實驗室安全用電智能插座的設計

遼寧工業大學 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，實現電能監測、過流保護、過溫保護、異常供電報警、無線通信監控電器狀態、定時斷電和人走自動斷電等功能，為實驗室安全用電和節能提供技術保障。

1 系統原理與設計

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

系統以STM32微控制器為核心，控制其他單元電路共同實現電能監測、過流保護、過溫保護、異常供電報警、無線通信監控電器狀態、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生異常，如過流、過溫等異常工作狀態，主控制器將驅動繼電器切斷插座供電。系統實時檢測與手機藍牙的連接狀態，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，系統通過OLED顯示單元顯示相關電能參數、藍牙連接狀態、系統工作狀態和定時時間等信息。

2 系統硬件設計

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 用電參數監測單元

本設計中用電參數監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。用電參數監測單元電路如圖2所示。

圖2 用電參數監測單元電路圖

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。可以精確測量瞬時電壓、電流、瞬時功率、有功功率等參數，被廣泛應用于電表開發。CS5463還有便利的系統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

本系統使用0.96寸OLED12864顯示屏顯示系統的相關信息。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

本系統軟件部分采用STM32庫函數進行編程，所使用的編譯環境為Keil MDK5。主程序流程圖如圖3所示。

圖3 系統程序流程圖

系統上電工作后，首先進行系統初始化。主控制器通過SPI協議與用電參數監測單元進行通信，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行。驅動OLED顯示相關電能參數信息。系統實時檢測當前藍牙連接狀態，若是藍牙連接狀態為未連接，則也會停止插座供電。

4 系統測試

系統測試中，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，符合系統要求。

結論：根據對各功能測試結果分析，本系統裝置可實現對用電設備的電能參數進行監控，此外手機界面操作更加直觀，用戶操作更加方便，系統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。