多功能插線板的設(shè)計(jì)與實(shí)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

?

多功能插線板的設(shè)計(jì)與實(shí)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(duì)普通家用插線板缺少功率、電能的計(jì)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(shí)時(shí)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(jì)方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)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(duì)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(shí)，據(jù)消防部門統(tǒng)計(jì)，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(jì)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(shí)開、關(guān)功能，無法對(duì)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(shí)代背景下對(duì)于電器使用過程中對(duì)插線板提出的新要求。為此，本文從電路理論入手，設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)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(duì)人們?nèi)粘Ｉ罹哂兄卮蟮囊饬x。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

多功能插線板硬件系統(tǒng)由CS5460A電能計(jì)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(hào)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(shí)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(jì)

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(shí)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(shí)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(gè)包含兩個(gè)模-數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、高速電能計(jì)算功能和一個(gè)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(hào)的結(jié)果更加安全準(zhǔn)確，本設(shè)計(jì)采用（DLPT01）電壓互感器和（HWCT-20A/20mA）電流互感器?；ジ衅鞯妮敵鲂盘?hào)經(jīng)Δ-Σ調(diào)制器以（MCLK/K）/8Sps的速度采樣，每對(duì)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(gè)采樣周期后，新的瞬態(tài)功率值存入瞬時(shí)功率寄存器，N個(gè)瞬時(shí)功率采樣值作為一組，即可以計(jì)算出有功功率的值，有效值同樣利用近N次的采樣值計(jì)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(jì)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(jì)的漏電保護(hù)電路如圖3所示。設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，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(dòng)作。當(dāng)設(shè)備外殼漏電或發(fā)生人體觸電時(shí)，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(hào)立即在7引腳輸出高電平信號(hào)，向單片機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)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(jì)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(shí)的工作電流在200μA 以下，同時(shí)顯示4行中文字符，有帶背光及掉電模式等優(yōu)點(diǎn)。與數(shù)碼管，1602，12864等相比，具有性價(jià)比高，體積小，顯示內(nèi)容豐富等多優(yōu)點(diǎn)，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(jì)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(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要有信號(hào)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(shí)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(shí)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(shí)值、有效值，電壓瞬時(shí)值、有效值及有功功率進(jìn)行檢測，并對(duì)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(hào)給單片機(jī)外部中斷入口，單片機(jī)接收信號(hào)后控制繼電器立即切斷電路，實(shí)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(jì)的插線板能夠?qū)崟r(shí)的顯示當(dāng)前電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)及總電量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確。

5　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的多功能插線板集成漏電保護(hù)和參數(shù)實(shí)時(shí)顯示功能于一體。多功能插線板的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，不僅解決了傳統(tǒng)功能單一化的問題，還能夠?qū)崟r(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，本裝置電路新穎，實(shí)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(jì)［J］.2009.

［2］姚文軒.多功能智能插座的設(shè)計(jì)［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(cè).