李衛(wèi)兵，邢曉瑩，王克會

（1.北京電子科技職業(yè)學(xué)院北京　100176；2.杭州電子科技大學(xué)浙江杭州310018）

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用電實時監(jiān)測保護(hù)及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

李衛(wèi)兵1，邢曉瑩2，王克會2

（1.北京電子科技職業(yè)學(xué)院北京100176；2.杭州電子科技大學(xué)浙江杭州310018）

摘要：系統(tǒng)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(xiàn)電壓、電流、功率等的實時顯示，也可以通過網(wǎng)絡(luò)送至遠(yuǎn)程計算機遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)可通過現(xiàn)場和遠(yuǎn)程計算機設(shè)定預(yù)定功率值，超出預(yù)定值后系統(tǒng)發(fā)出報警并切斷總電源進(jìn)行保護(hù)。通過煙霧、火焰?zhèn)鞲衅鳈z測周圍環(huán)境，如果發(fā)生火災(zāi)或者煤氣泄漏，系統(tǒng)會發(fā)出報警。該系統(tǒng)針對當(dāng)前用電信息顯示、供電過載保護(hù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控、用電環(huán)境檢測等進(jìn)行設(shè)計，具有實際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：用電實時監(jiān)測；過載保護(hù)；遠(yuǎn)程監(jiān)控；火災(zāi)檢測

伴隨著城市人口和建設(shè)規(guī)模的擴大，各種用電設(shè)備的增多，城市的供電設(shè)備經(jīng)常超負(fù)荷運轉(zhuǎn)，用電環(huán)境變得越來越惡劣。據(jù)統(tǒng)計，每天，用電設(shè)備都要遭受120次左右各種的電源問題的侵?jǐn)_，電子設(shè)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(xiàn)有的安全防護(hù)產(chǎn)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(hù)管理功能且無數(shù)據(jù)存儲功能，一旦發(fā)生事故，斷電數(shù)據(jù)丟失，為分析事故原因帶來不便。市場上大多數(shù)產(chǎn)品，刷新頻次小，增加了意外事故保護(hù)疏忽的機率。

文中針對用電安全問題，開發(fā)了用電實時監(jiān)測與保護(hù)系統(tǒng)。能夠?qū)崟r監(jiān)測用電各項參數(shù)，能設(shè)定用電保護(hù)的功率，當(dāng)用電超出保護(hù)功率時將報警并自動斷電保護(hù)，通過LCD顯示各項參數(shù)以及報警原因，便于根據(jù)故障原因進(jìn)行檢修，并且能夠通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)測用電情況及故障原因，故障排除后可實現(xiàn)遠(yuǎn)程合閘，實現(xiàn)了智能化用電控制，可廣泛用于家庭、工業(yè)、企業(yè)，實現(xiàn)智能化控制與管理。

1　設(shè)計方案

系統(tǒng)總體設(shè)計方案框圖如圖1所示。采用了模塊化設(shè)計方案，分為電壓電流采樣模塊、用電參數(shù)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(wǎng)絡(luò)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(jìn)行采樣；煙霧模塊由可燃?xì)怏w傳感器組成，用于煙霧、可燃?xì)怏w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(fù)責(zé)切斷總電源；網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊串口電路和串口轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)電路組成，采用了ETH2232專用TCP/IP模塊、MAX232電平轉(zhuǎn)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(tǒng)總體方案框圖

2　電路設(shè)計

2.1主控制器設(shè)計

主控制器STC12LE5A60S2最小系統(tǒng)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(tǒng)級芯片（SOC），片內(nèi)集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬、數(shù)字外設(shè)及其他功能部件，內(nèi)置60 kFLASH程序存儲器、1280字節(jié)RAM。包含中央處理器（CPU）、程序存儲器（F1ash）、數(shù)據(jù)存儲器（SRAM）、定時/計數(shù)器、UART串口、串口2、1/O接口、高速A/D轉(zhuǎn)換、SPI接口、PCA、看門狗及片內(nèi)R/C振蕩器和外部晶體振蕩電路等模塊［4］。

2.2電量參數(shù)采集模塊電路設(shè)計

圖2　主控制器電路圖

圖3　電量參數(shù)采集電路

模塊使用ATT7022B多功能專用電量測量芯片，數(shù)據(jù)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(shù)以及頻率測量的數(shù)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(shù)、相角、頻率等參數(shù)。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(biāo)準(zhǔn)表，進(jìn)行誤差校正?？梢詫ㄓ泄?、無功功率進(jìn)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(jìn)行計量參數(shù)以及校表參數(shù)的傳遞，所有計量參數(shù)都可以通過SPI接口讀出。內(nèi)部的電壓監(jiān)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(shè)計

電壓電流采樣電路采用電壓互感器PT2531，電流互感器HCT256A設(shè)計，電路設(shè)計如圖4所示。三極管Q2上方為繼電器UC3，當(dāng)電流超過設(shè)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(wǎng)絡(luò)傳輸模塊電路設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊如圖5所示，由串口電路和串口轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)電路組成，采用專用TCP/IP協(xié)議，直接與單片機UART串行口相連。采用MAX232作為電平轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成串口電路，配合4 個0.1 μF電容完成［6］；采用Eth2232X嵌入式網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)串口電路，其內(nèi)部集成了硬件TCP/IP協(xié)議棧、socket編程實現(xiàn)，全透明傳輸，串口波特率高達(dá)230 kbps。

2.5煙霧檢測電路設(shè)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(yīng)速度快、穩(wěn)定性高、壽命長、驅(qū)動電路簡單等優(yōu)點［7］，通過可變電阻RJ1輸出電平信號，調(diào)節(jié)RJ1，可以改變傳感器靈敏度。

圖5　網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊電路

圖6　煙霧檢測電路

2.6觸摸控制電路設(shè)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(shè)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(qū)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(shè)計

本系統(tǒng)使用的主控制器STC12LE5A60S2單片機的指令集完全兼容傳統(tǒng)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(shè)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(wù)，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(jié)　論

系統(tǒng)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(jīng)電參數(shù)測量集成電路處理后，經(jīng)單片機編程，實現(xiàn)用電參數(shù)如電壓、電路、功率等的實時顯示。系統(tǒng)設(shè)計了彩色觸摸屏顯示控制電路也可通過網(wǎng)絡(luò)送至遠(yuǎn)程計算機遠(yuǎn)程監(jiān)控?？梢袁F(xiàn)場也可以遠(yuǎn)程設(shè)定預(yù)定功率值，系統(tǒng)默認(rèn)保護(hù)功率為50 kW，并且可以向上向下調(diào)節(jié)。超出預(yù)定值后系統(tǒng)發(fā)出報警并切斷總電源進(jìn)行保護(hù)。通過煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?，可以檢測周圍環(huán)境，如果發(fā)生火災(zāi)或者煤氣泄漏，系統(tǒng)會發(fā)出報警。該系統(tǒng)針對當(dāng)前用電信息顯示、供電過載保護(hù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控、用電環(huán)境檢測等進(jìn)行設(shè)計，具有實際應(yīng)用價值。

圖8　程序設(shè)計主流程圖

參考文獻(xiàn):

［1］高攸綱.電磁兼容總論［M］.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2001.

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

［3］李衛(wèi)兵，胡波，邢曉瑩.一種用電實時監(jiān)測保護(hù)及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)［P］. ZL 201120398117. 1，2012-7-11.

［4］沈業(yè)茂，丁學(xué)明，殷盛潔.基于STC單片機的空氣凈化系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.計算機應(yīng)用，2012（2）：41-44.

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

［6］黃智偉，等.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽訓(xùn)練教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

［7］全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽組委會.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽獲獎作品匯編：第一屆～第五屆［M］.北京：北京理工大學(xué)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(xiàn)標(biāo)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(wèi)兵（1971—），男，山東鄒平人，碩士，副教授。研究方向：電子技術(shù)。