湖北民族学院信息工程学院 马传江 裘昕月 王映真 杨永超



多功能插线板的设计与实现

湖北民族学院信息工程学院 马传江 裘昕月 王映真 杨永超

【摘要】针对普通家用插线板缺少功率、电能的计量以及漏电保护功能，提出一种以STC15F2K60S2单片机为系统核心，可以实时测量并显示当前电压、电流、有功功率、功率因数、总电量等电气参数，以及漏电保护及过载保护功能的插线板设计方案。实验结果表明，本设计测量结果精确，使用便利。

【关键词】插线板；电气参数；漏电保护

0　引言

随着家用电器、电子数码产品和办公设备的广泛使用，插线板在这些设备中扮演着不可或缺的电器设备之一。人们对插线板的依赖性越来越强，家用电器的广泛使用，提高了人们的生活水平，也导致了因家用电器而引起的大量火灾。同时，据消防部门统计，近年来全国电气原因火宅事故达4万多起，平均每13分钟发生一起电气火灾占所有火灾事故的30%以上，插座问题是引起电气火灾的主要原因［1］。

市场上的普通家用插线板功能单一、结构设计简单、智能化程度低，插孔布局不合理，无保护功能和安全事故预防功能，极少的“智能插座”也只是具备定时开、关功能，无法对非正常状况进行检测与断电控制，并不具备真正的智能功能［2］。多功能插线板应在保持传统插线板的基本功能前提下，满足电子信息时代背景下对于电器使用过程中对插线板提出的新要求。为此，本文从电路理论入手，设计一种以STC15F2K60S2为信息处理核心的多功能插线板。这种插线板具有过流、过压保护以及实时显示当前电压、电流、有功功率和功率因数等智能功能，不但可以显示用电设备的使用状态，还能减少火灾事故的发生，对人们日常生活具有重大的意义。

1　系统总体设计

多功能插线板硬件系统由CS5460A电能计量、单片机控制系统、电压电流采集、漏电保护、系统供电及人机交互等电路组成，如图1所示。单片机作为系统的控制核心，处理电压电流采集信号以及通过读取CS5460A内部数据在LCD显示屏上显示结果，并结合漏电保护电路控制继电器实现插线板的智能开关和保护。

图1　系统框图

2　硬件设计

2.1STC15F2K60S2最小系统

该多功能插线板采用STC15F2K60S2单片机作为主控制芯片。STC15F2K60S2单片机为增强型51内核，单时钟机器周期，速度比传统51内核单片机快8～12倍［3］。具备集成高精度R/C时钟和高可靠的复位电路，不需要外接晶振和复位电路，性能优良。

2.2CS5460A测量电路

CS5460A是一个包含两个模-数转换器（ADC）、高速电能计算功能和一个串行接口的高度集成的模-数转换器。CS5460A使用低成本的分流器或互感器测量电流，使用分压电阻或电压互感器测量电压。具有与微控制器通讯的双向串口，芯片的脉冲输出频率与有功率成正比［4］。CS5460A具有简便的片上AC/DC系统校准功能。由CS5460A芯片构成的电压电流采集电路如图2中所示。

为使采集电压电流信号的结果更加安全准确，本设计采用（DLPT01）电压互感器和（HWCT-20A/20mA）电流互感器。互感器的输出信号经Δ-Σ调制器以（MCLK/K）/8Sps的速度采样，每对瞬态电压电流的采样数据相乘，得到瞬态有功功率的值；每个采样周期后，新的瞬态功率值存入瞬时功率寄存器，N个瞬时功率采样值作为一组，即可以计算出有功功率的值，有效值同样利用近N次的采样值计算。这些值可以从RMS电压寄存器和RMS电流寄存器中读出。最后将读出的数据输出到LCD上，提供数据给用户。

图2　CS5460A计量模块

2.3漏电保护电路

漏电保护电路一般由检测元件、中间放大环节及操作执行机构组成。本设计的漏电保护电路如图3所示。设备正常运行时，零序电流互感器中磁平衡，感应线圈上没有感应电流，电路不动作。当设备外壳漏电或发生人体触电时，电流平衡被破坏，零序电流互感器原有的磁平衡被打破，感应线圈出现感应电流，SG54123芯片检测到信号立即在7引脚输出高电平信号，向单片机发出中断请求，单片机中断响应，控制继电器断开电路，确保用电安全。

图3　漏电保护电路

2.4人机交互

本设计选用的NOKIA5110 LCD显示屏作为人机交互界面，具有体积小，低电压供电，功耗极低，正常显示时的工作电流在200μA 以下，同时显示4行中文字符，有带背光及掉电模式等优点。与数码管，1602，12864等相比，具有性价比高，体积小，显示内容丰富等多优点，其超低功耗的特色体现了低碳节能。

2.5系统供电

系统供电部分由开关电源电路构成，提供12V，5V电压。电路中输出12V于漏电保护模块，5V供给CS5460A电能计量电路、单片机最小系统、LCD显示屏。并提供带充电功能的USB接口。

图4　程序流程图

3　软件设计

软件设计采用模块化结构，主要有信号采集和处理模块、CS5460A测量模块、液晶显示模块和控制继电器保护模块。

CS5460A具有数字校准功能，用户通过设定值输入到CS5460校准命令寄存器即可实现不同的校准功能。LCD显示屏采用SPI通信协议，利用软件控制单片机的I/O口实现SPI通信。插座通电后，系统进行初始化。通过读取CS5460A中电流的瞬时值、有效值，电压瞬时值、有效值及有功功率进行检测，并对数据进行处理，LCD将处理后的数据输出显示。漏电保护功能由硬件保护电路检测，出现漏电立即发送信号给单片机外部中断入口，单片机接收信号后控制继电器立即切断电路，实现漏电保护。主程序程序框图如图4所示。

4　系统调试

经过测试，本文设计的插线板能够实时的显示当前电压、电流、有功功率、功率因数及总电量，实验结果精确。

5　结论

本文设计的多功能插线板集成漏电保护和参数实时显示功能于一体。多功能插线板的创新设计，不仅解决了传统功能单一化的问题，还能够实时显示当前电压、电流、有功功率、功率因数、总电流等多种参数。实验结果显示，本装置电路新颖，实用性强，可大大提高用电特别是家庭用电的安全性，使人们的生活更加安全，应用前景十分广阔。

参考文献

［1］宋栓军.一种多功能插线板的创新设计［J］.2009.

［2］姚文轩.多功能智能插座的设计［J］.2010.

［3］徐爱钧.STC15增强型8051单片机C语言编程与应用［M］.北京.电子工业出版社，2014.

［4］CS5460A中文数据手册.