多功能插線板的設(shè)計與實現(xiàn)

湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院 馬傳江 裘昕月 王映真 楊永超

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多功能插線板的設(shè)計與實現(xiàn)

湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院 馬傳江 裘昕月 王映真 楊永超

【摘要】針對普通家用插線板缺少功率、電能的計量以及漏電保護(hù)功能，提出一種以STC15F2K60S2單片機(jī)為系統(tǒng)核心，可以實時測量并顯示當(dāng)前電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)、總電量等電氣參數(shù)，以及漏電保護(hù)及過載保護(hù)功能的插線板設(shè)計方案。實驗結(jié)果表明，本設(shè)計測量結(jié)果精確，使用便利。

【關(guān)鍵詞】插線板；電氣參數(shù)；漏電保護(hù)

0　引言

隨著家用電器、電子數(shù)碼產(chǎn)品和辦公設(shè)備的廣泛使用，插線板在這些設(shè)備中扮演著不可或缺的電器設(shè)備之一。人們對插線板的依賴性越來越強(qiáng)，家用電器的廣泛使用，提高了人們的生活水平，也導(dǎo)致了因家用電器而引起的大量火災(zāi)。同時，據(jù)消防部門統(tǒng)計，近年來全國電氣原因火宅事故達(dá)4萬多起，平均每13分鐘發(fā)生一起電氣火災(zāi)占所有火災(zāi)事故的30%以上，插座問題是引起電氣火災(zāi)的主要原因［1］。

市場上的普通家用插線板功能單一、結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、智能化程度低，插孔布局不合理，無保護(hù)功能和安全事故預(yù)防功能，極少的“智能插座”也只是具備定時開、關(guān)功能，無法對非正常狀況進(jìn)行檢測與斷電控制，并不具備真正的智能功能［2］。多功能插線板應(yīng)在保持傳統(tǒng)插線板的基本功能前提下，滿足電子信息時代背景下對于電器使用過程中對插線板提出的新要求。為此，本文從電路理論入手，設(shè)計一種以STC15F2K60S2為信息處理核心的多功能插線板。這種插線板具有過流、過壓保護(hù)以及實時顯示當(dāng)前電壓、電流、有功功率和功率因數(shù)等智能功能，不但可以顯示用電設(shè)備的使用狀態(tài)，還能減少火災(zāi)事故的發(fā)生，對人們?nèi)粘Ｉ罹哂兄卮蟮囊饬x。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計

多功能插線板硬件系統(tǒng)由CS5460A電能計量、單片機(jī)控制系統(tǒng)、電壓電流采集、漏電保護(hù)、系統(tǒng)供電及人機(jī)交互等電路組成，如圖1所示。單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心，處理電壓電流采集信號以及通過讀取CS5460A內(nèi)部數(shù)據(jù)在LCD顯示屏上顯示結(jié)果，并結(jié)合漏電保護(hù)電路控制繼電器實現(xiàn)插線板的智能開關(guān)和保護(hù)。

圖1　系統(tǒng)框圖

2　硬件設(shè)計

2.1STC15F2K60S2最小系統(tǒng)

該多功能插線板采用STC15F2K60S2單片機(jī)作為主控制芯片。STC15F2K60S2單片機(jī)為增強(qiáng)型51內(nèi)核，單時鐘機(jī)器周期，速度比傳統(tǒng)51內(nèi)核單片機(jī)快8～12倍［3］。具備集成高精度R/C時鐘和高可靠的復(fù)位電路，不需要外接晶振和復(fù)位電路，性能優(yōu)良。

2.2CS5460A測量電路

CS5460A是一個包含兩個模-數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、高速電能計算功能和一個串行接口的高度集成的模-數(shù)轉(zhuǎn)換器。CS5460A使用低成本的分流器或互感器測量電流，使用分壓電阻或電壓互感器測量電壓。具有與微控制器通訊的雙向串口，芯片的脈沖輸出頻率與有功率成正比［4］。CS5460A具有簡便的片上AC/DC系統(tǒng)校準(zhǔn)功能。由CS5460A芯片構(gòu)成的電壓電流采集電路如圖2中所示。

為使采集電壓電流信號的結(jié)果更加安全準(zhǔn)確，本設(shè)計采用（DLPT01）電壓互感器和（HWCT-20A/20mA）電流互感器?；ジ衅鞯妮敵鲂盘柦?jīng)Δ-Σ調(diào)制器以（MCLK/K）/8Sps的速度采樣，每對瞬態(tài)電壓電流的采樣數(shù)據(jù)相乘，得到瞬態(tài)有功功率的值；每個采樣周期后，新的瞬態(tài)功率值存入瞬時功率寄存器，N個瞬時功率采樣值作為一組，即可以計算出有功功率的值，有效值同樣利用近N次的采樣值計算。這些值可以從RMS電壓寄存器和RMS電流寄存器中讀出。最后將讀出的數(shù)據(jù)輸出到LCD上，提供數(shù)據(jù)給用戶。

圖2　CS5460A計量模塊

2.3漏電保護(hù)電路

漏電保護(hù)電路一般由檢測元件、中間放大環(huán)節(jié)及操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。本設(shè)計的漏電保護(hù)電路如圖3所示。設(shè)備正常運行時，零序電流互感器中磁平衡，感應(yīng)線圈上沒有感應(yīng)電流，電路不動作。當(dāng)設(shè)備外殼漏電或發(fā)生人體觸電時，電流平衡被破壞，零序電流互感器原有的磁平衡被打破，感應(yīng)線圈出現(xiàn)感應(yīng)電流，SG54123芯片檢測到信號立即在7引腳輸出高電平信號，向單片機(jī)發(fā)出中斷請求，單片機(jī)中斷響應(yīng)，控制繼電器斷開電路，確保用電安全。

圖3　漏電保護(hù)電路

2.4人機(jī)交互

本設(shè)計選用的NOKIA5110 LCD顯示屏作為人機(jī)交互界面，具有體積小，低電壓供電，功耗極低，正常顯示時的工作電流在200μA 以下，同時顯示4行中文字符，有帶背光及掉電模式等優(yōu)點。與數(shù)碼管，1602，12864等相比，具有性價比高，體積小，顯示內(nèi)容豐富等多優(yōu)點，其超低功耗的特色體現(xiàn)了低碳節(jié)能。

2.5系統(tǒng)供電

系統(tǒng)供電部分由開關(guān)電源電路構(gòu)成，提供12V，5V電壓。電路中輸出12V于漏電保護(hù)模塊，5V供給CS5460A電能計量電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)、LCD顯示屏。并提供帶充電功能的USB接口。

圖4　程序流程圖

3　軟件設(shè)計

軟件設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要有信號采集和處理模塊、CS5460A測量模塊、液晶顯示模塊和控制繼電器保護(hù)模塊。

CS5460A具有數(shù)字校準(zhǔn)功能，用戶通過設(shè)定值輸入到CS5460校準(zhǔn)命令寄存器即可實現(xiàn)不同的校準(zhǔn)功能。LCD顯示屏采用SPI通信協(xié)議，利用軟件控制單片機(jī)的I/O口實現(xiàn)SPI通信。插座通電后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化。通過讀取CS5460A中電流的瞬時值、有效值，電壓瞬時值、有效值及有功功率進(jìn)行檢測，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，LCD將處理后的數(shù)據(jù)輸出顯示。漏電保護(hù)功能由硬件保護(hù)電路檢測，出現(xiàn)漏電立即發(fā)送信號給單片機(jī)外部中斷入口，單片機(jī)接收信號后控制繼電器立即切斷電路，實現(xiàn)漏電保護(hù)。主程序程序框圖如圖4所示。

4　系統(tǒng)調(diào)試

經(jīng)過測試，本文設(shè)計的插線板能夠?qū)崟r的顯示當(dāng)前電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)及總電量，實驗結(jié)果精確。

5　結(jié)論

本文設(shè)計的多功能插線板集成漏電保護(hù)和參數(shù)實時顯示功能于一體。多功能插線板的創(chuàng)新設(shè)計，不僅解決了傳統(tǒng)功能單一化的問題，還能夠?qū)崟r顯示當(dāng)前電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)、總電流等多種參數(shù)。實驗結(jié)果顯示，本裝置電路新穎，實用性強(qiáng)，可大大提高用電特別是家庭用電的安全性，使人們的生活更加安全，應(yīng)用前景十分廣闊。

參考文獻(xiàn)

［1］宋栓軍.一種多功能插線板的創(chuàng)新設(shè)計［J］.2009.

［2］姚文軒.多功能智能插座的設(shè)計［J］.2010.

［3］徐愛鈞.STC15增強(qiáng)型8051單片機(jī)C語言編程與應(yīng)用［M］.北京.電子工業(yè)出版社，2014.

［4］CS5460A中文數(shù)據(jù)手冊.