基于單片機(jī)和GPRS智能限電器的設(shè)計

沈志亮，饒連周，梁其波，林振輝，陳俊瑋

（1.三明學(xué)院　機(jī)電工程學(xué)院，福建 三明365004；2.福建廣播電視大學(xué) 三明分校，福建 三明365000）

基于單片機(jī)和GPRS智能限電器的設(shè)計

沈志亮1，饒連周1，梁其波1，林振輝1，陳俊瑋2

（1.三明學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建 三明365004；2.福建廣播電視大學(xué) 三明分校，福建 三明365000）

研究了一款具有對大功率電器進(jìn)行限制作用的智能限電器系統(tǒng)，該限電器系統(tǒng)由CS5463芯片和互感傳感器構(gòu)成的交流電參數(shù)采集模塊、STC12C5A60S2單片機(jī)處理器模塊、GPRS無線傳輸模塊、LCD12864液晶顯示模塊、TNY255控制器構(gòu)成的開關(guān)電源模塊和報警電路等組成，實(shí)現(xiàn)了對電器負(fù)載類型的判斷和識別、快速啟動保護(hù)措施和報警、在撤去違規(guī)電器時自動恢復(fù)供電的功能，具有一定的實(shí)用性和創(chuàng)新性。

限電器；GPRS；STC12C5A60S2；CS5463；TNY255

現(xiàn)今全日制學(xué)校學(xué)生住宿管理一直是一個很大的難題，各種大功率家用電器的使用問題尤其突出。因?yàn)槭褂么蠊β孰娖饕l(fā)的火災(zāi)事故越來越多，給學(xué)校造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失，也很大程度上威脅到了學(xué)生們的生命財產(chǎn)安全［1］。若能有有效地限制大功率電器的使用的裝置將很大程度減少校園火災(zāi)的發(fā)生，同時保護(hù)學(xué)生們的生命財產(chǎn)安全，其次也順應(yīng)了目前國家正在倡導(dǎo)的節(jié)能減排的社會需求［1］。

1　系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

為了能夠使整個系統(tǒng)最大限度的發(fā)揮該限電器的性能和性價比，所以選擇使用STC公司的STC12C5A60S2作為叢機(jī)的主控器，它擁有很大的處理能力，完全可以滿足本次設(shè)計的需求。在交流電壓、電流的采集上是采用了互感傳感器和交流電參數(shù)測量專用芯片CS5463相結(jié)合，使得電壓、電流信號能夠準(zhǔn)確無誤被采集。本系統(tǒng)還采用了GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊將各從機(jī)處理和采集的數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳輸?shù)絇C機(jī)上，在從機(jī)的信息的顯示上選用了低功耗的LCD12864。因?yàn)榭刂拼箅娏鞯睦^電器需要12 V電源，然而在整個系統(tǒng)中還需要5 V和3.3 V的電源，所以選擇了由TNY255構(gòu)成的小功率開關(guān)電源先提供12V電源，然后在使用LM7805和ASM1117-3.3提供5 V和3.3 V電源，其開關(guān)電源可以提供10W的功率，足以滿足整個系統(tǒng)的需求。整個系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。

圖1　基于單片機(jī)和GPRS智能限電器硬件方框圖

2　系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1交流電壓、電流測量電路的設(shè)計

由CS5463構(gòu)成的交流電壓、電流測量如圖2所示，其中U6電壓互感器，交流電壓端通過限流電阻R20接入，副邊感應(yīng)到的電流通過R18轉(zhuǎn)化為電壓器信號在經(jīng)過濾波網(wǎng)絡(luò)最終輸入到CS5463的電壓輸入端；而U7則是電流互感器，電流互感器的輸入端只是把通以交流的電線穿過互感器，然后互感器感應(yīng)到電流通過R22轉(zhuǎn)化為電壓，最終也是通過濾波電路輸入到CS5463的交流電流輸入端，由于CS5463內(nèi)部有增益自動調(diào)整的功能，所以在硬件設(shè)計上的參數(shù)就沒有必要十分的嚴(yán)格。CS5463要進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換需要時鐘輸入和基準(zhǔn)電壓輸入，X3是4.096M晶振就是為CS5463提供時鐘的，而CS5463本身可以產(chǎn)生一個基準(zhǔn)電壓2.5V，所以就直接把VREFOUT外接一個濾波電容，然后就輸入到VREFIN。SCLK、SDI、SDO、CS、INT等引腳是與單片機(jī)進(jìn)行通信的［2］。

圖2　交流電壓、電流測量電路

2.2數(shù)據(jù)處理和響應(yīng)電路的設(shè)計

單片機(jī)數(shù)據(jù)處理和響應(yīng)電路由STC12C5A60S2單片機(jī)最小系統(tǒng)、蜂鳴器模塊、液晶電路、繼電器控制電路和按鍵組成。電路如3所示。單片機(jī)是系統(tǒng)的核心，要完成數(shù)據(jù)處理，傳輸，界面顯示等功能。這此功能的實(shí)現(xiàn)可用單片機(jī)。STC12C5A60S2系列單片機(jī)幾乎包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所在單元模塊，可稱是片上系統(tǒng)。蜂鳴器控制電路與繼電器的控制電路極為相似，這里就不重復(fù)介紹了。顯示是采用LCD12864液晶顯示屏顯示，控制交流電的通斷是選用歐姆龍的型號為LY4NJ繼電器，每個觸點(diǎn)可以承受10A的電流LY4NJ繼電器是四開四閉式的，在本次設(shè)計中是將兩兩并聯(lián)使用的。而控制該繼電器的電源要使用12V，J4接到

大功率繼電器的線圈上，當(dāng)控制器STM32通過IO將CON輸出高電平，三極管就導(dǎo)通，此時繼電器的線圈就會吸合，交流的220V就會被接通，為了避免電流過大而燒毀繼電器，在回路中串接了一限流電阻R4。

圖3　單片機(jī)數(shù)據(jù)處理和響應(yīng)電路

2.3數(shù)據(jù)無線傳輸模塊GPRS連接電路的設(shè)計

GPRS模塊選用SIM900A模塊。SIM900A是芯訊通（SIMCom）公司推出的新一代無線通信GSM/ GPRS模塊，可以快速安全可靠地實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)、短消息服務(wù)（Short Mes-sage Service）、傳真和語音傳輸。模塊的工作電壓為3.2～4.8 V，SIM900 A采用省電，常用工作模式有Sleep，Idle，Talk等幾種，在設(shè)計Sleep模式下最低消耗電流量只有1.0 mA。該模塊的尺寸只有24 mm×24 mm×3 mm，因此SIM900A基本可以滿足所有用戶對產(chǎn)品尺寸的要求［3］。

GPRS模塊連接圖如圖4所示∶SIM900A模塊用模塊中5V的TTL電平接口與單片機(jī)直接連接，模塊與5 V的單片機(jī)的連接為SIM900A 5V TXD連接到單片機(jī)的P3.0/RXD管腳，SIM900A 5V RXD連接到單片機(jī)的P3.1/TXD管腳［6］。

電腦與模塊通信的方法：直接通過USB-RS轉(zhuǎn)換線將PC機(jī)與GPRS模塊連接，首先將USBRS232串口線連接到電腦上，連接方式為GPRS模塊上的RXD、TXD和GND分別與串口線陽頭的2、3、5接口連接，并正確安裝驅(qū)動。在電腦上找到這根串口線分配的COM口。打開Sim900Gu900mini調(diào)試工具中的串口調(diào)試軟件sscom.exe.在“發(fā)送新行”前面打鉤。將SIM900A模塊與電腦的波特率設(shè)計成同步的，然后PC機(jī)與GPRS模塊之間就可以相互通信。

主機(jī)接收系統(tǒng)由PC機(jī)、GPRS模塊組成。

連接框圖如圖5所示：GPRS模塊通過USB-RS232轉(zhuǎn)換線與PC機(jī)連接。

圖4　GPRS模塊與單片機(jī)連接圖

圖5　GPRS模塊與PC機(jī)連接圖

2.4輔助電源電路的設(shè)計

本系統(tǒng)使用TNY255芯片構(gòu)成AC220V轉(zhuǎn)DC12V高效率的開關(guān)電源，電路如圖6所示，交流市電經(jīng)過C26、L3濾除高頻信號后再由整流橋D6整流、高壓電容C17濾波后，得到高壓310V左右的電壓，最終輸入到TNY255的D端，TNY255芯片工作的電源是由D腳輸入的高壓經(jīng)由內(nèi)部的穩(wěn)壓器穩(wěn)壓得到的，當(dāng)TNY255開始工作的時候會產(chǎn)生130kHZ的開關(guān)信號，使得高頻變壓器的副邊感應(yīng)出電壓，感應(yīng)到的電壓經(jīng)過D5半波整流、C22濾波得到直流電壓，而電壓的穩(wěn)定是通過基準(zhǔn)穩(wěn)壓芯片TL431、光耦TLP521-1以及其他其他電阻來實(shí)現(xiàn)的，這里把電壓穩(wěn)定在12V，然后通過LM7805 和LM1117得到5V和3.3V。

圖6　輔助電源電路

3　軟件設(shè)計

3.1從機(jī)參數(shù)采集與發(fā)送軟件設(shè)計

從機(jī)系統(tǒng)先初始化硬件設(shè)備，開始從機(jī)的CS5463電參數(shù)采集模塊對空間各種電參數(shù)進(jìn)行采集，采集完數(shù)據(jù)直接由從機(jī)單片機(jī)進(jìn)行處理，智能分析及輸出控制任務(wù)是在接收到電參量數(shù)據(jù)采集任務(wù)發(fā)來的信號量才運(yùn)行的，在這個任務(wù)中對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，最終判斷出有沒有違規(guī)電器接入，如果有則馬上通過大功率繼電器斷開干路上的輸出，并且發(fā)出報警。由從機(jī)LCD液晶顯示，接著單片機(jī)開始利用無線模塊把整個采集的電參數(shù)用結(jié)構(gòu)體形式進(jìn)行發(fā)送到主機(jī)，若未成功接收發(fā)送指令則從新進(jìn)行采集，直到成功發(fā)送。其主機(jī)接收系統(tǒng)流程圖，見圖7。

圖7　從機(jī)接收系統(tǒng)流程圖

圖8　主機(jī)接收系統(tǒng)流程圖

3.2主機(jī)接收系統(tǒng)軟件設(shè)計

主機(jī)接收系統(tǒng)軟件設(shè)置主要分成3部分：第一，通過按鍵實(shí)現(xiàn)菜單的選擇，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲時間的設(shè)置、日期的設(shè)置、查詢存儲過任意一天的用電情況；第二，對接收到多個從機(jī)的數(shù)據(jù)根據(jù)設(shè)置好存儲時間段進(jìn)行處理，直到成功存儲；第三，利用串口中斷的形式進(jìn)行用戶手機(jī)與主機(jī)之間的通信，方便進(jìn)一步實(shí)時掌握各宿舍不同時間段電器使用情況，還可以查看個宿舍是否有違規(guī)使用電器的記錄。其主機(jī)接收系統(tǒng)流程圖，見圖8。根據(jù)設(shè)計思路，按要求制作了智能限電器的樣機(jī)，如圖9所示。用樣機(jī)對作了數(shù)據(jù)測試，測試數(shù)據(jù)：單限制功率誤差值結(jié)果見表1，總限制功率誤差值，見表2。

圖9　智能限電器樣機(jī)圖

表1　單限制功率誤差值

表2　總限制功率誤差值

5　結(jié)論

采用CS5463芯片和互感傳感器構(gòu)成的交流電參數(shù)采集模塊、STC12C5A60S2單片機(jī)處理器模塊、GPRS無線傳輸模塊、LCD12864液晶顯示模塊、TNY255控制器構(gòu)成的開關(guān)電源模塊和報警電路，完成了一款基于單片機(jī)和GPRS智能限電器的設(shè)計并制作了樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)對下游回路的電器進(jìn)行監(jiān)控的電力控制設(shè)備，通過實(shí)時檢測所接電路的電壓、電流、相位差分析和計算線路的負(fù)載性質(zhì)，當(dāng)檢測到阻性負(fù)載功率或總有功功率超過其設(shè)定值時，自動切斷電源，避免用電事故的發(fā)生，若判斷出阻性負(fù)載功率或總有功功率不超過其設(shè)定功率時，則保持正常供電。樣機(jī)經(jīng)測試，單限制功率誤差值小于0.9%，總限制功率誤差值小于1.9%，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。整體樣機(jī)的制作成本約150元人民幣，投入量產(chǎn)后成本可以降低30%左右，該智能限電器系統(tǒng)具有較高的性價比，安全可靠，使用方便簡單，有效杜絕了重大安全隱患，值得研究和推廣。

［1］劉春梅，韓強(qiáng).基于單片機(jī)控制的學(xué)生宿舍智能限電器的研究設(shè)計［J］.時代教育：教育教學(xué)版，2009（3）：127-128.

［2］朱文，袁朋.關(guān)于CS5463快速標(biāo)定的實(shí)現(xiàn)［J］.科學(xué)咨詢（科技·管理），2013，22（6）：54-56.

［3］陳正沖.C語言的深度解剖［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010：115-124.

［4］葉東毅.C語音程序設(shè)計教程［M］.廈門：廈門大學(xué)出版社，2009.

［5］孫小春.基于單片機(jī)的智能限電器設(shè)計［J］.海南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2014，32（2）：142-146.

［6］王偉員.基于GSM和太陽能的土壤參數(shù)測試儀的設(shè)計［J］.三明學(xué)院學(xué)報，2014，31（4）：70-74.

（責(zé)任編輯：朱聯(lián)九）

Design of Intelligent Electrical Appliances Based on Single Chip Microcomputer and GPRS

SHEN Zhi-liang1，RAO Lian-zhou1，LIANG Qi-bo1，LIN Zhen-hui1，CHEN Jun-wei2

（1.School of Electromechanical Engineering，Sanming University，Sanming 365004，China；2.Sanming Branch School，F(xiàn)ujian Television University，Sanming 365000，China）

A kind of smart electrical protective system which possesses a function of limiting high-power electrical appliances is studied in this paper. The electrical protective system is composed of the CS5463 chip， the alternating current parameter acquisition module that is formed by mutual inductance sensor， the STC12C5A60S2 single chip processor module，GPRS wireless transmission module， the LCD12864 display module， the switching power supply module which is consisted of TNY255 controller， and the alarm circuit. The system realizes the function of the electric load type judging and identifying， and quickly launching protection measures and alarm. Besides， when the illegal electrical appliances are removed， the power supply can be automatically recovered. This system possesses a certain value of innovation and popularization.

electrical appliances；GPRS；STC12C5A60S2；CS5463；TNY255

TM563

A

1673-4343（2016）04-0072-06

10.14098/j.cn35-1288/z.2016.04.012

2016-02-08

國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項(xiàng)目（201411311016）；福建省“卓越工程師”教育培養(yǎng)計劃改革試點(diǎn)項(xiàng)目（SD1108）；福建省高等學(xué)校教學(xué)改革研究項(xiàng)目（JAS17463）

沈志亮，男，福建詔安人，大學(xué)生；通訊作者：饒連周，男，福建明溪人，教授。主要研究方向：光電技術(shù)及自動控制。