MCU给电源插座上锁

2013-09-28 11:33:45来源: 互联网

由于高性能电子产品的增加与环保意识的抬头,不论是智慧型手机、电动汽机车皆对于电源的需求量大增,为了使用上的方便,将可望于自家室外或公众场合的电源插座增加上锁的功能。

  本系统提供一个拥有上锁功能的安全电源插座,使插座安装于公开场所,除可安心的使用外,亦可达到杜绝窃电行为或是使用者付费,如悠游卡或门禁系统般的机制,去限制电源插座的使用。

  具上锁功能电源插座应用广泛

  电跟水是人类生活中不可或缺的资源,在户外有些人会将自己私人的水龙头上锁,防止其他人随意使用。但若是户外电源插座未配备上锁功能,将容易遭他人滥用。鑑于此点,本文将分享如何製作具上锁功能的电源插座。

  现今仍有许多公众场所的电源插座,并不提供大众任意使用,于是在电源插座多加盖子再贴上紧告标语,或将电源插座隐藏,但这样只有做到警示或隐藏的效果,却无法真正达到防止遭他人使用的目的。

  本系统基于在使用者付费或是防止窃电的前提下,利用无线射频辨识系统(RFID)技术来进行对使用者的判别,使设置在公众场合的电源插座受到保护。在安全考量下,一般市面上过载保护,绝大多数是使用无熔丝开关,无熔丝开关的保护塬理是採用金属受热改变弯曲程度,以判别是否过载,但酿成意外时,都是电缆的绝缘过热熔毁,而无熔丝金属片尚未跳脱。也因此,本系统除无熔丝开关外,并增加一温度感测器,紧贴于电缆外皮,以侦测电缆外皮是否达到温度上限。

  在使用者付费的观念下,电源插座开发商可运用库伦量测法,计算使用者的电流用量。方法是藉由霍尔元件侦测电流值,然后用积分法加以运算,可得到总用电量,并可依据电源的使用量多寡,对于使用者进行收费。

  市面上的产品及现有的中华民国专利,都只具有触电防护、过电保护、选择供电、通用序列匯流排(USB)充电功能,但本系统除具备上述功能之外,亦增加防盗窃电功能(表1)。本系统的应用範围相关广泛,不仅可用于自家室外,也可以安装于捷运站、休息站、便利商店等公众场合,结合悠游卡使用,或是安装于社区大厅、交谊厅等,如同门禁的感测装置。此外,本装置如同一般插座,在不使用时,完全是不消耗任何电力,不会造成额外的电费支出。

  

  具上锁功能电源插座工作塬理

  本系统藉由微控制器MCU)提供输入输出(I/O)、类比数位(A/D)转换、计时中断等功能,再利用RFID技术判别使用者后,利用LM35DZ感测电缆温度,当温度安全后,进行供电,再藉由霍尔元件得到电流量后,用于电量计算。

  本系统係利用感应器发射无线电波,触动感应範围内的RFID标籤,藉由电磁感应产生电流,供应RFID标籤上的晶片运作,并发出电磁波回应感应器。当回应的电波为当初所设定的特定频率时,MCU的I/O接脚发出高电位触发继电器,使插座通电。

  而霍尔元件係根据霍尔效应,进行磁电转换的磁敏元件,其工作塬理为:霍尔元件是一个N型半导体薄片,若在其相对两侧通以控制电流,而在薄片垂直方向加以磁场势,则在半导体另外两侧便会产生一个大小、电流和磁场的乘积成正比的电压,再利用MCU的A/D功能换算成流经电流的大小,并透过计时中断的功能A/D 换算得到的电流,进行库伦量测运算。

  具上锁功能电源插座架构

  本系统与市售电源插座,在大小方面皆为相同,且同样可选择安装插座或开关,但于外观上,多了USB电源孔、发光二极体(LED)指示灯及一个无熔丝开关。内部透过霍尔元件来计算使用的电流量,以及温度感测器感测电线的安全温度,最后加上RFID模组,对使用者的使用加以控制。

  系统流程方面(图1),在无熔丝开关打开后,MCU进入初始化阶段,在判别是否有人使用前,会先进行温度感测,若温度在安全範围,将开始接收RFID讯号,当正确的使用者每感应一次RFID,都将回传至MCU,使暂存器Money值+1。

  

  图1 具备可上锁功能电源插座系统流程图

  每Money的值可使用USB充电,电量为500mAh。在进行供电后,使用的电量将会经由霍尔元件,并透过库伦量测法去计算使用量,当使用量超过使用者选择的上限时,将自动断电。

  库伦测量法简介

  库伦测量法将使用的电流值对时间积分来计算电流的总流量,并以使用的时间积分得到总用量Ah,如公式(1)

  

  公式(1)

  其中,id(t)为随着时间而改变的电流、tdn为开始使用的初始时间,而tdo为结束使用的最终时间。

  测试方式

  以下将分别对霍尔元件及温度感测器进行个别实验测试。

  霍尔元件具高準确度

  我们採用的霍尔元件为CSLW6B1这个IC。主要进行测试项目为:霍尔元件感测后,经运算的电流值是否与电流表量测值相符。

  测试的範围为一般USB供电电流範围为0~1,000mA。测试方法为在室温下,流经霍尔元件后再流经负载。并将霍尔元件讯号接至HT46RU232进行A/D转换,进行运算后得到的电流值,测试结果如表2。

  

  由于长时间的供应电源,会使系统内部温度些许上升。我们将系统进行供电,3小时后,系统内温度从室温28℃上升至36℃,再次进行霍尔元件準确度的测量。测试结果如表3。

  

  由测试结果显示,在常温下的测试平均误差在1.06%,使用3小时后,温度上升至36℃时,平均误差在2.78%,表现较差,但由于USB供电电流大小大多为300?1,000mA,如只计算这段的误差值,常温下误差为0.83%、36℃下误差为1.75%,显见库伦量测法式有足够的準确度。

  经温度感测得知安全温度为55℃

  根据「电业法第四十四条订定之屋内线路装置规则」,一般常用低压绝缘PVC电线,最高容许温度为60℃、1.6毫米单芯导线可承载电流量为20安培。

  本系统採用的电线是1.6毫米大小的单芯线。测试方法为:将插座接上额定功率1,500瓦、额定电压为110伏特的负载,用夹式电流表测得电流约为13安培,并将LM35DZ固定于最靠近于插座端的电缆表面。系统设计人员将于负载启用瞬间及启用后每15分鐘,进行LM35DZ温度感测,并用红外线温度枪进行正确温度量测。

  如表4所示,LM35DZ与红外线温度枪实际测量温度,都较低,其塬因不外乎热从电缆本身传导至LM35DZ时,部分温度丧失,传导于空气中。基于此点,我们将LM35DZ安全温度判定为55℃,以保证本系统在一般使用时安全无虞。

  

  可达精準电流用量计算 具上锁功能电源插座应用扩张

  此具有上锁功能的电源插座,用HT46RU232做为控制核心,结合RFID模组、霍尔元件、LM35DZ温度感测器,达到相当準确的电流使用量,及电源插座上锁防窃的功能,并在使用上符合国家室内线路装置标準。相信未来在电动车推广时,若不易寻找充电插座,本系统将会是一大助手,且可以教育民众使用公用电的正确观念,即使用者付费的塬则。

关键字:MCU  电源插座  上锁

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/0928/article_19547.html
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