基于STC單片機控制的自保護智能排插設計

趙平秀，朱廣泰，郝 楠

（佳木斯大學，黑龍江 佳木斯 154000）

0 引 言

根據中國節能認證中心的調查數據，隨著中國家庭電器數量的增加，電器待機所消耗的能量占據日均使用電能的10%，例如，普通的42寸液晶電視待機能耗是8 W/h，每日待機時間約為12 h，那么其每天待機所消耗的電能就是0.096 kW·h[1]。雖然每天待機能耗較小，但是日積月累，就會出現較大的電能損耗。此外，電器長時間待機運轉不僅會加速電路老化，而且還存在漏電引發火災的危險。據消防部門統計，每年發生的火災案例中電器漏電導致的火災大約占30%[2]。

基于此，本文設計了一種具備定時供電、過載保護、電壓檢測等功能的自保護智能排插，該排插能實現節約電源、智能管理、實時監測電壓等，促進智能化家居的進一步發展。

1 總體設計方案

本課題設計的智能排插需要實現以下功能：第一，實時監測電路電流，當電路電流超過排插設計的電流閾值時，排插要能迅速響應斷開電路，保證連接電器不會由于電流過載而損壞；第二，實現在非規定時間定時斷電、在規定時間內恢復供電的功能；第三，要求排插設備工作穩定、功耗低、精確控制時間。依照上述分析的功能，提出3種總體設計方案，并進行對比找出最合適的設計方案。

第1種方案：電路控制核心是STC15F408AD單片機[3-5]，定時電路通過DS1302計時芯片[6-8]進行計時，采用12個引腳的LED數碼管顯示實時電壓數值以及設定定時參數，以一個電壓互感器作為實時電流的測量元件。

第2種方案：電路控制核心是STC89C52單片機，采用單片機內置的定時器進行計時，顯示部分采用LED數碼管，電流轉換部分采用ADC8090電流轉換器，電流測量部分采用電流互感器產生感應電動勢進行測量，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換器，電路控制核心是帶有直流轉換功能的STC單片機，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，定時電路通過DS1302計時芯片進行計時。

在第2種方案中，ADC8090電流轉換器雖然可以解決電流轉換的問題，但是轉換器的接電線路較為復雜，并且價格較為低廉的單片機內置計時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，而排插是一種需要經常移動位置的電器，容易發生碰撞，玻璃材質不符合本設計的材料要求，所以綜合分析比較，采用第一種設計方案較為合理。

2 硬件設計

2.1 電壓檢測模塊

電壓檢測模塊的主要作用是實時采集電流電壓數據，通過將外部連接的交流電轉變成直流電信號再通過單片機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數碼管，及時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：通過串聯的電容器的濾波和高阻值電阻的降壓作用，流向運算放大器LM358的交流電壓轉變為微弱電信號，再通過運算放大器等比例放大進入整流模塊轉變成直流電信號輸出到單片機。

圖1 電壓檢測模塊

2.2 過載保護模塊

過載保護模塊是本課題設計與常規智能插座設計區別最大的地方。一般常規的智能插座是通過空氣開關或者熔斷器等方法保護電路，本課題設計了高靈敏度、響應時間極短的過載保護模塊，并且可以通過調節模塊的電流閾值實現電路保護的精確控制。

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電流互感器，外接電路的電流流過電流互感器產生感應電動式，感應電動勢流向運算放大器LM358。為了提高電路保護的靈敏度，在放大器的終端連接一個晶匣管式光電耦合器，經過另一端的晶匣管的電流放大效應轉變成感應電流流向下方的繼電器，當外接電路電流超過電流閾值時，繼電器產生足夠大的作用力吸引開關最終實現斷開電路的功能。

圖2 過載保護模塊

2.3 電路控制模塊

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

圖3 電路控制模塊

2.4 電壓顯示模塊

該模塊是實現實時監控電路工作情況以及設定定時開關時間參數的模塊，其電路連接部分較為簡單，分別是8個段選接口D0到D7實現數碼管的數值變換，4個片選接口H1到H4控制數碼管的高低電平，四位七段數碼管的I/O口是相互獨立的，可以確保信號的輸入與處理準確無誤。

2.5 定時控制模塊

定時控制模塊可以實現24 h任意時間的可變定時或者1 h的固定定時。DS1302芯片結構較為簡單，整個芯片只有8個連接端口，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三個端口接入單片機的P10、P11、P12端口。其中，SCLK端口是芯片的串行時鐘計時器，單個I/O串行端口確保時間信號能高速傳輸，RET端口是復位端口。此外芯片還需要接入晶體振蕩器才能實現計時。同時，為了晶振輸出的信號更加穩定，還串聯了兩個電容值為8 pF的電容器過濾信號。DS1302芯片工作穩定，并且電路連接邏輯簡單，是十分理想的計時芯片。

3 控制程序開發

3.1 總體控制程序設計

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

3.2 電壓檢測程序設計

本設計的AD轉換是通過STC15F408AD單片機內置的8路10位A/D轉換器實現的。A/D轉換和電壓檢測的具體流程為：首先調用單片機中的A/D轉換器，設置P1管腳功能和模擬通道，打開AC/DC轉換電源，啟動AC/DC轉換功能，轉換完畢關閉AC/DC電源輸出實際電壓值。

3.3 主電路控制程序設計

該程序是通過單片機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的開合，OP端口和單片機P1.1管腳連接，當管腳輸入為高電平時繼電器斷開；當管腳輸入為低電平時繼電器接合。通過定時器控制管腳輸出信號實現定時控制，當工作模式進入定時斷電模式，定時器到指定時間發出指令P1.1管腳輸出高電平，繼電器釋放主線路電路斷開；當工作模式進入定時通電模式，定時器到指定時間發出指令P1.1管腳輸出低電平，繼電器接合主線路電路接通。

4 結 論

本設計經過繪制電路板、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排插的初步成品，在模擬家庭電路實驗上，通過按鍵設計定時接通電路時間和過載電流閾值，在排插上插入電吹風、白熾燈等常規家用電器，設定排插電路接通時間是上午10:00—11:00，過載電流閾值是30 A。實驗結果證明，該自保護排插具有良好的過載保護能力和定時通電斷電等功能。總的來說，本課題設計的排插具有自動化控制能力強、總體集成度較高、制造成本較低等優點，在常規家庭中使用，通過排插的定時功能可以完全消除由于電器待機產生的額外電能，排插的過載保護功能也有效降低了由于電器漏電引發火災的可能性。