基于單片機的宿舍多功能用電監控系統的設計

孫立輝　王海

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

關鍵詞： 限電； 電能計量； 監控； 無線抄表

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： 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規模不斷擴大，在校人數不斷增加，高校宿舍使用大功率電器也隨之增多。雖然各高校都嚴加控制，但卻無法杜絕學生繼續使用，這給高校宿舍安全帶來了很大隱患。同時，市場上現有的電能表性能較差，精度也差，需要一種智能化、穩定的電能表[1?6]。現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備[7?10]，但是這種方法卻無法檢測并限制學生通過變壓插排使用大功率電氣設備，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，設計了一種采用限制功率方法的多功能用電監控系統，除了可以限制大功率設備外，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、火災報警等輔助功能。

1 系統總體方案

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

2 電路設計

2.1 電源部分設計

電源電路是整個系統能穩定工作的前提和關鍵，系統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，為了保證單片機和ADE7755之間不產生相互干擾，本設計中對單片機和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。互感器輸出電壓的有效值[Uo]和輸入電壓有效值[Ui]的關系為：

[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 輔助功能設計

宿舍多功能用電監控系統增加了火災報警、時間顯示功能。溫度測量電路采用DALLAS公司的DS18B20進行溫度測量，所測量的溫度值采用9位二進制數表示，因此無需A/D轉換便可把數據直接輸入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，通電后單片機讀取上次存儲的電能。本設計采用CATALYST公司的CAT24WC02作為存儲器。

3 軟件電路設計

主程序在執行時分別調用中斷初始化程序，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數據接收程序。當溫度測量值大于設定值時，調用GSM火災報警程序、聲光報警程序，實現火災報警功能；當GSM接收到抄表信號時，調用GSM信息發送程序，實現無線抄表功能。程序框圖如圖7所示。

4 系統測試與結果分析

本系統采用的測試儀器有標準數字電能表、4位半數字萬用表、單向交流調壓器、溫度計等。

4.1 功率/電能測量電路測試數據及分析

記錄多功能用電監控系統和標準數字電能表的電能初始值，3 h后記錄多功能電能表和標準數字電能表的電能示數。重復前面的步驟，記錄10組數據，記錄數據如表1所示。記錄多功能電能表和標準數字電能表的功率示數，增加或減少負載每10 min測量一次。重復以上步驟，測量10組數據，數據記錄如表2所示。

通過電能測試數據相對誤差小于±5%，功率測量精度較高，測量相對誤差小于±2%。當功率過大時單片機可以正常控制繼電器切斷電源，3 min后恢復供電。可以實現限電控制。

4.2 電壓測量電路測試數據及分析

記錄多功能用電監控系統的電壓值和4位半萬用表測量單向交流調壓器輸出端電壓。調整單向交流調壓器輸出電壓，重復前面的步驟，測量10組數據，數據記錄如表3所示。

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

5 結 語

本次設計將大功率電器限電控制、宿舍用電計量、無線抄表、火災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，減小火災發生的概率，降低學生損失。但是本次設計還有很多的不足：

（1） 本系統功率的測量是根據兩個脈沖的時間間隔計算得到的，當負載功率較小時兩個脈沖的時間間隔相對較長，測量的功率反應時間較長。

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

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