MCU给电源插座上锁

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。