电源插头过热保护器设计.docx
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电源插头过热保护器设计
电源插头过热保护器设计
摘要
随着大功率电器的大量使用,日常生活中的火灾隐患越来越多,而火灾的发生通常发生在电源插头连接处。
通过分析当前插头过热原理,本文设计了一种能够对插头自动降温,必要时自动断电的电源插头保护器。
采用Protues仿真软件对其进行模拟验证,并通过单片机开发板搭建电源插头过热保护器实验电路验证设计可行性。
实验表明该过热保护器可有效增强电源插头安全性、减少不必要的功耗。
为满足不同地区用户的实际需求提供了技术解决方案,对于未来电源插头的设计具有一定的使用和参考价值。
关键词:
电源插头;单片机;温度传感器;数码管;继电器;风扇;
PowerPlugDesignofOverheatProtector
Abstract:
Alongwiththeuseofhigh-powerelectricalappliances,firehazardmoreandmoreineverydaylife,andtheoccurrenceoffireusuallyoccursinthepowerplugconnection.Throughtheanalysisofthecurrentplugoverheatingprinciple,thispaperdesignedakindofplugwhichcanbeabletoautomaticcooling,thepowerplugofpoweralsocansaverautomaticallywhennecessary.ThispaperalsouseProtuessoftwaretosimulationandthroughthemicrocontrollerdevelopmentboardstructuresofpowerplugoverheatprotectorcircuitbyexperimentdesignfeasibility.Experimentsshowthattheoverheatprotectorcaneffectivelyenhancepowerplug’ssecurityandreduceunnecessarypowerconsumption,itcansatisfytheneedsofusersindifferentareas.Theplanforthefutureinthedesignofthepowerplugmustbeuseandreferencevalue.
Keywords:
Powerplug;Singlechipmicrocomputer;Temperaturesensor;Digitaltube;Relay;Fan;
1 绪论
1.1电源插头过热保护器研究背景
伴随我国电力工业的飞速发展,以电热水器为代表的大功率电器在日常生活中得到了广泛应用。
目前市场上的家用电热水器加热速度快、体积小,但功率太大,多数家庭的供电线路难以承受。
生活中的火灾隐患越来越多,而火灾通常发生在电源插头连接处。
公安部消防局资料显示使用电器引发的火灾中,电源插头处过热引发的火灾事故占到了全部事故的一半以上。
插头过热引发火灾的首要原因在于插头处阻值大于电路中的其他连接点。
一般插头都有镀镍,但是由于生产设计和用户多次使用的原因,插头处的镀镍层很容易遭到破坏产生氧化,插头表面电阻增加。
镀镍层遭到破坏后,插头截面积减小、接触不良等也都会导致插头温度的快速升高。
根据焦耳定律
,连接电热水器与大功率电器时,大电流在该处遇到大的电阻,相同情况下在该处产生了更多的热量,温度升高,从而成了引发火灾的头号隐患。
电源插头连接大功率电器容易严重过热,使插头整体及附近的过热,造成电源线老化、变硬或熔化、绝缘外壳内侧严重碳化,导致插头插座间接触电阻不断增加,造成电源线火线与零线间绝缘层因热击穿造成短路,甚至是由于不能知道确切的插头温度值盲目拔插头引发触电危险。
2006年7月1日开始实施的GB4706.12—2006《储水式热水器的特殊要求》的附录AA,对热水器的安全提出了新的要求,规定了如何防范非热水器故障,但又与电热水器相关的外部因素引入的电气火灾和触电伤亡事故,其精髓就是以人为本,以安全为本。
因此,研发一款能够在插头处提供过热保护,将火灾、触电等危险扼杀在源头处的新型插头迫在眉睫。
1.2国内外研究现状
国内对于电源插头过热保护器初期的研究主要采用金属片控制开关,将定温后的双金属圆片作为热敏感反应组件,当产品主件温度增高时,产生的热量传递到双金属圆片上,达到动作温度设定值时迅速动作,通过机构作用使触点断开或闭合;当温度下降到复位温度设定值时,双金属圆片迅速恢复原状,使触点闭合或断开,达到接通或断开电路的目的,从而控制电路。
但是机械式温度控制器功能单一、精度低、容易打火,缺点较多。
2000年之后,全球电子工业迅猛发展。
智能电子式过热保护器全面取代机械式过热保护器成为不可逆转的趋势,机械式温度控制器基本淘汰。
在用电器过热保护研究上,小型家电主要采用贴片的方法实现过热保护,通过双金属片温控器实现一级保护。
热熔断器在突跳式保护器失效导致电热元件超温时做二级保护。
大型家电主要采用集成在用电器自身内部的方式实现温度控制,最典型的就是海尔的产品。
将感温管插入盛有酒精的恒温槽中,温度控制器的两个接线柱与电池和指示灯串联,温度控制器开关闭合,指示灯亮;温度控制器开关断开,指示灯熄灭,改变恒温箱的温度可以使温度控制器闭合或断开。
电子式温度控制器采用电阻感温的方法来测量的,一般采用白金丝、铜丝、钨丝以及热敏电阻等作为测温电阻。
一般家用空调大都使用热敏电阻式。
但是国内在插头过热保护器的设计上仍属空白。
国外在过热保护器方面的研究较国内领先。
原理上,新型过热保护器正从模拟式向数字式、电子式转变,从集成化向智能化、网络化的方向发展。
进入电子信息时代后,电子自动化、信息采集控制成为了不可逆转的潮流。
智能电子式过热保护器全面取代机械式温度控制器在很短的时间内得以实现。
温度保护器使用更加方便,功能更加强大,且更可靠,更安全。
采用单片机对家用电器温度参数进行控制已成为当今的主流。
较国内而言,国外的智能温度控制器在精度、功能、可靠性及安全性等方向发展更为迅速。
在保护部位上,国外更加注重在插座、插头的接触性能上解决电源插头的发热问题,在稳定性、安全性方面有实质性的优势。
英国三芯插头在内部有自带的保险丝,新加坡在插头的插脚处装有保护套,保险丝可以更换,意大利的插头还对火线、零线和地线的长度作了明确的规定。
全球各国普遍都是在IEC的标准上制定的插头标准,但是防护性能却大不相同。
各界研究插头的防护,目的大致相同,但方法、技术各具一格,且各有千秋。
但是在插头处加装过热保护器将插头温度限定在规定范围内,从而增强其安全性能的研究尚少,导致了在插头的安全性能上难以实现突破性的飞跃。
1.3本文主要解决的问题
出于安全性的考虑,我们需要实时检测插头的温度,避免其过热产生安全隐患。
结合生产生活的实际需要,我们不能在插头过热时就直接将插头处断电。
现阶段没有一种安全用电规范能够很好的解决由于插头引发的安全问题,也很难有一种产品能够完全替代插头解决人们的日常用电和安全的问题。
因此,结合现有的科学研究成果以及国民生产生活的需要,非常有必要开发一种既能满足安全生产的要求,又能保证人民正常生活的插头。
本设计致力于研究一种插头过热保护器。
它能够分析插头处的实时温度值,调用执行部件采取必要动作,防止插头过热。
从而保护人体和用电设施的安全。
解决插头过热问题的方案中主要包括温度测量、温度判断和线路控制三大模块。
。
由于DS18B20自身具有良好的数字信息采集性能,所以温度测量模块的关键问题是对供电方式的选择,设计中采用寄生电源供电方式。
89C52单片机根据导入的程序负责温度判断,并且输出控制信息。
内置的变压器提供通断电路和降温设施所需的电力。
设计中主要解决主程序和子程序的设计和调用,通过不同情况下对于不同程序段的调用实现三大模块的互联,综合解决插头过热的问题。
2 系统总体方案
本章围绕系统的总体设计,介绍系统组成框图、主控芯片单片机的硬件资源及其接口技术、整个过热保护器系统所用到的其它元器件的介绍。
2.1系统总体设计
本设计主要以家用电热水器为例进行验证。
系统由单片机及其外围电路、温度检测电路、继电器控制电路等组成。
正常工作时,单片机循环检测温度传感器检测电路输出的信号,据此产生直流电机控制信号,继电器控制信号,并在数码管显示温度值,通过LED灯显示电路状态。
其原理框图如2.1所示。
图2.1过热保护器原理框图
当接通电源时,热水器开始工作,此时插头温度值为室温。
过热保护器进入待机状态,温度传感器将采集到的温度实时传输到单片机,测得结果通过数码管显示出来,同时单片机对测得的温度值进行分析[1]。
随着电路的工作时间的增加,插头温度从室温开始升高。
2.2方案论证
2.2.1单片机的选择
采用STC89C52单片机作为主控芯片。
STC89C52是一个低功耗,高性能的51内核的CMOS8位单片机,片内含8kB空间的可反复擦写,具有512bytes的数据存储器(RAM),32个I/O口,两个16位可编程定时计数器。
且该系列的51单片机支持串口下载和串口调试。
采用STC89C52可以降低成本,原有程序直接使用,硬件无需改动[2]。
实物图如图2.2所示。
图2.2STC89C52RC实物图
图2.3STC89C52RC引脚图
图2.3为STC89C52RC的引脚图[2]。
各引脚功能如表2.1。
P0、P1、P2、P3为8位的并行I/O口,用于数据的并行输入与输出。
本次设计中P0口用于控制数码管的段选端;P2口用于控制数码管的位选端;10、11号端口负责下载程序。
9号端口提供复位信号。
1号端口接收温度传感器信号。
6、7端口控制LED发光二极管;20号管脚VCC接+5V,25、26端口负责动作元件的信号输出。
40号管脚Vss接地。
XTAL1、XTAL2连外接晶振。
引脚RXD和TXD分别是放大器的输入端和输出端。
时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。
内部方式的时钟电路如图2.4(a)所示,在RXD和TXD引脚上外接定时元件,内部振荡器就产生自激振荡。
定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
在设置STC89C52RC的振荡频率时,在单片机XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体(简称晶振),构成自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。
两个电容器的作用是稳定频率和快速起振,电容值在5pF~30pF之间,典型值为30pF。
晶振CYS的振荡频率范围为1.2-12MHz,典型值为12MHz。
电容对频率起微调作用。
外部方式的时钟电路如图2.4(b)所示,RXD接地,TXD接外部振荡器。
对外部振荡信号无特殊要求,只要求保证脉冲宽度,一般采用频率低于12MHz的方波信号。
片内时钟发生器把振荡频率两分频,产生一个两相时钟P1和P2,供单片机使用。
+5V
XTAL1外部XTAL1
振荡器
XTAL2XTAL2
(a)内部方式时钟电路(b)外部方式时钟电路
图2.4时钟电路
复位是单片机的初始化操作,主要功能是把PC初始化为0000H,使单片机从0000H单元开始执行程序[4]。
当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时,为摆脱困境,可以按复位键重新启动。
RST引脚是复位信号的输入端。
复位信号是高电平有效,其有效时间应持续24个振荡周期(即二个机器周期)以上。
整个复位电路包括芯片内、外两部分。
外部电路产生的复位信号(RST)送至施密特触发器,再由片内复位电路对施密特触发器的输出进行采样,然后得到内部复位操作所需要的信号。
上电自动复位通过外部复位电路的电容充电来实现,只要电源VCC的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位,即接通电源就实现了系统的复位初始化[18]。
这种电路设计简单而且能达到预期效果,故本系统的复位电路采用上电复位方式。
2.2.2温度传感器的选择
采用DS18B20温度传感器采集温度,并用单总线与主机进行通信,占用资源较少,灵敏度较高,测量温度范围为:
-55℃——+125℃,其分度值可达到0.0625℃,可以满足系统需求。
而且DS18B20体积小,使用方便,适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。
DSl8B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DSl8820的双向通讯,在使用中不需要任何外围元件[6],DS18B20外部形状及管脚如图2.5。
DS18B20引脚中DQ为数字信号输入/输出端,GND为电源地,VCC为外接供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地)。
DS18B20内部结构图如图2.6。
图2.6DS18B20内部结构图
DS18B20内部结构主要由四部分组成:
64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
该装置信号线高的时候,内部电容器储存能量由通信线路给存储器供电,而且在低电平期间为存储器供电直至下一个高电平的到来重新充电。
DS18B20与单片机是单总线连接方式,它只定义了一根信号线,总线上的每个器件都能够在合适的时间驱动它,相当于把单片机的地址线、数据线、控制线、合为一根信号线对外进行数据交换,可以直接测得数字量,简化了许多工作,电路也简单可靠。
DS18B20的测温原理如图2.8所示,图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小,用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1,高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变,所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。
计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定,每次测量前,首先将-55℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中,减法计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。
减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数,当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1,减法计数器1的预置将重新被装入,减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数,如此循环直到减法计数器2计数到0时,停止温度寄存器值的累加,此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
图2.8DS18B20内部测温电路框图
另外,由于DS18B20单线通信功能是分时完成的,有严格的时隙概念,因此读写时序很重要。
系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。
操作协议为:
初始化DS18B20(发复位脉冲)→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。
2.2.3显示模块的选择
采用四位LED七段数码管。
数码管具有:
低损耗、低能耗、低压、耐老化、寿命长,对外界的环境要求较低。
程序设计简单。
发光二极管的电极连接方式分为共阳极和共阴极两种类型。
共阴极则是所有的二极管的阴极连接在一起,而阳极是分离的;而共阳极就是所有二极管的阳极是公共相连,而阴极则是分离的[16]。
设计中采用共阳极数码管。
数码管与发光二极管的工作原理相同,共阳极时,所有正端接电源正极,当负端有低电平时,该段有电流流过,发光管亮,当负端为高电平时,该段无电流流过,发光管不亮。
要显示什么数字,就使对应的段为低电平。
共阴极与共阳极的电平变化状态相反。
当每个段的驱动电流为2~20mA,电流越大,发光越亮。
常用的七段式数码管的硬件驱动设计方法有:
静态驱动与动态驱动。
静态驱动中每个数码管的数据线都有一个单独的数据锁存器,数据锁存器输入的数据由使能端控制,当使能端为高电平时,数据线上的数据(要显示的七段码)进入显示器[17],使能端与地址译码器的输出相连,要显示哪位,则选通哪位的地址,在软件设计上不要求程序循环,也不存在显示数字发生闪烁。
但是这样会占用很多口线。
动态显示是将所有位数码管的段选线并联在一起,由位选线控制是哪一位数码管有效。
这样一来,就没有必要每一位数码管配一个锁存器,从而节省了口线,简化了硬件电路。
动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选,利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用,使人的感觉好像各位数码管同时都在显示。
动态扫描驱动数码管的优点:
当显示位数较多时,采用动态显示方式比较节省I/O口,硬件电路也较静态显示简单[19]。
所以设计中采用动态显示法。
动态显示过程是利用人眼的视觉残留现象来实现的,应选择适当的数码管扫描频率[20]。
可先选择数码管的扫描显示的刷新率为125Hz(8ms),即每位数码管用2ms。
完成基本功能后,可以通过实验改变刷新率,观察数码管显示的效果。
2.2.4继电器和风扇驱动模块
采用达林顿管ULN2003驱动。
ULN2003具有带负载能力强、温度范围宽、电流增益高、工作电压高的特点,常用于各种电磁阀、步进电机、伺服电机等功率较大的器件上。
且不用设计任何电路参数。
采用电磁式继电器来达到控制电路通断的目的,属于有触点的、由电磁铁控制的多点控制开关。
具有物理阻断功能,断电后,被控制的设备可以完全脱离电源[9]。
继电器是一种电子控制器件,通常用于自动控制电路中,用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。
在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
电磁式继电器本身对于单片机来说是一个功率器件,在电磁式继电器线圈两端加上一定的电压,线圈中会流过一定的电流,从而产生电磁效应,衔铁在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯,从而带动衔铁的动触点与静触点(常开触点)吸合。
当线圈断电后,电磁的吸力也随之消失,衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置,使动触点与原来的静触点(常闭触点)吸合。
这样吸合、释放,从而达到了在电路中的导通、切断的目的。
对于继电器的“常开、常闭”触点,可以这样来区分:
继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点,称为“常开触点”;处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。
结合设计中5V直流电控制220V交流电的特点和设计成本的考虑。
采用松乐SONGLESRD-05VDC-SL-C继电器。
单片机I/O口输出电压高电平为4.76V,直接接上继电器后电平被拉低,无法控制继电器的闭合。
达林顿管具有良好的信号放大功能,信号经过达林顿管的放大后,再接入继电器,可以实现对继电器的控制。
最后实现对交流电路的控制。
采用风扇进行散热。
直接由单片机提供风扇所需的电力和信号供应,成本低,易控制,散热降温效果好。
2.2.5控制电路电源的选择
设计中,用于控制和运算的单片机以及数码管显示器都需要在+5V直流电压下才能工作。
因此,这里需要一个能输出+5V的直流电压源。
电压源的选择也有两个方案。
自制一个直流稳压电源。
直流稳压电源一般由电源变压器,整流电路,滤波电路和稳压电路四部分组成。
其基本原理框图如图2.9所示。
图2.9直流稳压电源基本组成原理
如图2.9所示,电源的变压电路部分主要是进行降压,此时副边输出的仍然是交流电,还不能直接用于电路。
因此紧接着变压器是整流电路,将变压器副边的交流电压转换为直流电压,将正弦波电压转换为单一方向的脉冲电压。
脉冲电压仍然含有大量的交流分量,会影响负载的正常工作。
为了减小电压的脉动,需通过滤波电路进行滤波,使输出电压平滑。
理想情况下,应将交流分量全部滤掉,使滤波电路的输出电压仅为直流电压。
然而滤波电路为无源电路,接入负载后势必影响其滤波效果。
因此,在电路最后还需要加入稳压电路,稳压电路的功能是使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载变化的影响,从而获得足够高的稳定性。
综上所述,选择方案二,通过自制的稳压电源给系统供电。
2.2.6指示电路工作状态方案的选择
为了方便用户在使用时确认插头温度过热控制模块的状态,需要设置一个状态指示器来实现这项需求。
通过连在单片机信号输出端口不同颜色的二极管指示电路状态。
这种方案易于实现,只需占用两个单片机输出端口。
设备构造简单,造价低廉。
2.3系统各模块最终方案
根据以上分析,结合器件和设备等因素,确定如下方案:
(1)采用STC89C52单片机最小系统作为中央控制器,分别对DS18B20、数码管、达林顿管、继电器、风扇和工作状态指示灯进行控制。
(2)显示模块采用四位七段共阳极数码管,实时显示温度。
(3)采用ULN2003芯片驱动继电器和风扇。
(4)采用红、绿二极管显示电路工作状态。
3 硬件的设计与功能的实现
3.1单片机最小系统
这是过热保护器系统的控制核心,通常以单片机片内的基本硬件资源为主,必要时再扩展部分外部器件。
本设计需要完成的控制比较简单,以单片机片内的基本硬件资源完全可以实现,因此不需扩展。
其单片机电路图如图3.1所示。
单片机的最小系统包括晶振电路和复位电路。
使用串口通讯时,晶振为11.0592M和12M。
上面的计算可以看出使用12M晶体的时候计算出来的TH1不为整数,而TH1的值只能取整数,这样它就会有一定的误差存在不能产生精确的9600波特率。
当然一定的误差是可以在使用中被接受的,就算使用11.0592M的晶体振荡器也会因晶体本身所存在的误差使波特率产生误差,但晶体本身的误差对波特率的影响是十分之小的,可以忽略不计,所以此处选用12M的晶振。
复位电路通电时,电容相当于短路,RST引脚为高电平,然后电源通过电阻对电容充电,RST端电压慢慢下降,当RST端电压降到低电平时,单片机开始正常工作。
复位按钮一般都是安装在操作面板上,有较长的传输线,容易引起电磁感应干扰。
按钮传输线应采用双绞线(具有抑制电磁感应干扰的性能),并远离交流用电设备。
在印刷电路板上单片机复位端口处并联0.01-0.1uF的高频电容将提高对串入噪声的抑制能力,设计中采用0.1uF的高频电容。
复位电路中的电阻用来控制复位时间,考虑到电源的稳定时间、参数漂移、晶振稳定时间和复位的可靠性等因素,必须有足够的余量。
电容C两端的电压(即复位信号)是一个时间的函数:
。
电阻R两端的电压(即复位信号)也是一个时间的函数:
。
其中的VCC为电源电压,设计中电阻阻值采用STC89C52RC最小系统推荐值10KΩ。
3.2温度传感器检测电路
系统的设计中,采用了DS18B20来采集温度,它直接可以把所检测到的温度短时间内转化成数字[12]。
3.2.1DS18B20简介
DS18B20的工作电流约为1mA,VCC为5V,则电阻
,目前用的电阻一般是不可调电阻,只有固定阻值,市场上跟5KΩ相近的有4.7KΩ,所以选用4.7KΩ的电阻。
DS18B20测温电路如图3.2所示。
3.2.2温度存储方式以及温度的计算
DS18B20用9位存储温度值,负温度S=0,正温度S=1,最高位为符号位,例如FF92H为-55℃,如表3.1所示:
表3.1DS18B20温度存储方式
Bit7
Bit6
Bit5
Bit4
Bit3
Bit2
Bit1
Bit0
LSByte
Bit15
Bit14
Bit13
Bit12
Bit11
Bit10
Bit9
Bit8
MSByte
S
S
S
S
S
S
S
S
3.3数码管显示电路
74HC138是常用的3-8线译码器,具有2个输入端(管脚1,2)与4个输出端(管脚15,14,13,12),作用为完成3位二进制数据到84位片选的译码。
3个输入端对应8个二进制数据(000,001,010,011),对于每个输入的数据,输出端相应
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