周志英，劉 輝，謝明華

基于AVR單片機的惡性負載智能識別控制器設(shè)計*

周志英1，劉 輝2，謝明華2

（1.長沙大學(xué)信息與計算科學(xué)系，湖南長沙410022；2.長沙大學(xué)電子與通信工程系，湖南長沙410022）

設(shè)計了一種基于AVR單片機的惡性負載智能識別控制器，詳細介紹了設(shè)計思想、硬件電路和軟件設(shè)計.通過測試發(fā)現(xiàn)，該控制器能自動監(jiān)控違章電器，限制學(xué)校和企業(yè)宿舍內(nèi)惡性負載電器設(shè)備的使用，從而消除用電安全隱患，延長電線使用壽命.

AVR單片機；惡性負載；智能識別

近年來，隨著高等院校規(guī)模的擴大，在校學(xué)生人數(shù)上升，高校學(xué)生公寓火災(zāi)事故的發(fā)生也日趨增多.據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，熱得快、電爐之類的大功率阻性負載是引發(fā)學(xué)生公寓火災(zāi)的主要原因，被稱之為惡性負載［1］.雖然許多高校明文規(guī)定禁止學(xué)生在宿舍區(qū)域內(nèi)使用惡性負載電器設(shè)備，但學(xué)生私用禁用電器的行為依然存在.為了消除學(xué)生公寓用電安全隱患，相關(guān)方面經(jīng)常要花費很大的人力、物力去檢查宿舍是否使用了大功率禁用電器，但收效甚微.

本文介紹一種基于AVR單片機的惡性負載智能識別控制器，通過判斷負載的變化、負載的特性對惡性負載進行智能控制，實現(xiàn)學(xué)生公寓用電管理的科學(xué)化和智能化，保證學(xué)生的生命財產(chǎn)安全.

1 控制器總體結(jié)構(gòu)及工作原理

控制器由單片機，電流信號提取模塊、電壓信號提取模塊，液晶顯示模塊，報警模塊、按鍵輸入模塊、過零檢測電路和繼電器控制輸出電路構(gòu)成，如圖1所示.

電流信號提取模塊和電壓信號提取模塊提取單片機可測量的小電壓信號，它的輸出端連接到單片機處理單元內(nèi)的A／D轉(zhuǎn)換器，單片機通過A／D轉(zhuǎn)換器對負載的電壓電流波形實時采樣，通過算法，判斷阻性負載階躍功率、純電阻性負載和容性負載這兩種負載的功率各占多大的比例，由繼電器模塊來限制大功率純電阻性負載的接入.控制器限制的不是用電總功率，而是瞬間阻性負載增加的功率，如果阻性負載增加的功率大于的設(shè)定值（受限制的功率大小可調(diào)整），報警模塊會發(fā)出報警聲音，并延時10秒之后切斷用戶的用電線路.過幾分鐘之后（可以預(yù)設(shè)2－5分鐘），系統(tǒng)自動嘗試性恢復(fù)供電，經(jīng)過識別判斷沒有大功率阻性電熱負載接入電路，從而繼續(xù)正常供電.如果再次監(jiān)測到禁用電器仍然接在線路上，控制器再次切斷用戶的用電線路，當(dāng)切斷次數(shù)超過允許次數(shù)時，就不再自動合上，需要由管理員來實現(xiàn)送電.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 主要硬件電路設(shè)計

2.1控制電路設(shè)計

采用ATmega16單片機作為主控芯片，它具有16KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash程序存儲器，滿足大多數(shù)采集系統(tǒng)的程序存儲量的要求，并且該芯片是以ATMEL高密度非易失性存儲器技術(shù)生產(chǎn)的，片內(nèi)FLASH允許程序存儲器通過ISP串行接口在線編程，或者通用編程器進行編程，也可以通過運行于AVR內(nèi)核之中的引導(dǎo)程序進行編程.其性能優(yōu)越穩(wěn)定，計算速度快，功耗低、性價比高、保密性好.片上外設(shè)資源豐富、內(nèi)部帶有8路電壓輸入型10位A／D轉(zhuǎn)換通道（PA0 PA7）［2］，能夠滿足控制器所要求的精度，為設(shè)計帶來了許多便利.單片機外圍電路如圖2所示，取樣電流和電壓信號接到單片機的PA0、PA1引腳.PD0為繼電器模塊控制引腳，控制繼電器的通斷，PD1是報警模塊的輸出引腳，用于控制蜂鳴器發(fā)出報警聲.

圖2 單片機控制電路

2.2電流電壓測量電路設(shè)計

電流信號提取模塊包括電流互感器和運算放大器，如圖3所示.在電流互感器的中心孔內(nèi)穿一匝母線（P1－P2）作為輸入，將大電流信號轉(zhuǎn)化為小電流信號，然后通過電流—電壓轉(zhuǎn)換，將負載上的電流值轉(zhuǎn)換為單片機可以處理的電壓值.圖3中輸出電壓Vout＝I2*R1，輸入單片機的PA1引腳進行A／D轉(zhuǎn)換.

圖3 電流測量電路圖

電壓測量電路如圖4所示，包括電壓互感器和運算放大器，電壓互感原邊S1、S2并聯(lián)在負載兩端，副邊S3、S4分別連接運算放大器的反相端和同相端.輸出電壓Vout＝I2* R2，此電壓信號輸入單片機的PA0引腳進行A／D轉(zhuǎn)換.

2.3過零檢測電路

過零檢測電路可用來判斷單相交流電源的電壓反相點（即過零點）和頻率.電路通過一個NPN三極管和一個“非”門，把交流電變成過零脈沖，反相后作為中斷請求信號輸入至單片機INT0端，電路如圖5所示.

圖4 電壓測量電路圖

圖5 過零檢測電路

2.4繼電器輸出控制電路設(shè)計

繼電器輸出控制電路如圖6所示，當(dāng)單片機端口PD0輸出低電平時，光電耦合器TIL117的發(fā)光二極管發(fā)光，使光敏三極管飽和導(dǎo)通，進而使起驅(qū)動作用的三極管9013飽和導(dǎo)通，于是繼電器線圈J得電，繼電器的動合觸點J1－1閉合，從而使負載通電；當(dāng)PD0輸出高電平時，切斷用戶電源.

圖6 繼電器輸出控制模塊電路圖

2.5人機交互部分設(shè)計

人機交互部分由鍵盤控制和液晶顯示兩部分組成.

2.5.1 液晶顯示設(shè)計

選用2.4tft－qp彩色液晶顯示模塊，顯示器上的每一液晶象素點都是由集成在其后的薄膜晶體管來驅(qū)動，有低電壓、低功耗、無輻射、平板化等優(yōu)點，并且能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率、高清晰度和全彩色的信息顯示，此液晶屏與單片機的接口采用8位數(shù)據(jù)傳輸方式［3］.液晶顯示部分包括3個頁面的顯示，分別為參數(shù)設(shè)置頁面、報警狀態(tài)頁面和工作實測頁面.參數(shù)設(shè)定頁面顯示中包括密碼輸入、參數(shù)修改和允許的最大阻性負載功率；工作實測頁面顯示負載電流、電壓和功率的實時數(shù)值，工作實測頁面顯示如圖7所示.

圖7 工作實測頁面顯示圖

2.5.2 按鍵電路設(shè)計

采用觸摸式按鍵，接口電路如圖8所示，檢測是否有鍵按下的工作原理是：單片機先置PC0高電平，然后立即拉低，PC1檢測到高電平時啟動定時／計數(shù)器計數(shù)，檢測到低電平停止計數(shù).若沒有人體的電容存在（人體不接觸按鍵），定時計數(shù)器的計數(shù)值很??；如果人體接觸了按鍵，PC1檢測低電平的時間延長，定時計數(shù)器的計數(shù)值增大.單片機根據(jù)計數(shù)值的大小來判斷是否有鍵按下.

圖8 觸摸式按鍵電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計全部采用C語言編程，并采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)，包括主程序、顯示模塊、按鍵模塊、A／D采樣和數(shù)據(jù)處理等模塊.

3.1主程序設(shè)計

主程序流程圖如圖9所示.控制器上電后首先執(zhí)行初始化程序，包括將單片機的I／O口初始化、定時／計數(shù)器初始化、A／D轉(zhuǎn)換器初始化和液晶顯示模塊初始化，接著去讀取E2PROM的參數(shù)設(shè)定值，然后進入按鍵檢測、數(shù)據(jù)采樣與處理、對液晶執(zhí)行相應(yīng)頁面的顯示、報警狀態(tài)檢測和負載判斷控制處理程序.

3.2A／D采樣程序及數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計

采用單片機自帶的A／D轉(zhuǎn)換器進行電壓和電流波形的采樣，當(dāng)檢測到波形的零點到來時，立刻啟動A／D采樣，每半周期采樣180個點，采樣完半個周期之后，計算一次電壓有效值，計算公式為：U＝0.707Umax，其中Umax為采樣電壓的最大值.

圖9 主程序流程圖

采用數(shù)字濾波技術(shù)，對10個連續(xù)的電壓有效值求一次平均值，即為實時電壓有效值，同理可以計算出電流有效值［4］.

3.3按鍵接口程序設(shè)計

設(shè)有4個按鍵，用來輸入密碼和調(diào)節(jié)控制器允許的阻性負載階躍功率.部分按鍵處理程序設(shè)計如下：

void key_event1（）

｛

uint tmp；

key＝KeyScan（）；

if（key）

｛

_delay_ms（5）；

key＝KeyScan（）；

if（key）

｛

tmp＝key；／／松手檢測用

if（key＝＝3）

CeFlag＝1；

if（key＝＝1）

｛

SetFlag＝1；

_delay_ms（100）；

PaintSpace（50，244，24，60，green）；

DisplayNum（50，244，setpower，red）；

｝

while（key＝＝tmp）／／松手檢測

｛

key＝KeyScan（）；

if（key?。絫mp）／／不是當(dāng)前值

｛

_delay_ms（5）；／／消抖

key＝KeyScan（）；

｝｝｝｝｝

4 結(jié)束語

惡性負載智能識別控制器采用單片機跟蹤識別技術(shù)，通過對電路中用電器的電流、電壓波形等信息進行采樣跟蹤、對負載階躍變化、負載特性的判斷，進行自動識別，和預(yù)置參數(shù)進行實時比較并做出相應(yīng)的處置，可以有效的控制惡性負載的使用.經(jīng)過現(xiàn)場應(yīng)用表明該控制器能控制熱得快、電爐、電暖器、電飯煲等大功率惡性負載的使用，對電腦、日光燈、充電器等日常用電不加限制，起到安全節(jié)能的作用，方便大中院校和單位集體宿舍的管理.

［1］高坤生.數(shù)字式惡性負載識別裝置的研究［J］.計算機光盤軟件與應(yīng)用，2010，（4）：121－127.

［2］張軍.AVR單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)典型實例［M］.北京：中國電力出版社，2005.

［3］郭鵬，魏廷存，張盛兵.液晶驅(qū)動芯片內(nèi)置GRAM的訪問控制［J］.微計算機應(yīng)用，2007，（4）：415－419.

［4］楊黎，楊林芳.基于PIC單片機的惡性負載智能識別控制器設(shè)計［J］.電子世界，2009，（7）：19－20.

The Design of Malignant Load Intelligent Recognition Controller Based on AVR M icrocontroller

ZHOU Zhiying1，LIU Hui2，XIE Minghua2
（1.Department of Information and Computing Science，Changsha University，Changsha Hunan 410022，China；2.Department of Electronics and Communication Engineering；Changsha University，Changsha Hunan 410022，China）

This paper presents amalignant load intelligent recognition controller based on AVR microcontroller，and describes the design idea，hardware and software design.Tests show that the controller can automatically control illegal electrical equipment and limit the use ofmalignant load electrical equipment in dormitory，thereby eliminating the electrical safety hazards and extending the service life of the wire.

AVR microcontroller；malignant load；intelligent recognition

TP23

A

1008－4681（2014）02－0024－04

（作者本人校對）

2013－10－22

長沙大學(xué)科研基金（批準(zhǔn)號：CDJJ－12010201）資助項目；長沙大學(xué)人才引進科研基金（批準(zhǔn)號：SF1211）資助項目.

周志英（1972－），女，湖南長沙人，長沙大學(xué)信息與計算科學(xué)系副教授，碩士.研究方向：應(yīng)用數(shù)學(xué)、自動控制.