多功能智能插座電路設(shè)計(jì) —電路圖天天讀（248）

　　普通家用插座僅具有導(dǎo)通斷電功能，沒(méi)有保護(hù)功能和安全事故預(yù)防功能等文章介紹了一種以微功耗單片機(jī)PIC16F877A為控制核心帶有定時(shí)通斷和過(guò)流過(guò)壓保護(hù)溫度檢測(cè)報(bào)警功能的多功能智能插座，還論述了智能插座的構(gòu)成與工作機(jī)理，以及電流 電壓測(cè)量方法和單片機(jī)的保護(hù)控制原理，并給出了硬件電路原理圖和主程序流程圖。文章主要講述了所設(shè)計(jì)的智能插座對(duì)檢測(cè)用電器的工作狀態(tài)對(duì)非正常狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警和斷電，具有安全可靠使用方便等特點(diǎn)。

　　1 插座的構(gòu)成與工作原理

　　1.1 插座的構(gòu)成

　　多功能智能插座硬件系統(tǒng)由狀態(tài)檢測(cè)模塊 單片機(jī)系統(tǒng)模塊電源模塊等組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示插座的檢測(cè)模塊包括三個(gè)部分：溫度檢測(cè)電流檢測(cè)和電壓檢測(cè)單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心，處理各檢測(cè)信號(hào)和鍵盤(pán)輸入值，在LCD上顯示其處理結(jié)果，并通過(guò)控制繼電器實(shí)現(xiàn)智能插座的開(kāi)啟和關(guān)斷 電源模塊采用電容降壓原理，即利用電容在一定的交流信號(hào)頻率下產(chǎn)生的容抗來(lái)限制最大工作電流 電源模塊由插座接頭引入220 V交流電壓，經(jīng)過(guò)4.7 F聚丙烯電容降壓，再經(jīng)二極管半波整流，12 V穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓，電容濾波，LM317穩(wěn)壓輸出5 V直流電壓，給單片機(jī)顯示器等提供電源。

　　1.2 狀態(tài)檢測(cè)模塊

　　1.2.1 電壓信號(hào)采集與調(diào)理模塊

　　多功能智能插座電壓信號(hào)的采集采用電阻分壓的原理，如圖2所示電網(wǎng)電壓220 V經(jīng)電阻R1 R2分壓變?yōu)榈? 5 V電壓信號(hào)，經(jīng)二極管半波整流，再經(jīng)RC低通濾波，截止頻率f=1/ （2 R C），最后將直流電壓V（t）送至單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換輸入口RA0。

　　1.2.2 電流信號(hào)采集與調(diào)理模塊

　　電流信號(hào)的采集利用歐姆定律U=IR的原理，將大電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成小電壓信號(hào)如圖3所示，電流信號(hào)I （t）經(jīng)

　　錳銅小電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)U（t），再經(jīng)運(yùn)算放大器LM324單級(jí)負(fù)反饋放大，電壓增益A=（-R3/R2）RC低通濾波后將電壓U（t）送至單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換輸入口RA1。

　　1.2.3 溫度檢測(cè)模塊

　　溫度信號(hào)的采集選用美國(guó)Dallas公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器DS18B20，它具有三引腳TO-92小體積封裝形式，溫度測(cè)量范圍為-55 +125 ，可編程為9 12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率可達(dá)0.0625由于DS18B20只有1個(gè)串行通信接口，與單片機(jī)的連接電路非常簡(jiǎn)單，只需和單片機(jī)的1個(gè)I/O端口連接即可，如圖4所示，它是和單片機(jī)RB0相連的DS18B20的I/O口屬于漏極開(kāi)路輸出，則外接上拉電阻后常態(tài)呈高電平。

　　1.3 單片機(jī)系統(tǒng)模塊

　　根據(jù)低成本低功耗的要求，選用PIC16F877A單片機(jī)PIC16F887A運(yùn)行速度快功耗低體積小，可直接驅(qū)動(dòng)液晶顯示器［4-5］；RB4RB7端口具有跳變中斷功能，方便接收鍵盤(pán)輸入信號(hào)；具有一個(gè)10位多通道A/D轉(zhuǎn)換器；另可進(jìn)入休眠模式，降低功耗單片機(jī)系統(tǒng)硬件原理圖如圖4所示，RA0和RA1分別作為插座電壓和電流信號(hào)A/D輸入端，RB0作為溫度信號(hào)的輸入端，RB4RB7用于接收鍵盤(pán)按鍵輸入，RC0 RC2用于和時(shí)鐘芯片DS1302的通信，RC3用于控制繼電器的開(kāi)關(guān)切換，RC4RC5用于控制LED指示燈，RC7用于控制蜂鳴器，RD0RD7和RE0RE2用于連接LCD1602。

　　1.3.1 開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊

　　開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊的功能是實(shí)現(xiàn)弱電對(duì)強(qiáng)電的控制單片機(jī)RC3口輸出電平的變化切換繼電器的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的開(kāi)/關(guān)控制 繼電器采用5 V繼電器HRS4-S-DV5V，驅(qū)動(dòng)電流為70 mA，常閉端最大可切換電流可達(dá)10 A 因繼電器電流大于PIC單片機(jī)I/O最大驅(qū)動(dòng)電流（25 mA），在RC3輸出端接入NPN的三極管8050，增強(qiáng)其驅(qū)動(dòng)能力。

　　2 軟件設(shè)計(jì)

　　程序設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要有信號(hào)采集和處理模塊鍵盤(pán)管理模塊LCD顯示模塊定時(shí)模塊和插座動(dòng)作控制模塊

　　插座上電后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化初始化程序主要完成對(duì)單片機(jī)專用寄存器的設(shè)定，單片機(jī)工作方式及各端口的工作狀態(tài)的設(shè)置系統(tǒng)初始化之后進(jìn)入主循環(huán)，進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)，即溫度電流電壓檢測(cè)，并在LCD上顯示檢測(cè)結(jié)果當(dāng)單片機(jī)得到的溫度信號(hào)電流信號(hào)或電壓信號(hào)超過(guò)一定的限度，單片機(jī)會(huì)立即通過(guò)蜂鳴器和LCD報(bào)警，并控制繼電器切斷負(fù)載回路 此外，若用戶開(kāi)啟節(jié)能功能，當(dāng)電流值小于某一規(guī)定值時(shí)，單片機(jī)將進(jìn)入休眠模式節(jié)電主程序流程圖如圖5所示。

　　系統(tǒng)鍵盤(pán)為4個(gè)獨(dú)立按鍵，采用RB口中斷的方式檢測(cè)鍵盤(pán)按鍵當(dāng)RB4按下，顯示器進(jìn)入定時(shí)設(shè)置界面完成定時(shí)設(shè)置后，復(fù)位并啟動(dòng)DS1302，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定時(shí)當(dāng)DS1302分鐘寄存器和小時(shí)寄存器中值的變化大小等于定時(shí)設(shè)置值，此時(shí)，插座定時(shí)完成，單片機(jī)對(duì)繼電器進(jìn)行相應(yīng)的控制。

　　編輯點(diǎn)評(píng)：本文介紹了一種以微功耗單片機(jī)PIC16F877A為信息處理核心的多功能智能插座 這種插座具有溫度檢測(cè)過(guò)流過(guò)壓保護(hù)定時(shí)開(kāi)通定時(shí)關(guān)斷自動(dòng)報(bào)警自動(dòng)休眠狀態(tài)提示等智能功能。
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