基于STM 32的智能省電無隱患插座設(shè)計

馬 梅，徐言飛，王 鵬，朱 杰

(揚州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇揚州225127)

基于STM 32的智能省電無隱患插座設(shè)計

馬 梅，徐言飛，王 鵬，朱 杰

(揚州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇揚州225127)

針對人們用完電器設(shè)備通常不切斷其供電電源致使其待機消耗大量能源的用電習(xí)慣，設(shè)計了一種基于ARM系列單片機STM32F103的具有監(jiān)測設(shè)備用電狀態(tài)和自動斷電的智能省電插座。給出了插座的硬件電路設(shè)計構(gòu)架，以及電壓、電流監(jiān)測電路，闡述了開關(guān)插座的軟件設(shè)計方案。為了實現(xiàn)操作簡單、快捷，設(shè)計的智能省電插座和普通的家用遙控器能相互兼容，該設(shè)計方案能使人們一鍵操作輕松解決待機能耗的問題，同時有效地延長了電器的安全使用壽命，具有節(jié)能、方便、安全的特點。

智能插座;節(jié)能;無隱患;STM32F103

待機能耗是指電器雖然沒有使用，但其插頭仍然插在插座的狀態(tài)下所消耗的電能。隨著電器產(chǎn)品智能化的提升，導(dǎo)致待機能耗迅速增長，整個家庭和社會付出了太多的代價。據(jù)中國節(jié)能認(rèn)證中心對家庭待機能耗做過的調(diào)查顯示，待機能耗占到家庭電力消耗的10%左右，僅以電視機為例，平均每臺電視機的待機能耗是8.07W，按每天待機10 h大約耗電0.08度。待機能耗引起的資源和環(huán)境問題越來越受到社會的廣泛關(guān)注，智能省電插座因其方便、節(jié)能成為國內(nèi)外新節(jié)能產(chǎn)品的研究熱點［1-4］。

本文設(shè)計的智能省電插座在用戶將插座中主要設(shè)備關(guān)閉后，造成電路中電流驟減，基于ARM系列單片機STM32F103的微控制器能迅速檢測到電流減小，從而認(rèn)定主要設(shè)備關(guān)閉，之后切斷插座電源，智能插座上的所有用電設(shè)備將全部實現(xiàn)自動斷電。為了實現(xiàn)操作簡單、便捷，設(shè)計智能省電插座和普通的家用遙控器能相互兼容，即用戶可以用任一遙控器開啟、斷開智能插座中插孔電源。

1 智能省電插座設(shè)計構(gòu)架

基于此智能省電插座的功能需求，構(gòu)建基于STM32的主控模塊、電壓電流監(jiān)測模塊、紅外模塊、電源通斷模塊、數(shù)碼管顯示模塊等構(gòu)成本系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能省電插座構(gòu)建框架

電源通斷模塊主要由繼電器構(gòu)成，它用于接收主控模塊發(fā)出的插孔通、斷電指令，執(zhí)行接通或切斷插孔電源的操作。

紅外模塊能接收電視機遙控器的信號，電壓、電流檢測模塊能檢測插座主線路的電壓值和主、副插孔的電流值，這幾路數(shù)據(jù)均傳送給主控模塊，主控模塊根據(jù)紅外模塊傳遞的信號以及電壓值、電流值給通斷模塊發(fā)出通、斷電的指令，能夠在插座中的主要設(shè)備關(guān)機的情況下，有效切斷同一插座上其他外設(shè)的電源，達(dá)到節(jié)能的目的。

2 智能省電插座硬件設(shè)計

2.1 電壓監(jiān)測電路

電壓監(jiān)測部分主要由交流電壓互感器以及運放電路構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 為電壓監(jiān)測電路

該交流電壓互感器初級通過在電路中串入電阻，將電壓轉(zhuǎn)換成電流，經(jīng)互感器作電流變換后，次級輸出電流信號經(jīng)取樣電阻轉(zhuǎn)換為所需要的電壓。所選的交流互感器的額定輸入電流和額定輸出電流之比為2 mA∶2 mA，計算可得初級的限流電阻為 220×V/2 mA≈150 kΩ，為留有裕量，實際設(shè)定的初級限流電阻200 kΩ略大于此值。由此可得到初級的電流值為 220×V/ 200 kΩ≈1.55 mA，互感器次級加在R10上的電壓值VR10=1.55 mA×100Ω=155 mV。

在運算放大器部分，根據(jù)其虛短、虛斷的特點［5］，計算出輸出電壓值為

式中:Rf/R1為反饋電阻與輸入電阻的比值;Vi為R10兩端的電壓值 VR10與參考電壓 Vref的疊加，即為(VR10+Vref)。將Vi=VR10+Vref代 入式(1)中化簡得到

據(jù)式(2)可知，與零參考電壓比較，運放的輸出電壓被抬高Vref，此設(shè)計用以確保運放的輸出電壓始終為正值。如此，Vo的最大值為

最小值為

此范圍在主控單片機STM32F103檢測范圍之類，單片機通過相應(yīng)的算法可以得到插座主線路中的電壓值，從而給電源通斷模塊下述通、斷指令，提供過壓斷電的安全保護(hù)措施，保證用電安全。在圖2所示的電壓監(jiān)測電路中，互感器輸入端接220 V交流市電，運放參考電壓Vref接1.25 V，運放輸出端與STM32F103的PA0引腳連接。

2.2 電流監(jiān)測電路

電流監(jiān)測部分主要由電流互感器以及運放電路構(gòu)成。

電流互感器的作用是可以把數(shù)值較大的一次電流通過一定的變比轉(zhuǎn)換為數(shù)值較小的二次電流，用來進(jìn)行控制、保護(hù)和測量等用途。所選的電流互感器可以把實際為5 A的電流轉(zhuǎn)變?yōu)? mA的電流。

主、副插孔電流監(jiān)測電路分別如圖3、圖4所示。

人類掌握知識需要實踐和內(nèi)化的過程，新生入學(xué)教育也無法脫離這個規(guī)律。研究生新生入學(xué)教育不能追求一蹴而就，而應(yīng)該是一個緩慢推進(jìn)的過程。特別是當(dāng)其有了一定體驗和經(jīng)歷后，碰到后續(xù)研究與生活過程中的問題和困惑時，往往也是我們鞏固前期入學(xué)教育的好時機。研究生新生入學(xué)教育工作也是一項長期系統(tǒng)工程，研究生入學(xué)教育不應(yīng)只停留在開學(xué)后的幾天或者幾周。也可以衍生到開學(xué)后的一段時間甚至是一個學(xué)期嚴(yán)格組織實施，并對實施情況根據(jù)評估，總結(jié)經(jīng)驗，形成更加系統(tǒng)性、規(guī)范化的研究生迎新入學(xué)文化。

圖3 主插孔電流監(jiān)測電路

設(shè)計方法與圖2的電壓監(jiān)測電路類似，運放參考電壓Vref接1.25 V，輸出電壓仍然被抬高1.25 V，互感器次級加在R28兩端的電壓為5 mA×100Ω=500 mV，為確保運放輸出端的電壓值為正，最小電壓值-0.5 V×Av+1.25 V必須大于零，由此可得放大倍數(shù)Av＜2.5，本文中放大倍數(shù)設(shè)計為(1+10/10)=2。因此運放輸出的最大電壓為0.5 V×2+1.25 V=2.25 V，最小電壓為-0.5 V×2+1.25 V=0.25 V，此范圍仍然在主控單片機STM32F103檢測范圍之類，單片機通過濾波算法可得到主、副插孔線路中的電流值，從而給由繼電器構(gòu)成的電源通斷模塊相應(yīng)的通、斷指令。

圖4 副插孔電流監(jiān)測電路

在圖3和圖4中，主、副插孔的通、斷由繼電器模塊控制，繼電器控制端RELAY1、RELAY2與STM32的PB8、PB9相連，主、副插孔運放輸出端CUR2、CUR1分別與STM32的PA1、PA2引腳連接。單片機STM32對CUR2、CUR1值進(jìn)行濾波算法處理，可得到主、副插孔線路中的電流值，從而給繼電器模塊控制端RELAY1、RELAY2通斷指令，控制主、副插孔的通、斷電。

3 智能省電插座軟件設(shè)計

為實現(xiàn)智能省電插座智能化、節(jié)能化的功能，在智能插座的主程序設(shè)計中，設(shè)置一個表示繼電器狀態(tài)的標(biāo)志位relay_flag，當(dāng)主、副插孔均處于斷開狀態(tài)時，標(biāo)志位relay_flag為0;當(dāng)接收到遙控器的紅外信號，讓主插孔通電并且標(biāo)志位relay_flag設(shè)定為1;接著如果在2 s鐘內(nèi)檢測到主插孔中有電流，讓副插孔通電并且設(shè)定標(biāo)志位relay_flag為2;在標(biāo)志位為2的前提下，判斷主插孔中是否有電流，如果沒有則將兩個插孔均斷開無電，且標(biāo)志位回歸為0。主程序流程圖如圖6所示。

4 智能省電插座綜合調(diào)試

對設(shè)計的智能省電插座進(jìn)行軟硬件綜合調(diào)試，首先接通電源，把智能插座電源接入外部電源插座，再將電視機電源插頭接入智能插座的主插孔上(圖7中右邊兩個插孔表示主插孔)，其他如機頂盒、Modem等輔助設(shè)備接入副插孔(圖7中左邊三個插孔表示副插孔)。

圖6 程序流程圖

圖7 智能省電插座

其次發(fā)送紅外信號，先朝向智能插座按下電視遙控器按鍵，發(fā)送紅外信號將智能插座開啟，能聽到繼電器吸合的咔嚓聲表明控制主插孔的繼電器吸合使得主插孔通電，與此同時數(shù)碼管上顯示“on”;接著朝向電視機按下遙控按鍵開啟電視，2 s內(nèi)再次聽到繼電器吸合的咔嚓聲表明副插孔也通電可以正常工作，副插孔中的輔助設(shè)備全部正常開啟，電視可以正常觀看，數(shù)碼管上跳動顯示電視機正常工作時智能插座主線路上的電壓值，以及主、副插孔的電流值，如圖8所示。

圖8 開啟時數(shù)碼管上顯示智能插座主、副插孔的電流值

最后使用遙控關(guān)閉電視使其處于待機狀態(tài)，2 s內(nèi)可以聽到兩聲咔嚓聲表明主、副插孔均斷開，數(shù)碼管中顯示“off”，接著數(shù)碼管顯示的主、副插孔的電流值均為零。如圖9所示。

圖9 待機時數(shù)碼管上顯示智能插座主、副插孔的電流值

5 結(jié)論

本文開發(fā)出的智能省電插座有如下特點:

1)使用紅外遙控技術(shù)控制插座中插孔是否通電，所設(shè)計智能省電插座和普通家用遙控器能相互兼容，因此用戶只需要多按一次按鍵輕松解決待機能耗問題。

2)當(dāng)用戶關(guān)閉插座中主要設(shè)備后，電路中電流驟減，插座內(nèi)基于STM32單片機的微控制器能迅速檢測到電流減小，從而認(rèn)定主要設(shè)備關(guān)閉，之后切斷電源，節(jié)能插座上的用電設(shè)備將全部自動斷電。

3)電器不再處于長期待機的狀態(tài)，因此可以有效延長電器的安全使用壽命，在不改變使用習(xí)慣的前提下真正做到了節(jié)能、方便，更除去了大家的安全隱患。

［1］馬艷.智能插座在高校節(jié)能減排工程中的設(shè)計和應(yīng)用［J］.科技通報，2013，29(9):102-105.

［2］陳海旺，張振娟，黃明.智能家居中無線智能插座系統(tǒng)設(shè)計［J］.電視技術(shù)，2013，37(21):80-83.

［3］張伯泉，張旭紅，賈茂盈，等.基于狀態(tài)記憶的智能插座研究［J］.測控技術(shù)，2013，33(3):125-131.

［4］黃界.基于 AVR的智能節(jié)能插座設(shè)計［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2010(12):188-190.

［5］楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程［M］.北京:高等教育出版社，1998.

Design of Intelligent Power-saving Socket Based on STM 32F103

MA Mei，XU Yanfei，WANG Peng，ZHU Jie
(Yangzhou Polytechnic Institute，Jiangsu Yangzhou 225127，China)

After stopping using electrical appliance，it is not often cut off thatpower source，whichmakes themachines stay in the standbymode and wastes a large amount of power.In view of this situation，a new intelligent socket is proposed，which can check the running status of device and cut off power automatically based on STM32F103.The design framework of the socket hardware circuits is presented.The key sub-circuits，such as test subcircuit of voltage and currentare discussed.The scheme of the software design of the socket is elaborated.In order to realize the simple，convenientoperation，remote control design of intelligent power-saving socket and homestic common remote controller can be compatible with each other.This scheme can help people realize one operation solution of the standby power consumption easily and prolong the service life of electrical safety at the same time.The test results show that the socket has the advantages of energy-saving，convenience and safety.

intelligent socket;power-saving;no hidden dangers;STM32F103

TN915

A

馬 梅，(1980—)，女，碩士，講師，主要研究方向為應(yīng)用電子技術(shù)以及微電子技術(shù)。

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2014-09-11

【本文獻(xiàn)信息】馬梅，徐言飛，王鵬，等.基于STM32的智能省電無隱患插座設(shè)計［J］.電視技術(shù)，2014，38(23).

江蘇省“十二五”高等學(xué)校重點專業(yè)建設(shè)項目(蘇教高［2012］23號);江蘇省高等教育人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新實驗基地建設(shè)項目(蘇教高［2010］17號)