白桂峰,溫志偉

(1.山西省自動化研究所,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

隨著社會的發(fā)展,學生宿舍的電器使用率越來越高,與此同時插座的使用頻率也在增多。而在學生宿舍,大部分電器比如手機、充電寶、剃須刀等電器長時間處于充電狀態(tài),有時即使?jié)M電狀態(tài)仍在持續(xù)充電或者電器取走單獨留下充電器,這不僅造成大量的電能浪費,同時也醞釀了較大的安全隱患[1-2]。造成這種現象原因除了使用者節(jié)能意識和安全意識的缺失之外,對于一次又一次的從插座上拔掉充電器十分繁瑣,而且這種重復的行為也會造成插座老化、插孔松動等問題,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,嚴重的可能會引起火災或者爆炸等問題。對于宿舍生活,這一問題將變得更加嚴峻且有待解決[3]。因此,本文設計一款以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)進行自動開斷,較好地解決以上問題,同時能夠實現大功率電器的監(jiān)測,達到節(jié)能、安全的目的。

1 方案設計

1.1 需求分析

當前宿舍插座有兩個重要的問題存在: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、充電寶等電器充滿電后持續(xù)過度充電[4]。在社會不斷進步的今天,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,為了促進宿舍用電器方便管理及安全用電,當前宿舍插座存在以下幾個方面的需求:一是需要一種可以識別違禁負載的插座,可以在學生使用違禁插座時實現自動斷電;二是插座可以實現手機、充電寶等電器充滿電自動斷電;三是插座可以計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,本設計針對普通宿舍插座進行了智能化的設計,設計的內容是在不改變學生原有使用電器習慣的情況下,以STC89C52為主控芯片,對插座上的功率進行實時監(jiān)控,當插座上沒有電器插入或者用電器件手機、充電寶等充電完成時,可以實現自動斷電。另外,可以實現宿舍違章電器的自動檢測和斷電,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,在插座自動斷開時,會伴有語音提示告知插板的使用者。該多功能插座還可以設置本月宿舍的用電量,并實時監(jiān)控用電量。具體包括主控模塊、計量模塊、開關模塊、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,然后由開關模塊執(zhí)行插座的自動斷電。

2 硬件設計

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

開關模塊使用繼電器來實現,用小電壓進而控制大電壓。如果采用繼電器驅動電路,這種方式是由三極管構成的驅動電路,這樣雖可以實現所需的控制方式,但是需要電路設計,穩(wěn)定性差。所以,本設計采用一路5V繼電器模塊,不僅價格便宜、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,價格便宜,顯示字符清晰,并且編程簡單,應用方便。部分電路連接如圖1所示。

表1 LT-518參數

圖1 部分電路連接圖

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

圖2 電源電路

3 系統(tǒng)軟件設計

本設計采用C語言編寫程序,使用Keil軟件進行編譯。系統(tǒng)總體流程分為兩個模式:模式1實現手機、充電寶等電器充滿電后插座的自動開斷,因為電器充滿電后電流會有明顯變化,通過檢測電流的變化,進行驅動插座的開斷。當檢測到的電流小于設定值時自動斷電,并進行語音提示。模式2是檢測是否有違章電器正在使用,通過計量模塊檢測當前插板的提供的電流、電壓,并根據電流、電壓值計算出功率及功率因數,然后判斷是否為違章電器。若超過規(guī)定功率,插座將自動關斷并進行語音提示,否則正常運行。整個監(jiān)測數據均在顯示模塊實時顯示,方便用戶和管理員查看。

對于模式1,由于手機、充電寶等小功率電器在充電完成后流過充電器電流會有明顯的變化。所以,可通過測量流過充電器交流電電流的變化,可實現充電是否完成的判斷,并自動關斷插板。通過對多數充電器的實際測量分析,設置充電電流在小于20 mA時,視為充電已完成,當檢測電流小于設定值時發(fā)出斷電指令,繼電器做出相應物理斷電動作。手機、充電寶等小功率器件充電時系統(tǒng)執(zhí)行流程如圖3所示。

圖3 模式1工作流程

對于模式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,進而計算功率及功率因數,根據功率因數的大小輸出一定頻率的脈沖序列,然后單片機可以根據脈沖序列來判斷功率及功率因數的大小。以某高校《學生公寓用電管理制度》中對違章電器的設定標準，在某宿舍進行多次測試實驗，可得：當使用電器的功率因數大于0.9，且功率大于60 W時，宿舍斷路器跳閘。因此，定義宿舍電器功率因數大于0.9，且功率大于60W時屬于違章電器。單片機根據脈沖發(fā)出相應指令控制執(zhí)行結構做出斷電與否的動作。對違章電器的檢測的流程如圖4所示。

4 總結

本文從節(jié)能、安全的角度出發(fā),以STC89C52單片機為控制核心,結合相應的外圍電路,設計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,進而自動執(zhí)行開斷功能。整個設計過程簡單,功能可靠,價格客觀,可用學生宿舍、酒店等場所,具有一定的實用價值。

圖4 模式2工作流程