实验室安全用电智能插座的设计

辽宁工业大学 电子与信息工程学院 刘 欢 曹洪奎 刘 鹏

随着高校实验室用电设备种类和数量的增多，因用电引起的火灾事故时有发生，实验室用电安全问题越来越受到高校的重视。实验设备使用不当会引起电源工作电流过大，严重时可能导致火灾，特别是开放性创新实验室，难以保证每次用完设备后都会及时关闭电源，造成电能浪费和安全隐患。因此，设计一种实验室安全用电智能插座，实现电能监测、过流保护、过温保护、异常供电报警、无线通信监控电器状态、定时断电和人走自动断电等功能，为实验室安全用电和节能提供技术保障。

1 系统原理与设计

本文设计的实验室安全用电智能插座，主要由STM32主控制器、用电参数监测电单元、显示单元、蓝牙通信单元、实时时钟单元、继电器单元、报警单元、电能转换单元和按键输入单元组成。系结构框图如图1所示。

图1 实验室安全用电智能插座结构框图

系统以STM32微控制器为核心，控制其他单元电路共同实现电能监测、过流保护、过温保护、异常供电报警、无线通信监控电器状态、定时断电和人走自动断电等功能。STM32主控制器等待与用户手机蓝牙的连接，建立连接后接收手机端发送的控制指令，若启动定时供电功能，主控制器会通过实时时钟单元进行计时供电，同时通过由CS5463构成的用电参数测量单元监测用电电流、功率和温度等参数，到达定时时间时通过控制继电器自动切断插座供电。当插座供电时电能参数发生异常，如过流、过温等异常工作状态，主控制器将驱动继电器切断插座供电。系统实时检测与手机蓝牙的连接状态，若蓝牙连接已断开，表示人已离开，则自动停止插座供电。同时，系统通过OLED显示单元显示相关电能参数、蓝牙连接状态、系统工作状态和定时时间等信息。

2 系统硬件设计

2.1 主控制器单元

主控制器单元采用32位微控制器STM32F103VET6，该控制器基于32位的Cortex-M3内核，最高CPU工作频率达72MHz，集成了丰富的片内外设资源，包括A/D、D/A，GPIO，满足智能插座的控制需求。

2.2 用电参数监测单元

本设计中用电参数监测单元采用的主控制芯片为CS5463，外接电流互感器、电压互感器及其外围电路，实现电能参数的测量。用电参数监测单元电路如图2所示。

图2 用电参数监测单元电路图

CS5463是一款功能强大的电能参数测量芯片，内部由两个ΔΣ模拟-数字转换器、功率计算功能、电能变频器及串行总线接口组成。可以精确测量瞬时电压、电流、瞬时功率、有功功率等参数，被广泛应用于电表开发。CS5463还有便利的系统芯片校正功能和温度传感器、电压下降感知、相冲补偿功能。

2.3 显示单元设计

本系统使用0.96寸OLED12864显示屏显示系统的相关信息。本设计中OLED12864显示屏就是一个128(width)×64(height)点阵。在坐标系中，左上角是原点，X轴水平向右数值增加，Y轴竖直向下数值增大，屏幕由SSD1306驱动，驱动接口为IIC，除去电源和地外仅需要时钟信号引脚SCL和数据收发引脚SDA就可以控制屏幕显示，在连接主控芯片时仅占用两个I/O口。

2.4 蓝牙通讯单元

蓝牙通讯单元电路的设计是为了用户可以通过手机来控制整个系统的工作方式，通讯方式为串口通信。选用的是HC05蓝牙模块，该模块是一款高性能主从一体蓝牙串口模块，可以同各种带蓝牙功能的电脑、蓝牙主机、手机、PDA、PSP等智能终端进行蓝牙通信。

2.5 实时时钟单元电路设计

本系统中采用STM32内部自带的RTC实时时钟单元电路来完成定时功能。STM32内部的实时时钟（RTC）是一个独立的32位定时器。在相应软件配置下，可提供时钟日历和闹钟等的功能。

2.6 继电器单元电路设计

选用继电器作为开关控制实现插座通断电功能。使用继电器线圈来接收微控制器的控制信号，而且可以使用触点来发送和输出信号，因此可以避免强电信号和弱电信号之间的直接连接，从而实现了抗干扰隔离。

3 程序设计

本系统软件部分采用STM32库函数进行编程，所使用的编译环境为Keil MDK5。主程序流程图如图3所示。

图3 系统程序流程图

系统上电工作后，首先进行系统初始化。主控制器通过SPI协议与用电参数监测单元进行通信，获取相应的电能参数，包括电压、电流、功率以及CS5463芯片周围温度，同时主控制器等待手机端发送来的指令，其中包括开关供电、定时供电、回显数据等指令，若收到相应指令，则会响应串口中断处理函数对指令进行接收并执行。驱动OLED显示相关电能参数信息。系统实时检测当前蓝牙连接状态，若是蓝牙连接状态为未连接，则也会停止插座供电。

4 系统测试

系统测试中，测量市电的电压、装置的电流、用电设备的有用功率、功率因数以及芯片周围温度值等数据。

采用安泰信AT980E焊台作为用电负载，插入到装置的插座。当前市电电压为223V，系统电流0.33A，AT980E焊台有用功率为71W，功率因数为0.71，芯片周围温度为22℃。各项参数测量准确，符合系统要求。

结论：根据对各功能测试结果分析，本系统装置可实现对用电设备的电能参数进行监控，此外手机界面操作更加直观，用户操作更加方便，系统装置具有过温过流保护的功能、具有灵活的定时断电功能和人走自动断电功能，具有良好的实用价值。