高性能電子插座研究

摘 要： 插座作為家用電器的基礎配置之一，隨著社會的發展科技的進步，發生了巨大的變化。傳統的電源插座由于長時間待機容易出現短路、過載、漏電等問題，嚴重的甚至引發火災，已經不能滿足人們現代生活的需求。尤其是校園火災安全事故的頻發，時刻牽動著人們的神經。為解決上述問題，設計一款基于微處理器的能夠自動識別惡性負載，自定義插座工作時間的高性能電子插座，仿真測試結果表明，高性能電子插座具有有效識別惡性負載并及時斷電、定時準確、過載保護等優點，可以運用在校園寢室等禁止違規電器使用的場所。

關鍵詞： 惡性負載； 電子插座； 過載保護； 定時控制

中圖分類號： TN61?34； TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 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

隨著國民經濟的不斷增長，人民生活的日益改善，各類家用電器為了適應不斷變化的市場需求也在更新換代，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。但是，由于人們普遍對安全用電意識不高，在享受這些電器帶來的便利的同時，忽略了其本身的用電安全隱患，比如校園里學生隨意使用電熱毯、熱得快等發熱性負載而引發的用電安全事故屢見不鮮，嚴重影響了學生的人身財產安全，更甚者在其他場合引發火災，造成特大安全事故[1]。

插座作為生活中電源分配的節點，隨著市場需求的變化和技術的進步而高速發展，現在學校廣泛應用的是學生公寓用電管理系統，學生公寓用電管理系統具有惡性負載識別的功能，但是一旦檢測到有人使用惡性負載，該系統會直接切斷整個寢室的供電，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到惡性負載以后，在不影響其他用電器正常使用的情況下，直接切斷對惡性負載的供電，后期處理比較簡單。

因此，設計一款具備惡性負載識別、定時通斷電等功能、低成本、低功耗、使用方便的高性能電子插座十分必要。

1 惡性負載識別原理

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

2 方案設計

高性能電子插座設計旨在實現判斷負載性質以及更具負載性質定時通斷插座。設計了一款通過微處理器控制定時開關并對外部負載性質進行實時自動監測的高性能電子插座。系統通過對負載端電壓電流信號的采集，經過信號調理后由A/D轉換器送給微處理器[4]，微處理器通過一系列的計算后連續對負載進行判定，若為惡性負載則輸出相應信號傳遞給光耦電路進行處理，最后控制繼電器斷開負載回路[5]，方案圖如圖3所示。用戶可以通過時鐘模塊對插座進行定時通斷。此方案控制靈活、可編程性高、電路簡單、易操作、成本低、方便安全，適用于學生寢室，節約用電。

3 硬件設計

系統整體硬件構架設計如圖4所示。當插座接入負載工作時，惡性負載識別電路對其電壓電流信號進行采集和調理，然后送給ADC0809。ADC0809將接收到的模擬信號轉換為與之相應的數字信號并傳輸給單片機STC89C52，單片機通過數據處理計算出此時負載的功率。如果在一定時間內其功率始終大于插座惡性負載的設定值，單片機則判定其惡性負載，并發出警報，此時單片機輸出一個信號用于通過繼電器控制負載斷開。用戶若要再次啟動插座只需手動按下復位鍵。定時電路為用戶提供自由設定插座通斷時間功能，當用戶設定好插座工作時間后，啟動定時功能，觸發單片機定時中斷。當定時結束后，單片機輸出一個中斷信號，光耦電路通過中斷信號控制繼電器動作并發出提示報警。為了避免插座上的電器出現短路而造成電流過大，損害系統結構，需要在主回路中安裝熔斷器，對插座進行保護。

3.1 電源轉換模塊

系統供電電路如圖5所示，220 V的交流電先通過變壓器降為16 V的交流電，在經過全波整流，電容濾波后送入穩壓芯片7812的輸入端1端，輸出端3端輸出的12 V電壓經電容濾波后送給7805的輸入端1端，再經電容濾波輸出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LM324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 報警電路設計

蜂鳴器報警電路如圖6所示。單片機的P2.4引腳作為蜂鳴器報警控制端口。當單片機P2.4引腳為高電平時，不報警；若為低時，三極管發射極和集電極導通，蜂鳴器鳴叫報警。

3.3 負載回路切斷電路設計

負載回路切斷電路的設計如圖7所示。插座正常工作時，光電耦合器MOC3021的4腳和6腳導通，單片機P3.7引腳此時置低，三極管2N3054發射極和基極斷開，集電極與發射極也斷開，MOC3021的1腳和2腳不導通，繼電器不動作。當出現報警時，單片機P3.7由低電平變成高電平，三極管發射極和基極導通，集電極和發射極導通，MOC3021的1腳和2腳導通，繼電器動作，4腳和6腳斷開，切斷插座回路。

3.4 顯示電路設計

顯示電路設計如圖8所示。LCD1602的D0～D7依次與P0口的P1.0～P1.7相連接，P2.5～P2.7分別與單片機的使能端E、讀/寫信號端RS、寄存器選擇端RS相連接。當插座處于空載狀態時，單片機P3.6口輸出一個高電平信號，此時PNP三極管的發射極和集電極斷開，LCD1602進入睡眠狀態，不顯示，這樣可以節約能耗，當插座接入負載后，P3.6輸出一個低電平信號，三極管導通，單片機喚醒LCD1602，此時LCD1602正常工作，第一行顯示負載狀態，第二行顯示定時狀態。

3.5 電流采集電路設計

電流采樣電路如圖9所示。負載電流經取樣電阻轉換為相應的正弦電壓，通過4個整流二極管1N4007組成的全波整流電路后，在經過由LM324構成的放大倍數為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，負半周期波形翻折的波形信號，最后經過RC濾波后送入ADC0809

4 軟件設計

高性能電子插座的軟件設計以Protues 7.8 和Keil C51為開發平臺。Protues將PCB設計、電路仿真軟件和虛擬模擬型仿真軟件有效結合在一起，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、庫管理以及仿真調試器組合在一起，為用戶提供了更方便、更舒適的體驗。單片機上電復位后，通過程序進行初始化操作，將采集到的模擬信號進行A/D 轉換，并通過單片機進行處理，判斷此時插座上有無惡性負載。如果判斷為惡性負載，則進行聲音報警，并給繼電器以輸出信號，通過繼電器動作切斷電源；如果正常則進行定時判斷，定時終止則給繼電器輸出信號，通過繼電器動作切斷對負載供電[7?8]。流程圖如圖10所示。

5 高性能電子插座的系統測試

對系統定時功能以及惡性負載識別進行測試，并通過LCD1602顯示當前插座工作狀態，當定時結束或者出現惡性負載時，蜂鳴器報警鳴叫，測試結果如表1和表2所示。當高性能電子插座在接入負載時，能實時采集到負載的電壓電流信號，可以有效地監測插座的工作狀況。

6 結 語

設計了一款基于STC89C52的高性能電子插座。仿真并設計了高性能電子插座的單片機最小系統電路、電源轉換電路、定時按鍵電路、ADC0809采樣電路、LCD1602顯示電路、繼電器電路、蜂鳴器報警電路等硬件電路。測試結果表明：設計的高性能電子插座實測效果良好，能對惡性負載進行識別，并能較精確地實現定時功能，達到了研究目的，為高性能電子插座應用于智能家居提供了有益探索。

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