用電實時監測保護及遠程監控系統設計

李衛兵，邢曉瑩，王克會

（1.北京電子科技職業學院北京　100176；2.杭州電子科技大學浙江杭州310018）

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用電實時監測保護及遠程監控系統設計

李衛兵1，邢曉瑩2，王克會2

（1.北京電子科技職業學院北京100176；2.杭州電子科技大學浙江杭州310018）

摘要：系統以STC單片機為控制核心，采用電壓、電流互感器采集用電信息，通過彩色顯示觸摸屏實現電壓、電流、功率等的實時顯示，也可以通過網絡送至遠程計算機遠程監控。系統可通過現場和遠程計算機設定預定功率值，超出預定值后系統發出報警并切斷總電源進行保護。通過煙霧、火焰傳感器檢測周圍環境，如果發生火災或者煤氣泄漏，系統會發出報警。該系統針對當前用電信息顯示、供電過載保護、遠程監控、用電環境檢測等進行設計，具有實際應用價值。

關鍵詞：用電實時監測；過載保護；遠程監控；火災檢測

伴隨著城市人口和建設規模的擴大，各種用電設備的增多，城市的供電設備經常超負荷運轉，用電環境變得越來越惡劣。據統計，每天，用電設備都要遭受120次左右各種的電源問題的侵擾，電子設備故障的60%來自電源［1］。因此，電源問題的重要性日益凸顯出來。針對用電安全，現有的安全防護產品以顯示功率、電流和電壓為主要功能［2］，缺少智能化的斷電保護管理功能且無數據存儲功能，一旦發生事故，斷電數據丟失，為分析事故原因帶來不便。市場上大多數產品，刷新頻次小，增加了意外事故保護疏忽的機率。

文中針對用電安全問題，開發了用電實時監測與保護系統。能夠實時監測用電各項參數，能設定用電保護的功率，當用電超出保護功率時將報警并自動斷電保護，通過LCD顯示各項參數以及報警原因，便于根據故障原因進行檢修，并且能夠通過網絡遠程監測用電情況及故障原因，故障排除后可實現遠程合閘，實現了智能化用電控制，可廣泛用于家庭、工業、企業，實現智能化控制與管理。

1　設計方案

系統總體設計方案框圖如圖1所示。采用了模塊化設計方案，分為電壓電流采樣模塊、用電參數采集模塊、傳感器模塊、主控模塊、聲光報警和總電源切斷模塊、串口模塊、網絡傳輸模塊、顯示模塊、用戶操作模塊、電源模塊［3］。主控模塊采用STC12LE5A60S2高速單片機；電壓、電流采樣模塊由電壓互感器和電流互感器組成，用于對市電進行采樣；煙霧模塊由可燃氣體傳感器組成，用于煙霧、可燃氣體檢測；聲光報警和總電源切斷模塊采用有源蜂鳴器和高亮LED，大電流繼電器負責切斷總電源；網絡傳輸模塊串口電路和串口轉網絡電路組成，采用了ETH2232專用TCP/IP模塊、MAX232電平轉換芯片和母頭串口組成，用于和計算機通信；顯示模塊采用2.4寸TFT彩色液晶，用戶操作模塊采用四線式電阻觸摸屏。

圖1　系統總體方案框圖

2　電路設計

2.1主控制器設計

主控制器STC12LE5A60S2最小系統電路圖如圖2所示。STC12LE5A60S2高速單片機是完全集成的混合信號系統級芯片（SOC），片內集成了數據采集和控制系統中常用的模擬、數字外設及其他功能部件，內置60 kFLASH程序存儲器、1280字節RAM。包含中央處理器（CPU）、程序存儲器（F1ash）、數據存儲器（SRAM）、定時/計數器、UART串口、串口2、1/O接口、高速A/D轉換、SPI接口、PCA、看門狗及片內R/C振蕩器和外部晶體振蕩電路等模塊［4］。

2.2電量參數采集模塊電路設計

圖2　主控制器電路圖

圖3　電量參數采集電路

模塊使用ATT7022B多功能專用電量測量芯片，數據通過SPI接口輸出，電路圖如圖3。ATT7022B是高精度電能專用計量芯片，集成了六路二階sjgma-de1ta ADC、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數以及頻率測量的數字信號處理等電路。能夠測量各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時還能測量各相電流、電壓有效值、功率因數、相角、頻率等參數。有功、無功電能脈沖輸出CFI、CF2提供瞬時有功、無功功率信息，可以直接接到標準表，進行誤差校正。可以對基波有功、無功功率進行測量，提供脈沖輸出CF3和CF4提供瞬時基波有功功率以及基波無功功率信息，可直接用于基波的校正［5］。提供一個SPI接口，方便與外部MCU之間進行計量參數以及校表參數的傳遞，所有計量參數都可以通過SPI接口讀出。內部的電壓監測電路可以保證加電和斷電時正常工作。

2.3電壓電流采樣電路設計

電壓電流采樣電路采用電壓互感器PT2531，電流互感器HCT256A設計，電路設計如圖4所示。三極管Q2上方為繼電器UC3，當電流超過設定的限值時，單片機輸出信號CR控制繼電器斷開，切斷電源。

圖4　電壓電流采樣電路

2.4網絡傳輸模塊電路設計

網絡傳輸模塊如圖5所示，由串口電路和串口轉網絡電路組成，采用專用TCP/IP協議，直接與單片機UART串行口相連。采用MAX232作為電平轉換芯片構成串口電路，配合4 個0.1 μF電容完成［6］；采用Eth2232X嵌入式網絡轉串口電路，其內部集成了硬件TCP/IP協議棧、socket編程實現，全透明傳輸，串口波特率高達230 kbps。

2.5煙霧檢測電路設計

電路如圖6所示。采用MQ-2氣體傳感器采集煙霧信息，可用于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等的探測，具有探測范圍廣、靈敏度高、響應速度快、穩定性高、壽命長、驅動電路簡單等優點［7］，通過可變電阻RJ1輸出電平信號，調節RJ1，可以改變傳感器靈敏度。

圖5　網絡傳輸模塊電路

圖6　煙霧檢測電路

2.6觸摸控制電路設計

顯示模塊采用2.4寸彩色觸摸顯示屏，觸摸控制芯片使用ADS7843，電源采用3.3 V，電路如圖7。

圖7　觸摸控制電路

2.7聲光報警電路設計

聲光報警電路采用蜂鳴器和高亮LED，蜂鳴器使用三極管9013驅動，LED直接與單片機IO口相連，并通過300 Ω電阻接3 V電源。

3　軟件設計

本系統使用的主控制器STC12LE5A60S2單片機的指令集完全兼容傳統51單片機，編程簡潔，使用C語言編程，可移植性好，編譯平臺是Kej1軟件。軟件編程采用模塊化設計，各個模塊獨立完成一項工作，多個模塊共同配合完成整體任務，模塊化的軟件便于修改和移植。軟件主流程圖如圖8所示。

4　結　論

系統以STC12LE5A60S2單片機為控制核心，采用電壓、電流互感器采集用電信息，經電參數測量集成電路處理后，經單片機編程，實現用電參數如電壓、電路、功率等的實時顯示。系統設計了彩色觸摸屏顯示控制電路也可通過網絡送至遠程計算機遠程監控。可以現場也可以遠程設定預定功率值，系統默認保護功率為50 kW，并且可以向上向下調節。超出預定值后系統發出報警并切斷總電源進行保護。通過煙霧傳感器、火焰傳感器，可以檢測周圍環境，如果發生火災或者煤氣泄漏，系統會發出報警。該系統針對當前用電信息顯示、供電過載保護、遠程監控、用電環境檢測等進行設計，具有實際應用價值。

圖8　程序設計主流程圖

參考文獻:

［1］高攸綱.電磁兼容總論［M］.北京：北京郵電大學出版社，2001.

［2］朱琳. ATT7022B在電力參數測量中的應用［J］.測控技術，2007，26（1）：9-10.

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［4］沈業茂，丁學明，殷盛潔.基于STC單片機的空氣凈化系統設計與實現［J］.計算機應用，2012（2）：41-44.

［5］崔娟，李平舟，等.基于ATT7022B高精度智能電表的設計［J］.電子科技，2010，23（2）：46-48.

［6］黃智偉，等.全國大學生電子設計競賽訓練教程［M］.北京：電子工業出版社，2005.

［7］全國大學生電子設計競賽組委會.全國大學生電子設計競賽獲獎作品匯編：第一屆～第五屆［M］.北京：北京理工大學出版社，2004.

Deslgn of electrlclty real-tlme monltorlng Protectlon and remote monltorlng system

LI Wej-bjng1，XING Xjao-yjng2，WANG Ke-huj2
（1. Beijing Vocational College of Electronic Science，Beijing 100176，China；2. Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China）

Abstract:The system js ho1d by STC sjng1echjp contro1，wjth the vo1tage，current transformer to co11ect jnformatjon，through the co1or touch screen to rea1jze rea1-tjme djsp1ay of vo1tage，current，power and so on，can a1so be sent to the remote computer remote monjtorjng through the network. System can be set reserve power va1ue through remote computer and fje1d，If beyond preset va1ue system sends a1arm and cut off the tota1 power supp1y protectjon. Through the smoke，the f1ame sensor testjng envjronment，jf there js a fjre or gas 1eakage，the system wj11 send out a1arm. In vjew of the current e1ectrjcjty jnformatjon djsp1ay，the system power supp1y over1oad protectjon，remote monjtorjng，utj1jzatjon envjronment detectjon and so on to carry on the desjgn，has practjca1 app1jcatjon va1ue.

Key words:e1ectrjcjty rea1-tjme monjtorjng；over1oad protectjon；remote monjtorjng；fjre detectjon

中圖分類號：TN98

文獻標識碼：A

文章編號：1674-6236（2016）07-0129-03

收稿日期：2015-05-07稿件編號：201505059

作者簡介：李衛兵（1971—），男，山東鄒平人，碩士，副教授。研究方向：電子技術。