孫越　李聰　蘆茜　周月

【摘 要】隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷更新延續(xù)，電力系統(tǒng)在學(xué)生宿舍樓中的應(yīng)用越來越廣泛，并且日趨復(fù)雜化。這就對學(xué)生宿舍樓的電力交流參數(shù)的測試和管理水平提出了更高的要求。該文介紹了以單片機(jī)STC12C5A60S2作為核心處理器，完成對寢室用電量實(shí)時(shí)監(jiān)測及限電功能，本系統(tǒng)由液晶顯示屏、電流互感器、電流信號的采集、電壓信號的采集、報(bào)警電路、繼電器觸點(diǎn)保護(hù)電路、智能手機(jī)以及通信等藍(lán)牙模塊組成。電路檢測模塊實(shí)現(xiàn)對交流電壓和電流的不間斷實(shí)時(shí)檢測，并用液晶顯示屏LCD12864、智能手機(jī)對學(xué)生寢室用電器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。當(dāng)使用大功率用電器時(shí)，進(jìn)行報(bào)警提示，并通過通信總線傳輸?shù)街鞅O(jiān)控單元，從而實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)測及限電。

【關(guān)鍵詞】STC12C5A60S2;電量監(jiān)測;電流互感器

中圖分類號： TM45 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）22-0042-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.22.017

0 引言

目前，學(xué)生宿舍的安全用電普遍存在管理難、用電量大、安全隱患等嚴(yán)重問題。學(xué)生在寢室用電時(shí)難免有違規(guī)之處，僅靠宣傳或?qū)W生的自覺性，很難使用電事故發(fā)生率得到顯著降低。智能監(jiān)測裝置可以實(shí)時(shí)監(jiān)測寢室用電量，當(dāng)學(xué)生使用大功率用電器時(shí)有效發(fā)揮自動報(bào)警及限電功能，保護(hù)寢室用電線路，減少火災(zāi)發(fā)生。

1 設(shè)計(jì)目的

設(shè)計(jì)并制作一個學(xué)生寢室用電量智能監(jiān)測裝置，可以測量寢室內(nèi)學(xué)生各自插座上的主要電氣參數(shù)信息，并達(dá)到超負(fù)荷時(shí)自動跳閘和恢復(fù)。

2 控制系統(tǒng)原理

控制系統(tǒng)分為三個單元：用電量監(jiān)測單元，中央控制單元和智能限電單元。具體主要由中央控制器，人機(jī)界面裝置，無線藍(lán)牙模塊，主電路控制裝置和用電量監(jiān)測單元組成。寢室用電器接通電源后本裝置通過無線藍(lán)牙連接，并與智能手機(jī)連接。按照正常操作流程，可以通過人機(jī)界面裝置或智能手機(jī)發(fā)出控制指令，中央控制器接收指令并發(fā)出信號給主電路控制裝置。當(dāng)用電器開始工作時(shí)，通過電壓互感器和電流互感器檢測出用電器的電壓和電流，把檢測數(shù)據(jù)脈沖信號送到中央控制器。中央控制器對脈沖信號進(jìn)行算法處理，計(jì)算得到用電器所消耗的用電量數(shù)據(jù)。中央控制裝置將用電量數(shù)據(jù)傳送到人機(jī)界面裝置并發(fā)送到智能手機(jī)，使監(jiān)控人員隨時(shí)掌握寢室用電器的電量情況。圖1是可監(jiān)測用電量的用電器控制系統(tǒng)原理框圖。

3 系統(tǒng)功能

3.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測

采用電壓互感器和電流互感器分別感應(yīng)寢室用電器的工作電壓和電流，轉(zhuǎn)換為小電壓和小電流信號。在CPU的控制下，通過A/D轉(zhuǎn)換，得到小電壓和小電流的有效值，得到實(shí)時(shí)功率數(shù)據(jù)，并通過LED12864和智能手機(jī)顯示。

3.2 限電功能

實(shí)現(xiàn)限電功能，當(dāng)用電器功率大于200W時(shí)自動斷電，且連續(xù)報(bào)警不少于5秒;當(dāng)用電器功率小于或等于200W時(shí)，延時(shí)10秒后，自動恢復(fù)正常工作狀態(tài)。功率的大小是通過電壓220V和電流互感器感應(yīng)到的電流作乘積得到的。利用繼電器進(jìn)行判斷，當(dāng)用電器功率大于200W時(shí)，繼電器自動斷開整個裝置停止工作;當(dāng)用電器功率小于或等于200W時(shí)，繼電器恢復(fù)正常工作狀態(tài)，裝置開始工作。程序流程圖如圖3所示。

3.3 無線傳輸模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)需要利用無線傳輸方式，利用智能手機(jī)，實(shí)現(xiàn)用電器功率上限在1000W以內(nèi)任意設(shè)置，同時(shí)將用電器電壓、電流的有效值和用電量，同步實(shí)時(shí)顯示在智能手機(jī)上，并且當(dāng)有非本人允許的用電器插入本插座時(shí)，應(yīng)實(shí)時(shí)在智能手機(jī)上報(bào)警。該模塊所需要的無線傳輸方式是通過藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)的，以智能手機(jī)應(yīng)用程序APP為客戶端，借助藍(lán)牙無線通信技術(shù)，用電量監(jiān)測裝置作為服務(wù)器端接收手機(jī)的控制信號，從而實(shí)現(xiàn)無線傳輸功能。程序流程圖如圖4所示。

3.4 藍(lán)牙串口APP

本階段一安卓手機(jī)應(yīng)用程序?yàn)榻K端，利用藍(lán)牙技術(shù)，將監(jiān)測裝置作為服務(wù)端，接受信號用電器功率上限在1000W以內(nèi)任意設(shè)置，同時(shí)將用電器電壓、電流的有效值和用電量，同步實(shí)時(shí)顯示在智能手機(jī)上。通過使用藍(lán)牙串口APP與用電量監(jiān)測裝置的連接，就可以在允許范圍內(nèi)監(jiān)測到用電器的電壓、電流、功率及消耗用電量情況。在藍(lán)牙串口APP中需要設(shè)置兩個按鍵“+”和“-”，用來實(shí)現(xiàn)對功率的自加和自減。

4 硬件設(shè)計(jì)

在插座零線串聯(lián)一個電流互感器，從而得到用電器的電流。用穩(wěn)壓降壓模塊把12V電壓轉(zhuǎn)變成5V電壓從而使單片機(jī)和顯示屏能正常工作，用繼電器來保護(hù)電路，實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關(guān)”。在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。

4.1 單片機(jī)

本文采用STC12C5A60S2單片機(jī)，根據(jù)單片機(jī)本身的A/D轉(zhuǎn)換功能實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的目的，為下一次傳輸過程奠定基礎(chǔ)。

4.2 電流互感器

電流互感器采用ZMCT1038/C型電流互感器，其體積小，精度高，一致性好，適用于電力測量和保護(hù)。原邊符號為P1、P2，副邊符號為S1、S2?；ジ衅鞯脑叴尤胫骶€路，被測電流為I1，原邊匝數(shù)為N1，副邊接內(nèi)阻很小的電流表或功率表的電流線圈，副邊電流為I2，副邊匝數(shù)為N2。在理想情況下，即忽略線圈的電阻，鐵心損耗及漏磁通可得：I1N2=I2N2，有I1/I2=N2/N1，即線圈的匝數(shù)與電流成反比。該電流互感器的變化比為1000：1。原理圖如圖4所示。

4.3 電源

電源由變壓部分、濾波部分、穩(wěn)壓部分組成。為整個系統(tǒng)提供5V或者12V電壓，確保電路的正常穩(wěn)定工作。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)對學(xué)生寢室用電量不但（下轉(zhuǎn)第109頁）（上接第43頁）可以通過智能手機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測，還可以對寢室使用大功率用電器做到自動斷電、報(bào)警、自動恢復(fù)及限電功能，為學(xué)生寢室安全提供了一定保障，并且在電力節(jié)能管理等方面發(fā)揮明顯的作用。該智能裝置系統(tǒng)具有較高的性價(jià)比，安全可靠，使用方便簡單，有效杜絕了校園寢室重大安全隱患，值得研究和推廣。

【參考文獻(xiàn)】

[1]何立民.MCS51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[2]胡偉.單片機(jī)C語言程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用實(shí)例[M].人民郵電出版社，2003.

[3]郟東耀，楊雷，丁天懷.數(shù)字濾波抗干擾技術(shù)在A/D轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2003，（8）：52-54.

[4]唐耀武，羅忠寶，張立新.單片機(jī)控制技術(shù)及應(yīng)用[M].北京機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

[5]黃偉主編.電能計(jì)量技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2012.