基于單片機的智能限電器設計

孫小春

(楊凌職業技術學院機電工程學院，陜西楊凌712100)

近年來，學校學生宿舍由于違規用電而引發的火災事件時有發生，損失較為慘重［1］.因此安全用電問題也被提到了學校安全管理的首位.由于學生宿舍環境復雜，日常生活用品堆放雜亂，安全隱患嚴重，對學生的生命和財產安全構成了非常大的威脅［2］.經調查發現全國重大火災發生的原因，很大一部分是由用電線路及用電設備造成的.因此如何自動、正確地識別學生宿舍的違規電器是智能限電器的核心部分.

從市面現有的限電器來看，獲取用電信息的方法較多，如采用電壓、電流互感器加AD轉換的方式，雖然可以獲取相應信息，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行判斷與控制，由于判定條件具有單一和不準確性，因此不能正確判斷出是否存在違規電器.相位識別法利用模擬電子線路設計，使設計較為繁雜，采用電壓與電流的相位差進行識別，雖然能判定是否有違規電器，但由于宿舍用電系統中用電設備的改變，如電腦數量的增加，使限電器的判定存在弊端.

此外調查發現學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電器，此類用電器主要是阻性負載，阻性負載的功率因數較高，基本接近1.當阻性負載大功率電器接入時，功率增大，功率因數也有改變，因此功率和功率因數應該是正確判定違規用電的主要因素.

筆者根據宿舍安全用電的需求，研究并設計了一種從功率和功率因數2個方面進行測量判斷是否存在違規用電現象的限電自動控制器.該設計可以徹底杜絕違規用電現象的發生，使宿舍在允許范圍內能正常供電.

1 系統總體設計

系統設計采用一塊電能計量芯片CS5463對用電情況進行測量，可以測量電壓和電流，并可以計算瞬時功率和功率因數.利用單片機對測量數據進行實時監控，當某一段時間內用電實時功率超過設定值，或者功率因數超出允許數值時，單片機將向繼電器發出控制信號，從而切斷供電電路的功能;停止供電后，操作人員根據現場實際情況重新接通電路.具體超限設定值要根據學生宿舍的實際情況而定，特別是功率因數上下限閾值設定時，一定要把允許使用的電器的功率因數數值包括在范圍之內.實時功率設定值、功率因數上下限閾值可根據宿舍用電器的變化隨時進行在線更新設置.

本設計系統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、在線編程模塊設計電路和繼電器通斷模塊的設計等.本限電裝置系統結構框圖［5－6］，如圖1 所示.

圖1 系統結構框圖

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(復位)，I/O(數據線)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－數轉換器(ADC)、可編程的電能脈沖轉換功能;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，與單片機實現雙向串口數據傳輸;具有片上系統校準功能，方便靈活;具有溫度傳感器，電壓下降檢測，相位補償等功能.因而CS5463模塊也廣泛應用于研制和開發單相、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時與上位機的通訊問題，本設計預留了單片機的9、10、11引腳，這些引腳可以通過485連線與上位機進行串口數據傳輸［10］.將來配合上位機的控制軟件、人機互動界面以及數據庫和管理系統，就可以組成一個完整的學生宿舍限電控制系統.

2 程序流程圖

圖7 程序流程圖

3 小結

本限電器和市面其他產品相比，主要優點有:(1)利用單片機作為控制器其結構精簡，經濟實用;(2)使用實時功率和功率因數作為違規判定條件，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計為以后進行程序的升級和功能數據的變更提供了便利.實踐證明該限電器可以有效地限制大功率用電設備的使用，為安全用電提供了保證.

［1］劉春梅，韓強.基于單片機控制的學生宿舍智能限電器的研究設計［J］.時代教育，2005(3):127－128.

［2］周杰波，陳惠英.基于單片機的智能限電器設計［J］.數字技術與應用，2011(6):130－131.

［3］李愛秋，季昌瑞.基于單片機和電力載波的學生宿舍用電管理系統［J］.機電工程，2008(2):67－69.

［4］范江波，楊麗.基于STC11F04E的智能限電器設計［J］.三門峽職業技術學院學報，2012(2):112.

［5］劉高.單片機實用技術［M］.北京:清華大學出版社，2004:103－155.

［6］馮建華.單片機應用系統設計與產品開發［M］.北京:人民郵電出版社，2005:134－212.

［7］張宏希.限電器原理及其實現［J］.電氣時代，2005(8):118－119.

［8］戴衛軍，楊偉.基于ATtiny25單片機的功率限制器的設計［J］.電子測量技術，2009(4):83－85.

［9］余新拴.新型電能計量芯片CS5463及其應用［J］.儀器儀表用戶，2006(4):90－91.

［10］沙占友，孟志永，王彥.單片機外圍電路設計［M］.北京:電子工業出版社，2006:23－188.