智能插座控制系统的设计

智能插座控制系统的设计

摘要：插座使用了一个集成电路LM339,重点阐述了该插座的硬件主要构成，各部分的主要作用及设计过程。设计方案的核心部件是继电器，通过硬件的合理设计，使系统能满足控制模型中不同阶段的要求。而电路控制模块则通过控制继电器的导通和断开，从而控制电源的通与断，使控制具有灵敏、可靠、抗干扰能力强等优点。定时直接由人工设定，当使用大功率用电器的时候，突然断电，再次来电，可以起到智能的断电的保护作用，从而防止火灾事故的发生。 关键词：集成电路 继电器 定时器 引言

集成电路以其高集成度、体积小、质量轻、应用灵活且具有良好的性能价格比等优点在电子产品中的应用已经越来越广泛，因而适用于各种不同场合的电压比较测试控制装置应运而生，并发挥着极其重要的作用。在日常生活、工农业生产和科学实验中。一般情况下，当检测和定时的系统一旦确定时,其电压值大小和时间等各项硬件条件就确定了。这时,影响系统平衡的因素主要有:电压的大幅度的波动，系统周围的环境温度,以及时间控制方式和调节方法等。目前过载保护的控制及时间的控制方法有很多种,其中有的方法达到的控制相当的不精确，时间误差非常大。而本文给出的集成电路对过载保护精确度非常高及定时系统非常之精确。

本方案结构简单，应用范围广，可以作为普通用户使用，还可以用于大型厂房用电器的过载保护及时间控制功能，智能断电。且具有操作方便,控制灵活，节约电能等优点。 1.概述 1.1 系统概述

本设计基本思路是:在我们平时使用大功率用电器的时候，由于各方面的原因突然断电，人们一般无意识的去拔掉用电器，当再次来电的时有时会发生事故，此时对我们的生命和财产造成严重的威胁，为此我们采用了使用大功率用电器时突然断电，而又再次来电时为确保生命和财产的安全，我们研制了智能型断电功能-----通电之后插座不能使用。其次是定时功能：晚上给手机等用电器充电时，

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我们不能定一个闹钟而使其饱和时半夜起床拔掉用电器。为此，我们研制出了定时功能；从而在保证我们睡眠质量的同时又保证了用电器的使用寿命。最后，我们还设计了过压保护，对保护用电器起到了非常重要的作用。 1.2 总体设计方案

方案1：全硬件设计。基本思想是运放LM339构成电压比较器,反相输入参考电压,正相输入信号电压,当信号电压超过参考电压时,电压比较器输出电平发生跳变,从而给控制电路一个信号，控制电路根据收到的信号决定是否工作,以保持恒定的电压。

方案2：软硬件结合。基本思想是根据设计思路输入电压的比较，将比较结果传送到控制电路，控制电路根据收到的信号决定是否工作,以保持恒定的电压。由于电压范围有所控制，并且同时由集成电路等继电器来决定控制电路工作与否，在一定程度上可以大大减少误差，在操作上也比较方便。

本设计是一个典型的检测、控制型应用系统，要求系统完成从电压检测、信号处理、输入运算到输出控制和显示以实现电压控制及定时的控制和智能型断电的全过程。因此，以集成电路、继电器、定时电路以满足控制应用类型的功能需要。另外，集成电路的使用也为实现电压的智能化控制以及提供完善的控制功能，继电器控制电路的通与断。而这些功能也在常规插座中往往是难以实现或无法完成的，所以本设计将采用方案二。 1.3 主要技术指标

温度设定范围为：-20 ºC～ 80 ºC 温度控制静态误差：小于等于1ºC； 控制输入电压：大于250V 2.单元电路设计 2.1通道

前向通道是信息采集的通道,主要包括电压检测、电压比较、定时、继电器等电路。由于电压过高是一个对用电器非常危险的过程,因此通道中采用集成电路对电压进行比较。按设计要求电压控制静态误差≤1ºC,电压设定范围为大于等于250V,温度设为-20ºC～80ºC,则系统控制的总误差应不大于1.56%,分配到前向通道的信号采集总误差应不大于系统总误差的1/2,即精度应为0.78%。

在电路中，电压控制的输入后产生0-5V的模比较电压信号送入LM339的输

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入端，LM339将模拟量转换为数字量，通过一定的电路进行运算处理，通道设计包含以下几个方面：

(a)集成电路选择

集成电路的种类较多。电压的控制难度大，因而灵敏度较低。但LM339是美国一家知名公司生产的二端式集成电路，具有体积小﹑重量轻﹑线形度好﹑性能稳定等一系列优点。它的测压范围为0V～20V，满刻度范围误差为±0.03V，当电源电压在2～36V之间，稳定度为1%时，误差只有±0.01ºC,完全适合用于本设计对电压测量的要求。另外，LM339是温对于提高系统抗干扰能力也有很大的帮助，因此本设计选用LM339作为电压比较电路。

需要注意的是，在使用LM339时，为了避免器件与水的的直接接触，应将集成电路装入保护套管中，或将器件用聚四氟乙烯﹑硬质乙烯树脂等材料密封，以避免水对电路造成危害对集成电路腐蚀和对测量精度产生影响。

(b)时间控制电路

图中采用集成度非常高的数字电路, 而运算放大器的输入失调电流及其零点漂移相对较小，可忽略不记。因此可采用通用型的数字定时控制电路。

(c)继电器

继电器有很多，速度最快，但成本过高，且精度不是太高；而我们采用的继电器精度高，抗干扰能力强，且速度快，适合转换缓慢变化的信号；为此有较高的转换精度，工作速度中等，成本低等优点，因此获得广泛的应用。

在本设计中，由于通道总误差为0.78%，系统对信号采集的速度要求也不高，故选用价格低廉的四引角的继电器：品牌：AIKS、型号：ARL2F、线圈电源：6V-380V（V）、线圈功率：DC≤0.9 AC≤1.2VA（W）、吸合电压：AC80%（V）、释放电压：AC≥30%（V）、外形尺寸：28*21.5*36（mm）,转换精度为0.39%，对应误差为0.234ºC。

2.2集成电路基本系统

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LM339集成块内部装有四个的电压比较器，该电压比较器的特点是： 1） 失调电压小，典型值为2mV

2） 电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V 3） 对比较信号源的内阻较宽 4） 共模范围很大，为0~（Ucc-1.5V）Vo

5） 差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压 6） 输出端电位可灵活方便地选用

LM339集成块采用C-14型封装，图1为外型及管脚排列图。由于LM339使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如IR2339、ANI339、SF339等，它们的参数基本一致，可互换使用。

LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端，两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管。 2.3 定时电路

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图中所示电路有四个“非”们组成。震荡信号频率由C和电位器RP1,RP2的参数决定。改变电位器的阻值即可改变频率。频率调节范围可达20：1.电位器RP2的阻值决定输出波形T1的宽度，电位器RP2的阻值决定输出波形T2的宽度。我们使用定时器1，以工作方式1工作，定时器进行125ms定时。采用中断方法进行溢出次数的累计，当计满8次即得到1秒的计时。

电路用作简单定时用，如可设晚上12点自动停电，以保证充电的用电器安全。要在程序中设置相应的标志，以利于主程序识别。同样计时程序中还会有几个相关的标志，主要是控制程序流的转向。程序中我们都作了较详细的注释，这里不再赘述。 2.4 继电器

1 周围空气温度上限为+40℃，24h内其平均值不超过+35℃；周围空气温度下限为-5℃。周围空气温度是指电器附近周围的空气温度，而对具有外壳的电器，则是指外壳附近周围的空气温度。

注：电器预期用于周围空气温度上限超过+40℃，或下限低于-5℃的工作条件下，应根据有关产品标准或产品样本数据或供 动作性能

继电器在周围空气湿度-5~+40℃范围内，在控制电源电压为额定值（Us）的85%至110%范围内均应能可靠地吸合。此动作范围适用交流和直流。在控制电源电压为额定值（Us）的75%至20%（交流）或10%（直流）范围内释放。 2 动作时间

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a) 吸合动作时间25ms； b) 释放时间25ms。

表4 绝缘电阻

绝 缘 电 阻 测 试 点 常 温 常 湿 每组触点引出端间 各触点组间线 圈和触点间 线圈和轭铁间 100mΩ

表5 连接导线

试 验 电 流 范 围 A ＞0~8 ＞8~12 3.设计 3.1总体方案

以LM339集成电路，继电器为核心，一脚为信号输入端口，二脚为信号输出端口，三脚为输出控制端口。首先读入LM339输出的信号，运用合适的计算方法将输入信号转换成相应的十进制数值，然后控制电压，再将实测电压与设定电压进行比较判断输出相应的控制信号。

3.2 程序流程

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稳 态 湿 热 100mΩ 50mΩ 5mΩ 连 接 导 线 截 面 mm2 1.0 1.5 大学生挑战杯-------创业实践论文

输入

过载保护

电压比较 定时

继电器

薄膜开关 3.3 元件参数及电路

R1=1M R2=15K D2=IN4001 C1=4.7uf D1=IN4001 R3=47K R4=56K R5=56K IC=IM339 R6=10K

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输出 大学生挑战杯-------创业实践论文

D5=IN4001 J继电器 VD3=IN4001 Q=3DK005 IC2=定时电路

K=薄膜按键开关

4.制作与调试

4.1 硬件电路的布线与焊接

为了操作和维修方便，本设计将电源及主控制部分分开单独安装，分为三个部分，三个电路：集成电路、智能断电、定时通道。此外还增加了若干插口，以便各部件的连接。

硬件电路制作包括印刷线路板制作、焊接和系统连接等几个方面，印刷线路板的设计是在计算机上利用protel软件进行辅助设计。

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4.2 硬件调试

依次对集成电路基本系统集成电路、定时通道、智能断电分别进行调试。调试时可利用仿真器对接口地址进行读写操作，静态地测试电路各部分的连接是否正确；对于动态过程可以简短的调试配合硬件电路的调试。 4.2.1集成电路基本系统调试

(a)晶振电路

将仿真器晶振开关打到外部，此时应用示波器观察单片机时钟信号输入端是否有振荡信号，或检查晶振电路各器件参数。

(b)复位电路

按下复位按钮应使系统处于复位状态，否则用万用表检查复位电路各点信号和器件参数。

4.2.2通道调试

(a)静态工作点调试 4.2.3定时电路调试

(a)静态调试 (b)动态调试 结论

本设计是一个集成电路控制系统电压能控制在一定范围内，系统稳定可靠，在日常生活、工农业生产和科学实验中都有较广的使用价值。智能断电技术使传统的断电后再次通电而不通电控制具有了智能化。由于时间控制的功能受数字电路控制,因此可以根据应用场合方便地调整时间控制算法以满足要求。另外随着微电子技术的进步,在定时系统设计中优先选择了大规模的专用集成电路,这样能使硬件清晰简单,压缩了装置体积,还大大减少了误差,有效的提高了装置的精度和抗干扰性能。

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