基于STC89C52的多功能宿舍插座设计

2018-10-16白桂峰温志伟

太原学院学报(自然科学版) 2018年2期

白桂峰,温志伟

(1.山西省自动化研究所,山西太原 030006;2.山西北方兴安化工有限公司,山西太原 030008)

引言

随着社会的发展,学生宿舍的电器使用率越来越高,与此同时插座的使用频率也在增多。而在学生宿舍,大部分电器比如手机、充电宝、剃须刀等电器长时间处于充电状态,有时即使满电状态仍在持续充电或者电器取走单独留下充电器,这不仅造成大量的电能浪费,同时也酝酿了较大的安全隐患[1-2]。造成这种现象原因除了使用者节能意识和安全意识的缺失之外,对于一次又一次的从插座上拔掉充电器十分繁琐,而且这种重复的行为也会造成插座老化、插孔松动等问题,不知不觉很多由于老化而引出的问题也层出不穷,轻者电路无法使用,严重的可能会引起火灾或者爆炸等问题。对于宿舍生活,这一问题将变得更加严峻且有待解决[3]。因此,本文设计一款以STC89C52为主控芯片的多功能插座,其能够通过检测插座工作状态进行自动开断,较好地解决以上问题,同时能够实现大功率电器的监测,达到节能、安全的目的。

1 方案设计

1.1 需求分析

当前宿舍插座有两个重要的问题存在:一是无法有效检测违章电器,由此引发安全隐患;二是手机、充电宝等电器充满电后持续过度充电[4]。在社会不断进步的今天,成本较低、使用安全可靠成为了宿舍插座的的主要需求特征[5]。因此,为了促进宿舍用电器方便管理及安全用电,当前宿舍插座存在以下几个方面的需求:一是需要一种可以识别违禁负载的插座,可以在学生使用违禁插座时实现自动断电;二是插座可以实现手机、充电宝等电器充满电自动断电;三是插座可以计量并显示宿舍的用电情况;四是成本较低,使用安全方便。

1.2 总体方案

基于以上需求,本设计针对普通宿舍插座进行了智能化的设计,设计的内容是在不改变学生原有使用电器习惯的情况下,以STC89C52为主控芯片,对插座上的功率进行实时监控,当插座上没有电器插入或者用电器件手机、充电宝等充电完成时,可以实现自动断电。另外,可以实现宿舍违章电器的自动检测和断电,大大节约了宿舍的用电量,并提高了宿舍的安全性。与此同时,在插座自动断开时,会伴有语音提示告知插板的使用者。该多功能插座还可以设置本月宿舍的用电量,并实时监控用电量。具体包括主控模块、计量模块、开关模块、显示模块以及电源模块。主控模块为系统核心,通过计量模块来测量插座电流功率变化,可以判断电器是否充满电,是否有使用大功率电器,然后由开关模块执行插座的自动断电。

2 硬件设计

主控电路采用STC89C52单片机。计量模块常用的有ACS712电流检测模块和LT-518计量模块,后者不仅可以检测微小电流、小电压,而且可以检测电能、功率及功率因数等多项指标,非常适合本次设计,具体参数如表1所示。

开关模块使用继电器来实现,用小电压进而控制大电压。如果采用继电器驱动电路,这种方式是由三极管构成的驱动电路,这样虽可以实现所需的控制方式,但是需要电路设计,稳定性差。所以,本设计采用一路5V继电器模块,不仅价格便宜、控制方便,而且连接十分容易,稳定性较好。显示模块采用LCD1602显示屏,价格便宜,显示字符清晰,并且编程简单,应用方便。部分电路连接如图1所示。

表1 LT-518参数

图1 部分电路连接图

电源模块不仅要对大电流自动限制,同时也要对热度较高的场合有很好的限制功能,所以采用78L05三端稳压管设计电源。具体电源电路如图2所示。

图2 电源电路

3 系统软件设计

本设计采用C语言编写程序,使用Keil软件进行编译。系统总体流程分为两个模式:模式1实现手机、充电宝等电器充满电后插座的自动开断,因为电器充满电后电流会有明显变化,通过检测电流的变化,进行驱动插座的开断。当检测到的电流小于设定值时自动断电,并进行语音提示。模式2是检测是否有违章电器正在使用,通过计量模块检测当前插板的提供的电流、电压,并根据电流、电压值计算出功率及功率因数,然后判断是否为违章电器。若超过规定功率,插座将自动关断并进行语音提示,否则正常运行。整个监测数据均在显示模块实时显示,方便用户和管理员查看。

对于模式1,由于手机、充电宝等小功率电器在充电完成后流过充电器电流会有明显的变化。所以,可通过测量流过充电器交流电电流的变化,可实现充电是否完成的判断,并自动关断插板。通过对多数充电器的实际测量分析,设置充电电流在小于20 mA时,视为充电已完成,当检测电流小于设定值时发出断电指令,继电器做出相应物理断电动作。手机、充电宝等小功率器件充电时系统执行流程如图3所示。

图3 模式1工作流程

对于模式2,违章电器的检测,主要通过采集流过插板的电流、电压信号,进而计算功率及功率因数,根据功率因数的大小输出一定频率的脉冲序列,然后单片机可以根据脉冲序列来判断功率及功率因数的大小。以某高校《学生公寓用电管理制度》中对违章电器的设定标准，在某宿舍进行多次测试实验，可得：当使用电器的功率因数大于0.9，且功率大于60 W时，宿舍断路器跳闸。因此，定义宿舍电器功率因数大于0.9，且功率大于60W时属于违章电器。单片机根据脉冲发出相应指令控制执行结构做出断电与否的动作。对违章电器的检测的流程如图4所示。