常 碩，韓成浩

吉林建筑大學(xué) 電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院,長春 130118

校園安全用電一直是國家極為關(guān)注的重要環(huán)節(jié),近年來校園用電事故頻發(fā),需要迫切解決校園用電安全問題.校園用電預(yù)警已成為用電安全的一個(gè)先決條件,用電管理系統(tǒng)可以有效預(yù)警、監(jiān)測校園用電[1].因此,設(shè)計(jì)一套校園安全用電管理系統(tǒng),具有重要價(jià)值.本文采用軟件與硬件相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)管理系統(tǒng),事故發(fā)生前該系統(tǒng)對違規(guī)用電寢室可進(jìn)行有效斷電;事故發(fā)生時(shí)該系統(tǒng)可及時(shí)根據(jù)電表位置找到事故點(diǎn);事故發(fā)生后該系統(tǒng)可根據(jù)數(shù)據(jù)歷史記錄有效地找出事故起因.

1 總體方案

本管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)成用電參數(shù)采集、主控芯片和數(shù)據(jù)存儲等3部分.首先,系統(tǒng)硬件選用MAXQ 3180與C 8051 F 020單片機(jī)作為主要的采集芯片與控制芯片;其次,選取10個(gè)公寓作為目標(biāo)樓段,在每個(gè)公寓的每個(gè)房間內(nèi)均設(shè)置了1個(gè)采集器,以便對每個(gè)房間進(jìn)行參數(shù)質(zhì)量監(jiān)測與中斷控制等操作;第三,在每個(gè)公寓內(nèi)均設(shè)置了1個(gè)集中器,采集器與集中器經(jīng)CAN總線連接, 采集器將每個(gè)房間的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,集中器將每個(gè)公寓的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總[2];最后,各集中器通過WLAN無線局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至電能管理控制中心,每個(gè)學(xué)生可用手機(jī)進(jìn)入電能界面進(jìn)行本寢室電能查詢，設(shè)計(jì)總體框圖如圖1所示.

圖1 總體框圖Fig.1 Overall block diagram

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)成電力參數(shù)采集、主控芯片數(shù)據(jù)處理等兩大主要模塊,硬件設(shè)計(jì)涉及到芯片選型、電路調(diào)整和芯片間的通訊連接等多方面內(nèi)容[3].首先,用MAXQ 3180芯片對校園用電電壓與電流進(jìn)行采集,然后根據(jù)自帶計(jì)算公式對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,從而得到本系統(tǒng)所需用電參數(shù),采用SPI總線將MAXQ 3180與C 8051 F 020單片機(jī)連接起來[4],單片機(jī)將采集的用電參數(shù)進(jìn)行整理,先進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換獲取數(shù)據(jù),再進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換傳出數(shù)據(jù)[5].

2.1 電力參數(shù)采集模塊

本設(shè)計(jì)電力參數(shù)采集模塊采用maxim公司的MAXQ 3180采集芯片,MAXQ 3180是專用的電氣測量前端,它采集計(jì)算多項(xiàng)負(fù)載的多相電壓、電流和功率能量等多種計(jì)量參數(shù)和功率品質(zhì)參數(shù)[6].采集電力參數(shù)分為測量電壓和測量電流.選用分壓電阻式采集方式測量電壓,選用電流互感器采集方式測量電流.MAXQ 3180基于電網(wǎng)周期積分處理計(jì)算電壓、電流值,確定有功和無功能量.功率、能量計(jì)算過程包括每一網(wǎng)周期觸發(fā)的連續(xù)累加和后處理.采集電路原理圖(以單相為例)如圖2所示.

圖2 采集電路原理Fig.2 Acquisition circuit schematic diagram

2.2 主控芯片數(shù)據(jù)處理模塊

本設(shè)計(jì)中的主控芯片數(shù)據(jù)處理模塊選用Silicon Labs公司的C 8051 F 020單片機(jī),C8051F系列單片機(jī)具有豐富的內(nèi)部資源,并包含12位精度的A/D,D/A轉(zhuǎn)換模塊,便于模擬、數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換.此外,C 8051 F系列單片機(jī)還具有操作簡單,在線下易于調(diào)試等特點(diǎn)[7].該系列單片機(jī)擁有自己獨(dú)有的編譯器IDE,操作起來更簡單,且與傳統(tǒng)keil編譯器兼容.MAXQ 3180與C 8051 F 020采用SPI協(xié)議進(jìn)行通信連接,C 8051 F 020單片機(jī)與集合器采用CAN總線通訊方式進(jìn)行連接.

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)上位機(jī)界面是應(yīng)用Labview軟件進(jìn)行開發(fā)的,Labview軟件是一款使用圖形符號作為程序進(jìn)行編譯的[8].采集器與集合器連接主要采用CAN總線通信方式,還分別配備了RS 232串口和RS 485串口,當(dāng)前期進(jìn)行一對一測試時(shí),可直接選用RS 232串口或這RS 485串口直接與測試計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接[9].集合器通過校園無線局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至匯總數(shù)據(jù)庫,通過虛擬儀器從數(shù)據(jù)庫中讀取相關(guān)數(shù)據(jù)展現(xiàn)出來.

3.1 采集器軟件部分

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集及上傳主要是C 8051 F 020單片機(jī)通過SPI通信讀取MAXQ 3180的用電參數(shù)數(shù)據(jù),系統(tǒng)開始初始化,檢測芯片是否正常,單片機(jī)讀取采集芯片數(shù)據(jù),本系統(tǒng)設(shè)計(jì)成5 min為1個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn),每5 min測得1組數(shù)據(jù)進(jìn)行保存,每24 h為1個(gè)大周期進(jìn)行歷史記錄的保存.當(dāng)出現(xiàn)失壓或掉電情況時(shí),立即保存數(shù)據(jù),結(jié)束運(yùn)行.C 8051 F 020讀取MAXQ 3180數(shù)據(jù)程序流程如圖3所示.

圖3 程序流程Fig.3 Program flow

3.2 Labview上位機(jī)部分

本系統(tǒng)上位機(jī)應(yīng)用Labview進(jìn)行設(shè)計(jì),上位機(jī)界面前面板主要對實(shí)時(shí)參數(shù)、歷史記錄、報(bào)警限值及實(shí)時(shí)波形等4個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì),并對電壓、電流、功率和功率因數(shù)等參數(shù)進(jìn)行讀取[10].當(dāng)開關(guān)打開時(shí),開始讀取、記錄用電數(shù)據(jù),并專門采集溫度數(shù)據(jù),當(dāng)溫度過高時(shí),進(jìn)行斷電降溫處理,以防燒壞芯片.Labview界面與程序框圖如圖4所示.

(a) 界面(a) Interface

(b) 程序框圖(b) Program block diagram

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的一款校園安全用電管理系統(tǒng)可以有效預(yù)防火災(zāi)發(fā)生，在實(shí)驗(yàn)階段就已達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo).通過寢室用電電器的功率因數(shù)大小,可以判斷學(xué)生是否使用違章電器.當(dāng)出現(xiàn)違章電器時(shí)能及時(shí)進(jìn)行斷電、定位處理,這大大減少了寢室火災(zāi)的發(fā)生.通過觀察上傳數(shù)據(jù)的歷史記錄,可直觀判斷電能質(zhì)量如何,從而加強(qiáng)對某一時(shí)段的預(yù)警.當(dāng)事故發(fā)生時(shí)也可根據(jù)發(fā)生地點(diǎn)用電參數(shù)的突變判斷事故起因，同時(shí)設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),學(xué)生也可通過手機(jī)進(jìn)行寢室用電管理與查看.此設(shè)計(jì)符合當(dāng)前國家安全管理理念,具有較好的應(yīng)用前景,可大幅度有效減少校園用電事故的發(fā)生.