。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

當(dāng)前宿舍插座有兩個(gè)重要的問題存在:一是無法有效檢測違章電器,由此引發(fā)安全隱患;二是手機(jī)、充電寶等電器充滿電后持續(xù)過度充電[4]。在社會(huì)不斷進(jìn)步的今天,成本較低、使用安全可靠成為了宿舍插座的的主要需求特征[5]。因此,為了促進(jìn)宿舍用電器方便管理及安全用電,當(dāng)前宿舍插座存在以下幾個(gè)方面的需求:一是需要一種可以識(shí)別違禁負(fù)載的插座,可以在學(xué)生使用違禁插座時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷電;二是插座可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)、充電寶等電器充滿電自動(dòng)斷電;三是插座可以計(jì)量并顯示宿舍的用電情況;四是成本較低,使用安全方便。

1.2 總體方案

基于以上需求,本設(shè)計(jì)針對(duì)普通宿舍插座進(jìn)行了智能化的設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)的內(nèi)容是在不改變學(xué)生原有使用電器習(xí)慣的情況下,以STC89C52為主控芯片,對(duì)插座上的功率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,當(dāng)插座上沒有電器插入或者用電器件手機(jī)、充電寶等充電完成時(shí),可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷電。另外,可以實(shí)現(xiàn)宿舍違章電器的自動(dòng)檢測和斷電,大大節(jié)約了宿舍的用電量,并提高了宿舍的安全性。與此同時(shí),在插座自動(dòng)斷開時(shí),會(huì)伴有語音提示告知插板的使用者。該多功能插座還可以設(shè)置本月宿舍的用電量,并實(shí)時(shí)監(jiān)控用電量。具體包括主控模塊、計(jì)量模塊、開關(guān)模塊、顯示模塊以及電源模塊。主控模塊為系統(tǒng)核心,通過計(jì)量模塊來測量插座電流功率變化,可以判斷電器是否充滿電,是否有使用大功率電器,然后由開關(guān)模塊執(zhí)行插座的自動(dòng)斷電。

2 硬件設(shè)計(jì)

主控電路采用STC89C52單片機(jī)。計(jì)量模塊常用的有ACS712電流檢測模塊和LT-518計(jì)量模塊,后者不僅可以檢測微小電流、小電壓,而且可以檢測電能、功率及功率因數(shù)等多項(xiàng)指標(biāo),非常適合本次設(shè)計(jì),具體參數(shù)如表1所示。

開關(guān)模塊使用繼電器來實(shí)現(xiàn),用小電壓進(jìn)而控制大電壓。如果采用繼電器驅(qū)動(dòng)電路,這種方式是由三極管構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路,這樣雖可以實(shí)現(xiàn)所需的控制方式,但是需要電路設(shè)計(jì),穩(wěn)定性差。所以,本設(shè)計(jì)采用一路5V繼電器模塊,不僅價(jià)格便宜、控制方便,而且連接十分容易,穩(wěn)定性較好。顯示模塊采用LCD1602顯示屏,價(jià)格便宜,顯示字符清晰,并且編程簡單,應(yīng)用方便。部分電路連接如圖1所示。

表1 LT-518參數(shù)

圖1 部分電路連接圖

電源模塊不僅要對(duì)大電流自動(dòng)限制,同時(shí)也要對(duì)熱度較高的場合有很好的限制功能,所以采用78L05三端穩(wěn)壓管設(shè)計(jì)電源。具體電源電路如圖2所示。

圖2 電源電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用C語言編寫程序,使用Keil軟件進(jìn)行編譯。系統(tǒng)總體流程分為兩個(gè)模式:模式1實(shí)現(xiàn)手機(jī)、充電寶等電器充滿電后插座的自動(dòng)開斷,因?yàn)殡娖鞒錆M電后電流會(huì)有明顯變化,通過檢測電流的變化,進(jìn)行驅(qū)動(dòng)插座的開斷。當(dāng)檢測到的電流小于設(shè)定值時(shí)自動(dòng)斷電,并進(jìn)行語音提示。模式2是檢測是否有違章電器正在使用,通過計(jì)量模塊檢測當(dāng)前插板的提供的電流、電壓,并根據(jù)電流、電壓值計(jì)算出功率及功率因數(shù),然后判斷是否為違章電器。若超過規(guī)定功率,插座將自動(dòng)關(guān)斷并進(jìn)行語音提示,否則正常運(yùn)行。整個(gè)監(jiān)測數(shù)據(jù)均在顯示模塊實(shí)時(shí)顯示,方便用戶和管理員查看。

對(duì)于模式1,由于手機(jī)、充電寶等小功率電器在充電完成后流過充電器電流會(huì)有明顯的變化。所以,可通過測量流過充電器交流電電流的變化,可實(shí)現(xiàn)充電是否完成的判斷,并自動(dòng)關(guān)斷插板。通過對(duì)多數(shù)充電器的實(shí)際測量分析,設(shè)置充電電流在小于20 mA時(shí),視為充電已完成,當(dāng)檢測電流小于設(shè)定值時(shí)發(fā)出斷電指令,繼電器做出相應(yīng)物理斷電動(dòng)作。手機(jī)、充電寶等小功率器件充電時(shí)系統(tǒng)執(zhí)行流程如圖3所示。

圖3 模式1工作流程

對(duì)于模式2,違章電器的檢測,主要通過采集流過插板的電流、電壓信號(hào),進(jìn)而計(jì)算功率及功率因數(shù),根據(jù)功率因數(shù)的大小輸出一定頻率的脈沖序列,然后單片機(jī)可以根據(jù)脈沖序列來判斷功率及功率因數(shù)的大小。以某高?！秾W(xué)生公寓用電管理制度》中對(duì)違章電器的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，在某宿舍進(jìn)行多次測試實(shí)驗(yàn)，可得：當(dāng)使用電器的功率因數(shù)大于0.9，且功率大于60 W時(shí)，宿舍斷路器跳閘。因此，定義宿舍電器功率因數(shù)大于0.9，且功率大于60W時(shí)屬于違章電器。單片機(jī)根據(jù)脈沖發(fā)出相應(yīng)指令控制執(zhí)行結(jié)構(gòu)做出斷電與否的動(dòng)作。對(duì)違章電器的檢測的流程如圖4所示。

4 總結(jié)

本文從節(jié)能、安全的角度出發(fā),以STC89C52單片機(jī)為控制核心,結(jié)合相應(yīng)的外圍電路,設(shè)計(jì)了一款多功能宿舍插座,通過監(jiān)測電流、電壓的變化判斷用電器件是否已充滿電或者是否正在使用違規(guī)電器,進(jìn)而自動(dòng)執(zhí)行開斷功能。整個(gè)設(shè)計(jì)過程簡單,功能可靠,價(jià)格客觀,可用學(xué)生宿舍、酒店等場所,具有一定的實(shí)用價(jià)值。

圖4 模式2工作流程