基于單片機的智能限電器設(shè)計

孫小春

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，陜西楊凌712100)

近年來，學(xué)校學(xué)生宿舍由于違規(guī)用電而引發(fā)的火災(zāi)事件時有發(fā)生，損失較為慘重［1］.因此安全用電問題也被提到了學(xué)校安全管理的首位.由于學(xué)生宿舍環(huán)境復(fù)雜，日常生活用品堆放雜亂，安全隱患嚴(yán)重，對學(xué)生的生命和財產(chǎn)安全構(gòu)成了非常大的威脅［2］.經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)全國重大火災(zāi)發(fā)生的原因，很大一部分是由用電線路及用電設(shè)備造成的.因此如何自動、正確地識別學(xué)生宿舍的違規(guī)電器是智能限電器的核心部分.

從市面現(xiàn)有的限電器來看，獲取用電信息的方法較多，如采用電壓、電流互感器加AD轉(zhuǎn)換的方式，雖然可以獲取相應(yīng)信息，但采樣速度慢、精度差［3］.近幾年限電器主要采用功率識別、相位識別等［4］，這些識別方法存在一定的局限性.功率識別法只是對使用電器的功率進(jìn)行判斷與控制，由于判定條件具有單一和不準(zhǔn)確性，因此不能正確判斷出是否存在違規(guī)電器.相位識別法利用模擬電子線路設(shè)計，使設(shè)計較為繁雜，采用電壓與電流的相位差進(jìn)行識別，雖然能判定是否有違規(guī)電器，但由于宿舍用電系統(tǒng)中用電設(shè)備的改變，如電腦數(shù)量的增加，使限電器的判定存在弊端.

此外調(diào)查發(fā)現(xiàn)學(xué)生宿舍用電安全隱患主要是熱得快、電熱爐、電熱毯等大功率違規(guī)電器，此類用電器主要是阻性負(fù)載，阻性負(fù)載的功率因數(shù)較高，基本接近1.當(dāng)阻性負(fù)載大功率電器接入時，功率增大，功率因數(shù)也有改變，因此功率和功率因數(shù)應(yīng)該是正確判定違規(guī)用電的主要因素.

筆者根據(jù)宿舍安全用電的需求，研究并設(shè)計了一種從功率和功率因數(shù)2個方面進(jìn)行測量判斷是否存在違規(guī)用電現(xiàn)象的限電自動控制器.該設(shè)計可以徹底杜絕違規(guī)用電現(xiàn)象的發(fā)生，使宿舍在允許范圍內(nèi)能正常供電.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計采用一塊電能計量芯片CS5463對用電情況進(jìn)行測量，可以測量電壓和電流，并可以計算瞬時功率和功率因數(shù).利用單片機對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)控，當(dāng)某一段時間內(nèi)用電實時功率超過設(shè)定值，或者功率因數(shù)超出允許數(shù)值時，單片機將向繼電器發(fā)出控制信號，從而切斷供電電路的功能;停止供電后，操作人員根據(jù)現(xiàn)場實際情況重新接通電路.具體超限設(shè)定值要根據(jù)學(xué)生宿舍的實際情況而定，特別是功率因數(shù)上下限閾值設(shè)定時，一定要把允許使用的電器的功率因數(shù)數(shù)值包括在范圍之內(nèi).實時功率設(shè)定值、功率因數(shù)上下限閾值可根據(jù)宿舍用電器的變化隨時進(jìn)行在線更新設(shè)置.

本設(shè)計系統(tǒng)的硬件主要組成部分:中心控制模塊MEGA32－16AU單片機及外圍電路、時鐘模塊及外圍電路、功率測量模塊及外圍電路、在線編程模塊設(shè)計電路和繼電器通斷模塊的設(shè)計等.本限電裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖［5－6］，如圖1 所示.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 單片機控制模塊接線 單片機外圍電路［7－8］及連接原理如下圖2所示.

圖2 單片機原理圖

1.2 時鐘模塊及接線 時鐘模塊選用DS1302模塊.DS1302模塊是由美國DALLAS公司制造，是一種高性能、低功耗的實時時鐘芯片，并且采用雙電源供電方式(即主電源和備用電源);可以在2種時制下工作，即12小時制或者24小時制;與中心控制器單片機通訊需要3根線:RST(復(fù)位)，I/O(數(shù)據(jù)線)和SCLK(串行時鐘).

時鐘模塊外圍電路、以及與單片機的連接設(shè)計如下圖3所示.

圖3 時鐘模塊連接原理圖

1.3 功率測量模塊及接線 功率測量選用的是CS5463模塊.CS5463模塊包含了2個ΔΣ模－數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、可編程的電能脈沖轉(zhuǎn)換功能;可以使用價格便宜的分流器或電流互感器精確測量電流，還可使用分壓電阻或者電壓互感器測量瞬時電壓，起到了代替電流、電壓表的作用;包含一個雙向串行通訊接口，與單片機實現(xiàn)雙向串口數(shù)據(jù)傳輸;具有片上系統(tǒng)校準(zhǔn)功能，方便靈活;具有溫度傳感器，電壓下降檢測，相位補償?shù)裙δ?因而CS5463模塊也廣泛應(yīng)用于研制和開發(fā)單相、2線或3線電表［9］.筆者選用CS5463模塊因為其具有精確測量和計算有功功率、無功功率和瞬時功率等功能.

CS5463模塊與MEGA32－16AU單片機的連接如圖4所示.

圖4 功率測量模塊連接原理圖

1.4 在線編程下載模塊 如圖5所示.

圖5 程序下載模塊

1.5 繼電器通斷電路設(shè)計 如圖6所示.

圖6 電源通斷控制電路

1.6 與上位機通訊 考慮到日后在組建功率限電系統(tǒng)時與上位機的通訊問題，本設(shè)計預(yù)留了單片機的9、10、11引腳，這些引腳可以通過485連線與上位機進(jìn)行串口數(shù)據(jù)傳輸［10］.將來配合上位機的控制軟件、人機互動界面以及數(shù)據(jù)庫和管理系統(tǒng)，就可以組成一個完整的學(xué)生宿舍限電控制系統(tǒng).

2 程序流程圖

圖7 程序流程圖

3 小結(jié)

本限電器和市面其他產(chǎn)品相比，主要優(yōu)點有:(1)利用單片機作為控制器其結(jié)構(gòu)精簡，經(jīng)濟實用;(2)使用實時功率和功率因數(shù)作為違規(guī)判定條件，二者之一超限都可以停止供電，使功能更為完善;(3)在線可編程通道的設(shè)計為以后進(jìn)行程序的升級和功能數(shù)據(jù)的變更提供了便利.實踐證明該限電器可以有效地限制大功率用電設(shè)備的使用，為安全用電提供了保證.

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