實驗室安全用電智能插座的設計

遼寧工業(yè)大學 電子與信息工程學院 劉 歡 曹洪奎 劉 鵬

隨著高校實驗室用電設備種類和數量的增多，因用電引起的火災事故時有發(fā)生，實驗室用電安全問題越來越受到高校的重視。實驗設備使用不當會引起電源工作電流過大，嚴重時可能導致火災，特別是開放性創(chuàng)新實驗室，難以保證每次用完設備后都會及時關閉電源，造成電能浪費和安全隱患。因此，設計一種實驗室安全用電智能插座，實現電能監(jiān)測、過流保護、過溫保護、異常供電報警、無線通信監(jiān)控電器狀態(tài)、定時斷電和人走自動斷電等功能，為實驗室安全用電和節(jié)能提供技術保障。

1 系統(tǒng)原理與設計

本文設計的實驗室安全用電智能插座，主要由STM32主控制器、用電參數監(jiān)測電單元、顯示單元、藍牙通信單元、實時時鐘單元、繼電器單元、報警單元、電能轉換單元和按鍵輸入單元組成。系結構框圖如圖1所示。

圖1 實驗室安全用電智能插座結構框圖

系統(tǒng)以STM32微控制器為核心，控制其他單元電路共同實現電能監(jiān)測、過流保護、過溫保護、異常供電報警、無線通信監(jiān)控電器狀態(tài)、定時斷電和人走自動斷電等功能。STM32主控制器等待與用戶手機藍牙的連接，建立連接后接收手機端發(fā)送的控制指令，若啟動定時供電功能，主控制器會通過實時時鐘單元進行計時供電，同時通過由CS5463構成的用電參數測量單元監(jiān)測用電電流、功率和溫度等參數，到達定時時間時通過控制繼電器自動切斷插座供電。當插座供電時電能參數發(fā)生異常，如過流、過溫等異常工作狀態(tài)，主控制器將驅動繼電器切斷插座供電。系統(tǒng)實時檢測與手機藍牙的連接狀態(tài)，若藍牙連接已斷開，表示人已離開，則自動停止插座供電。同時，系統(tǒng)通過OLED顯示單元顯示相關電能參數、藍牙連接狀態(tài)、系統(tǒng)工作狀態(tài)和定時時間等信息。

2 系統(tǒng)硬件設計

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內核，最高CPU工作頻率達72MHz，集成了豐富的片內外設資源，包括A/D、D/A，GPIO，滿足智能插座的控制需求。

2.2 用電參數監(jiān)測單元

本設計中用電參數監(jiān)測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，實現電能參數的測量。用電參數監(jiān)測單元電路如圖2所示。

圖2 用電參數監(jiān)測單元電路圖

CS5463是一款功能強大的電能參數測量芯片，內部由兩個ΔΣ模擬-數字轉換器、功率計算功能、電能變頻器及串行總線接口組成?？梢跃_測量瞬時電壓、電流、瞬時功率、有功功率等參數，被廣泛應用于電表開發(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、相沖補償功能。

2.3 顯示單元設計

本系統(tǒng)使用0.96寸OLED12864顯示屏顯示系統(tǒng)的相關信息。本設計中OLED12864顯示屏就是一個128(width)×64(height)點陣。在坐標系中，左上角是原點，X軸水平向右數值增加，Y軸豎直向下數值增大，屏幕由SSD1306驅動，驅動接口為IIC，除去電源和地外僅需要時鐘信號引腳SCL和數據收發(fā)引腳SDA就可以控制屏幕顯示，在連接主控芯片時僅占用兩個I/O口。

2.4 藍牙通訊單元

藍牙通訊單元電路的設計是為了用戶可以通過手機來控制整個系統(tǒng)的工作方式，通訊方式為串口通信。選用的是HC05藍牙模塊，該模塊是一款高性能主從一體藍牙串口模塊，可以同各種帶藍牙功能的電腦、藍牙主機、手機、PDA、PSP等智能終端進行藍牙通信。

2.5 實時時鐘單元電路設計

本系統(tǒng)中采用STM32內部自帶的RTC實時時鐘單元電路來完成定時功能。STM32內部的實時時鐘（RTC）是一個獨立的32位定時器。在相應軟件配置下，可提供時鐘日歷和鬧鐘等的功能。

2.6 繼電器單元電路設計

選用繼電器作為開關控制實現插座通斷電功能。使用繼電器線圈來接收微控制器的控制信號，而且可以使用觸點來發(fā)送和輸出信號，因此可以避免強電信號和弱電信號之間的直接連接，從而實現了抗干擾隔離。

3 程序設計

本系統(tǒng)軟件部分采用STM32庫函數進行編程，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，首先進行系統(tǒng)初始化。主控制器通過SPI協(xié)議與用電參數監(jiān)測單元進行通信，獲取相應的電能參數，包括電壓、電流、功率以及CS5463芯片周圍溫度，同時主控制器等待手機端發(fā)送來的指令，其中包括開關供電、定時供電、回顯數據等指令，若收到相應指令，則會響應串口中斷處理函數對指令進行接收并執(zhí)行。驅動OLED顯示相關電能參數信息。系統(tǒng)實時檢測當前藍牙連接狀態(tài)，若是藍牙連接狀態(tài)為未連接，則也會停止插座供電。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試中，測量市電的電壓、裝置的電流、用電設備的有用功率、功率因數以及芯片周圍溫度值等數據。

采用安泰信AT980E焊臺作為用電負載，插入到裝置的插座。當前市電電壓為223V，系統(tǒng)電流0.33A，AT980E焊臺有用功率為71W，功率因數為0.71，芯片周圍溫度為22℃。各項參數測量準確，符合系統(tǒng)要求。

結論：根據對各功能測試結果分析，本系統(tǒng)裝置可實現對用電設備的電能參數進行監(jiān)控，此外手機界面操作更加直觀，用戶操作更加方便，系統(tǒng)裝置具有過溫過流保護的功能、具有靈活的定時斷電功能和人走自動斷電功能，具有良好的實用價值。