高性能电子插座研究
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摘 要： 插座作为家用电器的基础配置之一，随着社会的发展科技的进步，发生了巨大的变化。传统的电源插座由于长时间待机容易出现短路、过载、漏电等问题，严重的甚至引发火灾，已经不能满足人们现代生活的需求。尤其是校园火灾安全事故的频发，时刻牵动着人们的神经。为解决上述问题，设计一款基于微处理器的能够自动识别恶性负载，自定义插座工作时间的高性能电子插座，仿真测试结果表明，高性能电子插座具有有效识别恶性负载并及时断电、定时准确、过载保护等优点，可以运用在校园寝室等禁止违规电器使用的场所。
关键词： 恶性负载； 电子插座； 过载保护； 定时控制
中图分类号： TN61?34； TP273 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）14?0120?04
Research on high?performance electronic socket
DENG Kui1， SU Fu1， WANG Ying2， JIANG Yuefeng2， ZHAO Chongzhou2， WANG Fei1， GE Liang2
（1. College of Electrical Engineering and Information， Southwest Petroleum University， Chengdu 610500， China；
2. College of Mechatronic Engineering， Southwest Petroleum University， Chengdu 610500， China）
Abstract： The socket is one of the basis configurations for the household appliance， but it greatly changed with the development of the society and technology. The traditional power socket can’t satisfy the requirement of people’s modern life due to the problems of short circuit， overload， electric leakage and even fire disaster caused by long time standby mode. The frequent occurrence of campus fire disaster affects on people constantly. To solve the above problems， a microprocessor?based high?performance electronic socket was designed， which can automatically identify the malignant load and define the working time of socket by itself. The simulation and test results show that the high?performance electronic socket can effectively identify the malignant load， and has the advantages of power off timely， accurate timing， overload protection， etc. This socket can be applied to campus dormitory and other places forbidding the use of illegal electric appliance.
Keywords： malignant load； electronic socket； overload protection； timing control
0 引 言
随着国民经济的不断增长，人民生活的日益改善，各类家用电器为了适应不断变化的市场需求也在更新换代，成为人们生活中不可或缺的一部分，为人们提供了方便、快捷、舒适的生活体验。但是，由于人们普遍对安全用电意识不高，在享受这些电器带来的便利的同时，忽略了其本身的用电安全隐患，比如校园里学生随意使用电热毯、热得快等发热性负载而引发的用电安全事故屡见不鲜，严重影响了学生的人身财产安全，更甚者在其他场合引发火灾，造成特大安全事故[1]。
插座作为生活中电源分配的节点，随着市场需求的变化和技术的进步而高速发展，现在学校广泛应用的是学生公寓用电管理系统，学生公寓用电管理系统具有恶性负载识别的功能，但是一旦检测到有人使用恶性负载，该系统会直接切断整个寝室的供电，这样不仅影响其他用电器的正常使用，且后期处理繁琐，需管理员人工解决。而高性能电子插座可以在检测到恶性负载以后，在不影响其他用电器正常使用的情况下，直接切断对恶性负载的供电，后期处理比较简单。
因此，设计一款具备恶性负载识别、定时通断电等功能、低成本、低功耗、使用方便的高性能电子插座十分必要。
1 恶性负载识别原理
恶性负载识别选用波形比较法，可将校园用电器分为非恶性负载和恶性负载。非恶性负载也称非线性负载，如计算机这些用电设备，电路中一般有电抗元件存在，这使得输入电流波形会发生畸变，电流相位与电压相位存在不一致的现象，而恶性负载是线性负载，一般由纯电阻电路构成，其输入电压波形与输入电流相位是一致的[1]。利用恶性负载和非恶性负载电流电压相位是否一致这一基本原理，再通过对电流波形进行周期性采样，将输入电流的波形积分，求得混合电流波形的面积，以及据采样得来的最大电流值，按正弦积分所得面积，两者求差计算功率，从而识别恶性负载[2]。判断依据是：通过对采样点的分析处理，分别得出对应于图1中阴影和黑线部分的积分面积，再按照面积关系得出线性负载与非线性整流负载的电流幅值，进而求得相应的负载功率，再由控制电路实现对不同负载的识别和判断[1，3]，分析流程如图2所示。
2 方案设计
高性能电子插座设计旨在实现判断负载性质以及更具负载性质定时通断插座。设计了一款通过微处理器控制定时开关并对外部负载性质进行实时自动监测的高性能电子插座。系统通过对负载端电压电流信号的采集，经过信号调理后由A/D转换器送给微处理器[4]，微处理器通过一系列的计算后连续对负载进行判定，若为恶性负载则输出相应信号传递给光耦电路进行处理，最后控制继电器断开负载回路[5]，方案图如图3所示。用户可以通过时钟模块对插座进行定时通断。此方案控制灵活、可编程性高、电路简单、易操作、成本低、方便安全，适用于学生寝室，节约用电。
3 硬件设计
系统整体硬件构架设计如图4所示。当插座接入负载工作时，恶性负载识别电路对其电压电流信号进行采集和调理，然后送给ADC0809。ADC0809将接收到的模拟信号转换为与之相应的数字信号并传输给单片机STC89C52，单片机通过数据处理计算出此时负载的功率。如果在一定时间内其功率始终大于插座恶性负载的设定值，单片机则判定其恶性负载，并发出警报，此时单片机输出一个信号用于通过继电器控制负载断开。用户若要再次启动插座只需手动按下复位键。定时电路为用户提供自由设定插座通断时间功能，当用户设定好插座工作时间后，启动定时功能，触发单片机定时中断。当定时结束后，单片机输出一个中断信号，光耦电路通过中断信号控制继电器动作并发出提示报警。为了避免插座上的电器出现短路而造成电流过大，损害系统结构，需要在主回路中安装熔断器，对插座进行保护。
3.1 电源转换模块
系统供电电路如图5所示，220 V的交流电先通过变压器降为16 V的交流电，在经过全波整流，电容滤波后送入稳压芯片7812的输入端1端，输出端3端输出的12 V电压经电容滤波后送给7805的输入端1端，再经电容滤波输出5 V电压。因此VCC1端口输出电压是12 V，VCC2端口的输出电压是5 V。除为LM324提供12 V电源外，其他芯片均由5 V直流电压作为工作电源。
3.2 报警电路设计
蜂鸣器报警电路如图6所示。单片机的P2.4引脚作为蜂鸣器报警控制端口。当单片机P2.4引脚为高电平时，不报警；若为低时，三极管发射极和集电极导通，蜂鸣器鸣叫报警。
3.3 负载回路切断电路设计
负载回路切断电路的设计如图7所示。插座正常工作时，光电耦合器MOC3021的4脚和6脚导通，单片机P3.7引脚此时置低，三极管2N3054发射极和基极断开，集电极与发射极也断开，MOC3021的1脚和2脚不导通，继电器不动作。当出现报警时，单片机P3.7由低电平变成高电平，三极管发射极和基极导通，集电极和发射极导通，MOC3021的1脚和2脚导通，继电器动作，4脚和6脚断开，切断插座回路。
3.4 显示电路设计
显示电路设计如图8所示。LCD1602的D0～D7依次与P0口的P1.0～P1.7相连接，P2.5～P2.7分别与单片机的使能端E、读/写信号端RS、寄存器选择端RS相连接。当插座处于空载状态时，单片机P3.6口输出一个高电平信号，此时PNP三极管的发射极和集电极断开，LCD1602进入睡眠状态，不显示，这样可以节约能耗，当插座接入负载后，P3.6输出一个低电平信号，三极管导通，单片机唤醒LCD1602，此时LCD1602正常工作，第一行显示负载状态，第二行显示定时状态。
3.5 电流采集电路设计
电流采样电路如图9所示。负载电流经取样电阻转换为相应的正弦电压，通过4个整流二极管1N4007组成的全波整流电路后，在经过由LM324构成的放大倍数为1倍的差分放大电路[6]，得到频率为100 Hz的正半周期波形不变，负半周期波形翻折的波形信号，最后经过RC滤波后送入ADC0809
4 软件设计
高性能电子插座的软件设计以Protues 7.8 和Keil C51为开发平台。Protues将PCB设计、电路仿真软件和虚拟模拟型仿真软件有效结合在一起，使用方便。而Keil通过μVision将它所提供的链接器、C语言编辑器、宏汇编、库管理以及仿真调试器组合在一起，为用户提供了更方便、更舒适的体验。单片机上电复位后，通过程序进行初始化操作，将采集到的模拟信号进行A/D 转换，并通过单片机进行处理，判断此时插座上有无恶性负载。如果判断为恶性负载，则进行声音报警，并给继电器以输出信号，通过继电器动作切断电源；如果正常则进行定时判断，定时终止则给继电器输出信号，通过继电器动作切断对负载供电[7?8]。流程图如图10所示。
5 高性能电子插座的系统测试
对系统定时功能以及恶性负载识别进行测试，并通过LCD1602显示当前插座工作状态，当定时结束或者出现恶性负载时，蜂鸣器报警鸣叫，测试结果如表1和表2所示。当高性能电子插座在接入负载时，能实时采集到负载的电压电流信号，可以有效地监测插座的工作状况。
6 结 语
设计了一款基于STC89C52的高性能电子插座。仿真并设计了高性能电子插座的单片机最小系统电路、电源转换电路、定时按键电路、ADC0809采样电路、LCD1602显示电路、继电器电路、蜂鸣器报警电路等硬件电路。测试结果表明：设计的高性能电子插座实测效果良好，能对恶性负载进行识别，并能较精确地实现定时功能，达到了研究目的，为高性能电子插座应用于智能家居提供了有益探索。
参考文献
[1] 李昂，史延东，宁飞.智能负载识别器的设计[J].微型机与应用，2005，24（4）：21?22.
[2] VARADAN S， MAKRAM E B. Generalized load modeling in the presence of harmonics and distortion [C]// Proceedings of 1993 Twenty?Fifth IEEE Southeastern Symposium on System Theory. Tuscaloosa： IEEE， 1993： 124?128.
[3] HINES E L， LLOBET E， GARDNER J W. Electronic noses： a review of signal processing techniques [J]. IEE proceedings of circuits， devices and systems， 1999， 146（6）： 297?310.
[4] 葛亮，胡泽，陈平.井下工程参数随钻测试系统设计[J].传感器与微系统，2013，32（8）：105?107.
[5] SRIDHARAN K， SCHULZ N N. Outage management through AMR systems using an intelligent data filter [J]. IEEE transactions on power delivery， 2001， 16（4）： 669?675.
[6] 葛亮，胡泽，陈平，等.深水表层钻井随钻压力与温度监测装置设计[J].传感器与微系统，2014，33（11）：92?94.
[7] GE Liang， HU Ze， CHEN Ping， et al. Research on overflow monitoring mechanism based on downhole microflow detection [J]. Mathematical problems in engineering， 2014（6）： 1?6.
[8] GE Liang， HU Ze， SHI Mingjiang， et al. New teaching methods and their effects on the data acquisition and interface technology course [J]. World transactions on engineering and technology education， 2015， 13（1）： 101?104.
[9] UMEH K， MOHAMED A. Intelligent system for identification of harmonics originating from single phase nonlinear loads [C]// Proceedings of 2005 IEEE Southeast Conference. [S.l.]： IEEE， 2005： 137?142.