基于單片機(jī)的宿舍多功能用電監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

孫立輝　王海

摘 要： 高校宿舍限電系統(tǒng)大多采用相位比較的方法來限制大功率電器設(shè)備的使用，這種方法僅能限制純電阻負(fù)載，針對這一不足，設(shè)計一種通過限制功率的方法來限制大功率電器設(shè)備的多功能用電監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過記錄ADE7755專用電能測量芯片輸出的脈沖個數(shù)實現(xiàn)電能的計量，通過計算兩脈沖的時間間隔實現(xiàn)負(fù)載的功率，當(dāng)功率超過某一限值時，實現(xiàn)斷電。同時該系統(tǒng)還具有電能計量、無線抄表、電壓和溫度測量、時鐘顯示、火災(zāi)報警等輔助功能。實際運行表明，該系統(tǒng)功率相對誤差小于2%，電能相對誤差小于5%，電壓測量相對誤差小于3%，同時系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，在保障宿舍安全用電方面起到了積極的作用。

關(guān)鍵詞： 限電； 電能計量； 監(jiān)控； 無線抄表

中圖分類號： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）04?0135?04

Abstract： The phase comparison method is mostly adopted in college dormitory electricity limit system to limit the use of high?power electrical appliances， which can only limit the pure resistive load. To solve this insufficiency， a multi?function power monitoring system for electricity utilization was designed to restrict the use of high?power electrical appliances by limiting the power. The electric power metering is realized by recording the pulse number output from the dedicated power measurement chip ADE7755. The load power is calculated by the interval between two pulses. When the power exceeds the limiting value， the power is cut off. The system has the auxiliary functions of electric power metering， wireless meter reading， voltage and temperature measurement， clock display and fire warning. The actual running shows that the relative error of the system power is less than 2%， the relative error of electric energy is less than 5%， the relative error of voltage measurement is less than 3%. The system is stable and reliable， and can play an active role in safety utilization of electric power for dormitory.

Keywords： electricity limit； electric power metering； monitoring； wireless meter reading

0 引 言

隨著我國高校的辦學(xué)規(guī)模不斷擴(kuò)大，在校人數(shù)不斷增加，高校宿舍使用大功率電器也隨之增多。雖然各高校都嚴(yán)加控制，但卻無法杜絕學(xué)生繼續(xù)使用，這給高校宿舍安全帶來了很大隱患。同時，市場上現(xiàn)有的電能表性能較差，精度也差，需要一種智能化、穩(wěn)定的電能表[1?6]?，F(xiàn)在宿舍采用的限電電能表通常采用相位比較的方法來判斷是否使用過大功率的電氣設(shè)備[7?10]，但是這種方法卻無法檢測并限制學(xué)生通過變壓插排使用大功率電氣設(shè)備，宿舍隱患仍然存在。為了更好地限制宿舍大功率電氣的使用，設(shè)計了一種采用限制功率方法的多功能用電監(jiān)控系統(tǒng)，除了可以限制大功率設(shè)備外，還具有電能計量、無線抄表、電壓顯示等功能，同時兼有時鐘顯示、火災(zāi)報警等輔助功能。

1 系統(tǒng)總體方案

本設(shè)計采用AT89C52單片機(jī)作為控制器。采用ADE7755專用電能測量芯片對電能和功率進(jìn)行測量，電能的計量通過ADE7755輸出脈沖個數(shù)實現(xiàn)，負(fù)載消耗的功率通過計算兩脈沖的時間間隔實現(xiàn)。當(dāng)電器總功率超過安全值時，單片機(jī)控制繼電器實現(xiàn)宿舍斷電功能，進(jìn)而有效限制大功率電器的使用。采用GSM短信技術(shù)實現(xiàn)無線抄表。通過QM?2傳感器檢測煙霧用于宿舍火災(zāi)檢測，有火災(zāi)發(fā)生時發(fā)送報警信息。通過交流電壓互感器對電網(wǎng)電壓進(jìn)行采樣、濾波。通過ADC0832實現(xiàn)電壓的測量。采用LCD1602液晶顯示屏顯示電能、功率、溫度、電壓、時鐘等。本設(shè)計系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 電路設(shè)計

2.1 電源部分設(shè)計

電源電路是整個系統(tǒng)能穩(wěn)定工作的前提和關(guān)鍵，系統(tǒng)中的電路都需要直流5 V電源供電，ADE7755輸入電壓對地電壓較高，為了保證單片機(jī)和ADE7755之間不產(chǎn)生相互干擾，本設(shè)計中對單片機(jī)和ADE7755采用雙電源供電。

（1） ADE7755電源電路

多功能電能表在工作時防止雷擊燒毀芯片，采用壓敏電阻作為限壓型保護(hù)器件。ADE7755功耗比較小，采用電容降壓法為ADE7755供電，此方法利用電容在一定的交流信號頻率下產(chǎn)生的容抗來限制最大工作電流。

2.3 電壓測量電路

電壓測量采用南京澤明電子公司的ZMPT101微型精密電壓互感器降壓測量。電壓互感器輸入電流和輸出電流為1∶1，將電網(wǎng)的電壓通過50 kΩ水泥電阻限流，輸入到ZMPT101電壓互感器輸入端?；ジ衅鬏敵鲭妷旱挠行е礫Uo]和輸入電壓有效值[Ui]的關(guān)系為：

[Uo=UiR28?R27] （7）

使用ADC0832測量輸出端峰值電壓[Vd]，即可得到輸入電壓。電壓測量電路如圖6所示。

2.4 輔助功能設(shè)計

宿舍多功能用電監(jiān)控系統(tǒng)增加了火災(zāi)報警、時間顯示功能。溫度測量電路采用DALLAS公司的DS18B20進(jìn)行溫度測量，所測量的溫度值采用9位二進(jìn)制數(shù)表示，因此無需A/D轉(zhuǎn)換便可把數(shù)據(jù)直接輸入CPU。時鐘顯示采用的是DALLAS公司的DS1302芯片。液晶顯示部分使用LCD1602，其功能是通過按鍵切換顯示電能、功率、電壓、溫度、時鐘等。

由于測量的電能在斷電前存儲在存儲器中，通電后單片機(jī)讀取上次存儲的電能。本設(shè)計采用CATALYST公司的CAT24WC02作為存儲器。

3 軟件電路設(shè)計

主程序在執(zhí)行時分別調(diào)用中斷初始化程序，LCD初始化程序，LCD清屏程序，AT24C02存儲程序，電能脈沖計量程序，功率測量程序，溫度測量程序，煙霧檢測程序，GSM數(shù)據(jù)接收程序。當(dāng)溫度測量值大于設(shè)定值時，調(diào)用GSM火災(zāi)報警程序、聲光報警程序，實現(xiàn)火災(zāi)報警功能；當(dāng)GSM接收到抄表信號時，調(diào)用GSM信息發(fā)送程序，實現(xiàn)無線抄表功能。程序框圖如圖7所示。

4 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

本系統(tǒng)采用的測試儀器有標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電能表、4位半數(shù)字萬用表、單向交流調(diào)壓器、溫度計等。

4.1 功率/電能測量電路測試數(shù)據(jù)及分析

記錄多功能用電監(jiān)控系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電能表的電能初始值，3 h后記錄多功能電能表和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電能表的電能示數(shù)。重復(fù)前面的步驟，記錄10組數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)如表1所示。記錄多功能電能表和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電能表的功率示數(shù)，增加或減少負(fù)載每10 min測量一次。重復(fù)以上步驟，測量10組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記錄如表2所示。

通過電能測試數(shù)據(jù)相對誤差小于±5%，功率測量精度較高，測量相對誤差小于±2%。當(dāng)功率過大時單片機(jī)可以正?？刂评^電器切斷電源，3 min后恢復(fù)供電?？梢詫崿F(xiàn)限電控制。

4.2 電壓測量電路測試數(shù)據(jù)及分析

記錄多功能用電監(jiān)控系統(tǒng)的電壓值和4位半萬用表測量單向交流調(diào)壓器輸出端電壓。調(diào)整單向交流調(diào)壓器輸出電壓，重復(fù)前面的步驟，測量10組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記錄如表3所示。

電壓測量受電網(wǎng)噪聲影響和8位A/D分辨率影響，測量誤差較大。但測量精度能滿足設(shè)計要求，測量誤差小于±2%。

5 結(jié) 語

本次設(shè)計將大功率電器限電控制、宿舍用電計量、無線抄表、火災(zāi)報警等功能集于一體，方便高校對宿舍用電的管理。能有效地限制宿舍大功率電器的使用，減小火災(zāi)發(fā)生的概率，降低學(xué)生損失。但是本次設(shè)計還有很多的不足：

（1） 本系統(tǒng)功率的測量是根據(jù)兩個脈沖的時間間隔計算得到的，當(dāng)負(fù)載功率較小時兩個脈沖的時間間隔相對較長，測量的功率反應(yīng)時間較長。

（2） 本系統(tǒng)電能的存儲是每0.01 kW·h（32個脈沖）電能存儲一次，對于每次斷電前未達(dá)到0.01 kW·h的電能不能進(jìn)行存儲，會導(dǎo)致誤差。

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