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        基于STC單片機(jī)控制的自保護(hù)智能排插設(shè)計(jì)

        2020-10-26 09:40:36趙平秀朱廣泰
        通信電源技術(shù) 2020年13期
        關(guān)鍵詞:管腳子程序端口

        趙平秀,朱廣泰,郝 楠

        (佳木斯大學(xué),黑龍江 佳木斯 154000)

        0 引 言

        根據(jù)中國節(jié)能認(rèn)證中心的調(diào)查數(shù)據(jù),隨著中國家庭電器數(shù)量的增加,電器待機(jī)所消耗的能量占據(jù)日均使用電能的10%,例如,普通的42寸液晶電視待機(jī)能耗是8 W/h,每日待機(jī)時(shí)間約為12 h,那么其每天待機(jī)所消耗的電能就是0.096 kW·h[1]。雖然每天待機(jī)能耗較小,但是日積月累,就會(huì)出現(xiàn)較大的電能損耗。此外,電器長時(shí)間待機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不僅會(huì)加速電路老化,而且還存在漏電引發(fā)火災(zāi)的危險(xiǎn)。據(jù)消防部門統(tǒng)計(jì),每年發(fā)生的火災(zāi)案例中電器漏電導(dǎo)致的火災(zāi)大約占30%[2]。

        基于此,本文設(shè)計(jì)了一種具備定時(shí)供電、過載保護(hù)、電壓檢測等功能的自保護(hù)智能排插,該排插能實(shí)現(xiàn)節(jié)約電源、智能管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測電壓等,促進(jìn)智能化家居的進(jìn)一步發(fā)展。

        1 總體設(shè)計(jì)方案

        本課題設(shè)計(jì)的智能排插需要實(shí)現(xiàn)以下功能:第一,實(shí)時(shí)監(jiān)測電路電流,當(dāng)電路電流超過排插設(shè)計(jì)的電流閾值時(shí),排插要能迅速響應(yīng)斷開電路,保證連接電器不會(huì)由于電流過載而損壞;第二,實(shí)現(xiàn)在非規(guī)定時(shí)間定時(shí)斷電、在規(guī)定時(shí)間內(nèi)恢復(fù)供電的功能;第三,要求排插設(shè)備工作穩(wěn)定、功耗低、精確控制時(shí)間。依照上述分析的功能,提出3種總體設(shè)計(jì)方案,并進(jìn)行對比找出最合適的設(shè)計(jì)方案。

        第1種方案:電路控制核心是STC15F408AD單片機(jī)[3-5],定時(shí)電路通過DS1302計(jì)時(shí)芯片[6-8]進(jìn)行計(jì)時(shí),采用12個(gè)引腳的LED數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí)電壓數(shù)值以及設(shè)定定時(shí)參數(shù),以一個(gè)電壓互感器作為實(shí)時(shí)電流的測量元件。

        第2種方案:電路控制核心是STC89C52單片機(jī),采用單片機(jī)內(nèi)置的定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí),顯示部分采用LED數(shù)碼管,電流轉(zhuǎn)換部分采用ADC8090電流轉(zhuǎn)換器,電流測量部分采用電流互感器產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢進(jìn)行測量,排插的電路接通與斷開控制采用繼電器間接控制。

        第3種方案:與第2種方案相類似,取消了外置的電流轉(zhuǎn)換器,電路控制核心是帶有直流轉(zhuǎn)換功能的STC單片機(jī),排插的電路接通與斷開控制采用繼電器間接控制,顯示部分采用液晶1602,定時(shí)電路通過DS1302計(jì)時(shí)芯片進(jìn)行計(jì)時(shí)。

        在第2種方案中,ADC8090電流轉(zhuǎn)換器雖然可以解決電流轉(zhuǎn)換的問題,但是轉(zhuǎn)換器的接電線路較為復(fù)雜,并且價(jià)格較為低廉的單片機(jī)內(nèi)置計(jì)時(shí)器都存在一定的偏差;在第3種方案中,液晶1602體積較大并且其外部為玻璃材質(zhì),而排插是一種需要經(jīng)常移動(dòng)位置的電器,容易發(fā)生碰撞,玻璃材質(zhì)不符合本設(shè)計(jì)的材料要求,所以綜合分析比較,采用第一種設(shè)計(jì)方案較為合理。

        2 硬件設(shè)計(jì)

        2.1 電壓檢測模塊

        電壓檢測模塊的主要作用是實(shí)時(shí)采集電流電壓數(shù)據(jù),通過將外部連接的交流電轉(zhuǎn)變成直流電信號(hào)再通過單片機(jī)傳遞至電壓顯示模塊,用戶可以通過觀察電壓顯示模塊的LED數(shù)碼管,及時(shí)了解智能插座的工作情況。電壓檢測模塊的測量元件是電壓互感器,該模塊的電路原理如圖1所示,其具體工作流程為:通過串聯(lián)的電容器的濾波和高阻值電阻的降壓作用,流向運(yùn)算放大器LM358的交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑷蹼娦盘?hào),再通過運(yùn)算放大器等比例放大進(jìn)入整流模塊轉(zhuǎn)變成直流電信號(hào)輸出到單片機(jī)。

        圖1 電壓檢測模塊

        2.2 過載保護(hù)模塊

        過載保護(hù)模塊是本課題設(shè)計(jì)與常規(guī)智能插座設(shè)計(jì)區(qū)別最大的地方。一般常規(guī)的智能插座是通過空氣開關(guān)或者熔斷器等方法保護(hù)電路,本課題設(shè)計(jì)了高靈敏度、響應(yīng)時(shí)間極短的過載保護(hù)模塊,并且可以通過調(diào)節(jié)模塊的電流閾值實(shí)現(xiàn)電路保護(hù)的精確控制。

        該模塊的電路原理如圖2所示,具體工作流程為:該模塊的電流檢測部分是一個(gè)電流互感器,外接電路的電流流過電流互感器產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)式,感應(yīng)電動(dòng)勢流向運(yùn)算放大器LM358。為了提高電路保護(hù)的靈敏度,在放大器的終端連接一個(gè)晶匣管式光電耦合器,經(jīng)過另一端的晶匣管的電流放大效應(yīng)轉(zhuǎn)變成感應(yīng)電流流向下方的繼電器,當(dāng)外接電路電流超過電流閾值時(shí),繼電器產(chǎn)生足夠大的作用力吸引開關(guān)最終實(shí)現(xiàn)斷開電路的功能。

        圖2 過載保護(hù)模塊

        2.3 電路控制模塊

        電路控制模塊是整個(gè)智能排插硬件模塊中最為核心的部分,其主要功能是實(shí)現(xiàn)電路的接通與斷開的定時(shí)控制。該模塊的電路原理如圖3所示,具體工作流程為:為了實(shí)現(xiàn)定時(shí)開關(guān)的精確控制,該模塊同樣是采用了光電耦合器,最右端的連接端口OP連接單片機(jī)的信號(hào)處理部分,通過單片機(jī)對OP端口的高低電平進(jìn)行控制,不僅實(shí)現(xiàn)了電路信號(hào)處理部分和控制執(zhí)行部分的電路隔離,消除了不必要的外界干擾,而且提高了控制執(zhí)行部分的響應(yīng)速度。與過載保護(hù)相似,同樣采用繼電器控制開關(guān)的方式實(shí)現(xiàn)定時(shí)控制功能。

        圖3 電路控制模塊

        2.4 電壓顯示模塊

        該模塊是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控電路工作情況以及設(shè)定定時(shí)開關(guān)時(shí)間參數(shù)的模塊,其電路連接部分較為簡單,分別是8個(gè)段選接口D0到D7實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的數(shù)值變換,4個(gè)片選接口H1到H4控制數(shù)碼管的高低電平,四位七段數(shù)碼管的I/O口是相互獨(dú)立的,可以確保信號(hào)的輸入與處理準(zhǔn)確無誤。

        2.5 定時(shí)控制模塊

        定時(shí)控制模塊可以實(shí)現(xiàn)24 h任意時(shí)間的可變定時(shí)或者1 h的固定定時(shí)。DS1302芯片結(jié)構(gòu)較為簡單,整個(gè)芯片只有8個(gè)連接端口,VCC1接入電路電源,VCC2接入備用的電壓為3 V的紐扣電池,SCLK、I/O、RET三個(gè)端口接入單片機(jī)的P10、P11、P12端口。其中,SCLK端口是芯片的串行時(shí)鐘計(jì)時(shí)器,單個(gè)I/O串行端口確保時(shí)間信號(hào)能高速傳輸,RET端口是復(fù)位端口。此外芯片還需要接入晶體振蕩器才能實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)。同時(shí),為了晶振輸出的信號(hào)更加穩(wěn)定,還串聯(lián)了兩個(gè)電容值為8 pF的電容器過濾信號(hào)。DS1302芯片工作穩(wěn)定,并且電路連接邏輯簡單,是十分理想的計(jì)時(shí)芯片。

        3 控制程序開發(fā)

        3.1 總體控制程序設(shè)計(jì)

        整個(gè)排插控制電路是以STC15F408AD單片機(jī)作為控制核心,各個(gè)模塊程序的編寫都需要圍繞單片機(jī)的控制方式展開,首先設(shè)置單片機(jī)啟動(dòng)后的工作流程:定時(shí)器中斷并執(zhí)行定時(shí)器的初始化程序,下一步執(zhí)行顯示模塊子程序,執(zhí)行LED顯像管掃描子程序,執(zhí)行電壓檢測模塊子程序,最后是執(zhí)行按鍵掃描子程序,當(dāng)按鍵掃描子程序完成后再返回執(zhí)行顯示模塊子程序。

        3.2 電壓檢測程序設(shè)計(jì)

        本設(shè)計(jì)的AD轉(zhuǎn)換是通過STC15F408AD單片機(jī)內(nèi)置的8路10位A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)的。A/D轉(zhuǎn)換和電壓檢測的具體流程為:首先調(diào)用單片機(jī)中的A/D轉(zhuǎn)換器,設(shè)置P1管腳功能和模擬通道,打開AC/DC轉(zhuǎn)換電源,啟動(dòng)AC/DC轉(zhuǎn)換功能,轉(zhuǎn)換完畢關(guān)閉AC/DC電源輸出實(shí)際電壓值。

        3.3 主電路控制程序設(shè)計(jì)

        該程序是通過單片機(jī)輸入控制電路管理模塊的OP端口的高低電平,間接控制繼電器對于排插開關(guān)的開合,OP端口和單片機(jī)P1.1管腳連接,當(dāng)管腳輸入為高電平時(shí)繼電器斷開;當(dāng)管腳輸入為低電平時(shí)繼電器接合。通過定時(shí)器控制管腳輸出信號(hào)實(shí)現(xiàn)定時(shí)控制,當(dāng)工作模式進(jìn)入定時(shí)斷電模式,定時(shí)器到指定時(shí)間發(fā)出指令P1.1管腳輸出高電平,繼電器釋放主線路電路斷開;當(dāng)工作模式進(jìn)入定時(shí)通電模式,定時(shí)器到指定時(shí)間發(fā)出指令P1.1管腳輸出低電平,繼電器接合主線路電路接通。

        4 結(jié) 論

        本設(shè)計(jì)經(jīng)過繪制電路板、編寫程序、組裝電路板、灌注程序、外部元件組裝等工作初步完成了自保護(hù)排插的初步成品,在模擬家庭電路實(shí)驗(yàn)上,通過按鍵設(shè)計(jì)定時(shí)接通電路時(shí)間和過載電流閾值,在排插上插入電吹風(fēng)、白熾燈等常規(guī)家用電器,設(shè)定排插電路接通時(shí)間是上午10:00—11:00,過載電流閾值是30 A。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,該自保護(hù)排插具有良好的過載保護(hù)能力和定時(shí)通電斷電等功能??偟膩碚f,本課題設(shè)計(jì)的排插具有自動(dòng)化控制能力強(qiáng)、總體集成度較高、制造成本較低等優(yōu)點(diǎn),在常規(guī)家庭中使用,通過排插的定時(shí)功能可以完全消除由于電器待機(jī)產(chǎn)生的額外電能,排插的過載保護(hù)功能也有效降低了由于電器漏電引發(fā)火災(zāi)的可能性。

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