遼寧工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院 劉 歡 曹洪奎 劉 鵬

隨著高校實(shí)驗(yàn)室用電設(shè)備種類(lèi)和數(shù)量的增多，因用電引起的火災(zāi)事故時(shí)有發(fā)生，實(shí)驗(yàn)室用電安全問(wèn)題越來(lái)越受到高校的重視。實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用不當(dāng)會(huì)引起電源工作電流過(guò)大，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致火災(zāi)，特別是開(kāi)放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，難以保證每次用完設(shè)備后都會(huì)及時(shí)關(guān)閉電源，造成電能浪費(fèi)和安全隱患。因此，設(shè)計(jì)一種實(shí)驗(yàn)室安全用電智能插座，實(shí)現(xiàn)電能監(jiān)測(cè)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、異常供電報(bào)警、無(wú)線通信監(jiān)控電器狀態(tài)、定時(shí)斷電和人走自動(dòng)斷電等功能，為實(shí)驗(yàn)室安全用電和節(jié)能提供技術(shù)保障。

1 系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室安全用電智能插座，主要由STM32主控制器、用電參數(shù)監(jiān)測(cè)電單元、顯示單元、藍(lán)牙通信單元、實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元、繼電器單元、報(bào)警單元、電能轉(zhuǎn)換單元和按鍵輸入單元組成。系結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)室安全用電智能插座結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)以STM32微控制器為核心，控制其他單元電路共同實(shí)現(xiàn)電能監(jiān)測(cè)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、異常供電報(bào)警、無(wú)線通信監(jiān)控電器狀態(tài)、定時(shí)斷電和人走自動(dòng)斷電等功能。STM32主控制器等待與用戶(hù)手機(jī)藍(lán)牙的連接，建立連接后接收手機(jī)端發(fā)送的控制指令，若啟動(dòng)定時(shí)供電功能，主控制器會(huì)通過(guò)實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元進(jìn)行計(jì)時(shí)供電，同時(shí)通過(guò)由CS5463構(gòu)成的用電參數(shù)測(cè)量單元監(jiān)測(cè)用電電流、功率和溫度等參數(shù)，到達(dá)定時(shí)時(shí)間時(shí)通過(guò)控制繼電器自動(dòng)切斷插座供電。當(dāng)插座供電時(shí)電能參數(shù)發(fā)生異常，如過(guò)流、過(guò)溫等異常工作狀態(tài)，主控制器將驅(qū)動(dòng)繼電器切斷插座供電。系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)與手機(jī)藍(lán)牙的連接狀態(tài)，若藍(lán)牙連接已斷開(kāi)，表示人已離開(kāi)，則自動(dòng)停止插座供電。同時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)OLED顯示單元顯示相關(guān)電能參數(shù)、藍(lán)牙連接狀態(tài)、系統(tǒng)工作狀態(tài)和定時(shí)時(shí)間等信息。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制器單元

主控制器單元采用32位微控制器STM32F103VET6，該控制器基于32位的Cortex-M3內(nèi)核，最高CPU工作頻率達(dá)72MHz，集成了豐富的片內(nèi)外設(shè)資源，包括A/D、D/A，GPIO，滿(mǎn)足智能插座的控制需求。

2.2 用電參數(shù)監(jiān)測(cè)單元

本設(shè)計(jì)中用電參數(shù)監(jiān)測(cè)單元采用的主控制芯片為CS5463，外接電流互感器、電壓互感器及其外圍電路，實(shí)現(xiàn)電能參數(shù)的測(cè)量。用電參數(shù)監(jiān)測(cè)單元電路如圖2所示。

圖2 用電參數(shù)監(jiān)測(cè)單元電路圖

CS5463是一款功能強(qiáng)大的電能參數(shù)測(cè)量芯片，內(nèi)部由兩個(gè)ΔΣ模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器、功率計(jì)算功能、電能變頻器及串行總線接口組成?？梢跃_測(cè)量瞬時(shí)電壓、電流、瞬時(shí)功率、有功功率等參數(shù)，被廣泛應(yīng)用于電表開(kāi)發(fā)。CS5463還有便利的系統(tǒng)芯片校正功能和溫度傳感器、電壓下降感知、相沖補(bǔ)償功能。

2.3 顯示單元設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用0.96寸OLED12864顯示屏顯示系統(tǒng)的相關(guān)信息。本設(shè)計(jì)中OLED12864顯示屏就是一個(gè)128(width)×64(height)點(diǎn)陣。在坐標(biāo)系中，左上角是原點(diǎn)，X軸水平向右數(shù)值增加，Y軸豎直向下數(shù)值增大，屏幕由SSD1306驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)接口為IIC，除去電源和地外僅需要時(shí)鐘信號(hào)引腳SCL和數(shù)據(jù)收發(fā)引腳SDA就可以控制屏幕顯示，在連接主控芯片時(shí)僅占用兩個(gè)I/O口。

2.4 藍(lán)牙通訊單元

藍(lán)牙通訊單元電路的設(shè)計(jì)是為了用戶(hù)可以通過(guò)手機(jī)來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)的工作方式，通訊方式為串口通信。選用的是HC05藍(lán)牙模塊，該模塊是一款高性能主從一體藍(lán)牙串口模塊，可以同各種帶藍(lán)牙功能的電腦、藍(lán)牙主機(jī)、手機(jī)、PDA、PSP等智能終端進(jìn)行藍(lán)牙通信。

2.5 實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中采用STM32內(nèi)部自帶的RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元電路來(lái)完成定時(shí)功能。STM32內(nèi)部的實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）是一個(gè)獨(dú)立的32位定時(shí)器。在相應(yīng)軟件配置下，可提供時(shí)鐘日歷和鬧鐘等的功能。

2.6 繼電器單元電路設(shè)計(jì)

選用繼電器作為開(kāi)關(guān)控制實(shí)現(xiàn)插座通斷電功能。使用繼電器線圈來(lái)接收微控制器的控制信號(hào)，而且可以使用觸點(diǎn)來(lái)發(fā)送和輸出信號(hào)，因此可以避免強(qiáng)電信號(hào)和弱電信號(hào)之間的直接連接，從而實(shí)現(xiàn)了抗干擾隔離。

3 程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件部分采用STM32庫(kù)函數(shù)進(jìn)行編程，所使用的編譯環(huán)境為Keil MDK5。主程序流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)程序流程圖

系統(tǒng)上電工作后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化。主控制器通過(guò)SPI協(xié)議與用電參數(shù)監(jiān)測(cè)單元進(jìn)行通信，獲取相應(yīng)的電能參數(shù)，包括電壓、電流、功率以及CS5463芯片周?chē)鷾囟?，同時(shí)主控制器等待手機(jī)端發(fā)送來(lái)的指令，其中包括開(kāi)關(guān)供電、定時(shí)供電、回顯數(shù)據(jù)等指令，若收到相應(yīng)指令，則會(huì)響應(yīng)串口中斷處理函數(shù)對(duì)指令進(jìn)行接收并執(zhí)行。驅(qū)動(dòng)OLED顯示相關(guān)電能參數(shù)信息。系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前藍(lán)牙連接狀態(tài)，若是藍(lán)牙連接狀態(tài)為未連接，則也會(huì)停止插座供電。

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試中，測(cè)量市電的電壓、裝置的電流、用電設(shè)備的有用功率、功率因數(shù)以及芯片周?chē)鷾囟戎档葦?shù)據(jù)。

采用安泰信AT980E焊臺(tái)作為用電負(fù)載，插入到裝置的插座。當(dāng)前市電電壓為223V，系統(tǒng)電流0.33A，AT980E焊臺(tái)有用功率為71W，功率因數(shù)為0.71，芯片周?chē)鷾囟葹?2℃。各項(xiàng)參數(shù)測(cè)量準(zhǔn)確，符合系統(tǒng)要求。

結(jié)論：根據(jù)對(duì)各功能測(cè)試結(jié)果分析，本系統(tǒng)裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)用電設(shè)備的電能參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，此外手機(jī)界面操作更加直觀，用戶(hù)操作更加方便，系統(tǒng)裝置具有過(guò)溫過(guò)流保護(hù)的功能、具有靈活的定時(shí)斷電功能和人走自動(dòng)斷電功能，具有良好的實(shí)用價(jià)值。