郭凯铭
黑龙江财经学院
摘要:为保证开放式实验室的用电安全，防止由插座引发的火灾，本文中设计了一种具有电压、电流、功率和温度监测的智能无线控制电源插座。该智能无线控制电源插座，选用高性能单片机为控制器，通过电流传感电路、温度检测电路、功率测量电路等插座的功率进行实时在线监测和保护，通过GSM通信模块实现与实验室管理人员对实验室用电情况进行远程监测，确保开放实验室用电安全。
关键词：无线控制插座；电量测量；温度检测；过载保护
对于以培养“应用型人才”为目标的普通本科高校而言，加强学生实践能力的培养刻不容缓。培养学生的实践能力，实验室的作用不言而喻，为将有限的实验室最大限度的利用起来，开放性实验室的管理方法应运而生。然而，开放实验室的管理主要以学生自主管理为主，由于学生缺乏必要的安全意识以及学生的自由进出也难以管理，最近常有实验室出现火灾、爆炸等安全事故的报道。对于电子信息类专业学生而言，实验室的安全问题主要是插座用电引起的电火灾，此问题严重危害学生的生命安全。通常情况下，实验室的电源插座选用的是普通的电气插座，不能提供用电的安全保护。为此，提出一种智能无线控制电源插座的设计方案，用于保护学生实验室的用电环境，杜绝实验室火灾发生，为实验室的开放管理提供安全保障。
1 智能无线控制电源插座的总体设计方案
本设计根据开放实验室无线控制电源插座远程无线简单控制的实际情况，考虑到通信距离、设计成本等因素，选择GSM通信方式来实现。
从用电安全角度出发，实验室用智能无线控制电源插座应具备：过流保护、过压保护、功率保护、温度报警以及无线控制等功能。当插座接插用电设备后，将有电流输出，这时电流传感器开始工作，采集电源插座输出电流；如果电源插座所接用电设备过多时，将出现电流以及功率过大的情况，则启动保护电路断开输出。而当电压波动较大，超出20%时，也会启动保护电路断开输出。当插座输出电压、电流以及功率正常，但是由于其工作时间较长，引起温度升高而超出设定值时，其内部温度采集电路将启动保护电路断开输出，防止火灾发生。当该插座保护电路工作时，还将启动语音报警，并通过GSM短信方式发送给实验室的主管教师和PC机监控终端。此外，为方便对插座的开关控制，也可以通过无线方式控制其通断。根据智能无线控制电源插座的功能描述，其总体设计思路如图1所示。
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2 智能无线控制电源插座的硬件设计
设计中，控制器选用单片机STC15W4K58S4，温度传感器选用LM75A，电流传感器选用ASC712，功率采集选用专用电能测量芯片ADE7755，继电器选用固态继电器SRD-05VDC-SL-C，无线通信选用GSM模块—GTM900C，温度语音报警选用语音芯片WTN7实现。
2.1温度采集电路设计
温度传感器选用LM75A，LM75A是内置了一个带隙温度传感器和一个D/A转换器的数字传感器，控制器通过I2C总线与其进行通信。其温度采集电路如图2所示。
2.2电流采集电路设计
电流传感器选用ASC712，它是一个将电流转换成电压的器件，其电路如图3所示。
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2.3功率采集电路的设计
电能测量芯片ADE7755是一种单电源、低功耗的高精度电能测量集成芯片。将采集的电能信号经光电耦合器TLP521-4隔离后输出，送入到单片机的T0端，其测量电路如图4所示。
为了降低电源的纹波和噪声干扰，采取增加电容去耦电路等静电放电措施进行芯片的保护，防止芯片损坏。
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图4 ADE7755 功率采集电路
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2.4温度语音报警模块
温度语音报警选用语音芯片WTN7。WTN7芯片内置语音存储单元，3根控制口线，可以调用内置128段内置语音文件。其声音的调用由PWM+和PWM-引脚外接扬声器输出。WTN7芯片与控制器的接口电路如图5所示。
2.5 GSM 通信模块的电路设计
为实现远程无线通信，考虑到设计周期和制作成本，设计中根据实际情况选用华为公司生产的一款两频段GSM/GPRS无线模块—GTM900C。设计中GTM900C使用AT命令集，选用UART接口与控制器通信。
3 测试
利用所设计的插座，通过手机进行模拟的无线短信报警通信测试试验，试验时插座所带负载功率2500W，模拟温度35℃，控制器能够将模拟报警数据通过GSM模块以短信形式进行发送传输，手机均能接收到来自于GSM模块发出的报警短信。
4 结束语
本文所设计的智能无线控制电源插座能够实现过流、过压、过热、功率保护，且能通过手机短信实现远程无线短信的通断控制以及初值设置，并能进行语音报警提示。该系统能够保障实验室用电的安全，防止火灾发生，为实验室的开放管理提供了硬件基础，具有一定的应用和推广价值。
参考文献
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［2］陈晨，黄铁军，杨振中．单片机集群控制电源插座开断设计［J］．实验科学与技术，2015，13(4):207-211．
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