楊超 田聰 李洪印 林鈺堯

摘 要：為解決大學(xué)生公寓違規(guī)用電問題，設(shè)計了學(xué)生公寓用電智能控制裝置。系統(tǒng)以單片機AT89C52為核心，研制用電智能控制裝置，實時采集寢室的電壓、電流，計算功率等參數(shù)，識別用電負(fù)載類型，實現(xiàn)對寢室用電量實時監(jiān)測;當(dāng)使用大功率用電器時，裝置能有效識別并進(jìn)行報警提示，從而實現(xiàn)智能監(jiān)測及限電停電。實際測試證明裝置的有效性。

關(guān)鍵詞：單片機;大功率電器;用電安全

引 言

隨著高校擴招，住宿人數(shù)也變越來越多，隨之而來的住宿安全問題也慢慢變得嚴(yán)峻。首先大學(xué)生正處在思想不完全成熟的階段，對安全意思的防范還在樹立的過程，需要對他們的宿舍環(huán)境進(jìn)行改善，其中用電問題最為重要?，F(xiàn)如今電氣設(shè)備變得多種化，多樣化，其中不乏有一些大功率用電設(shè)備，如電飯鍋，熱水壺、電熱毯、電吹風(fēng)等，使用不當(dāng)，容易發(fā)生火災(zāi)等危險的事故。這些設(shè)備對學(xué)生宿舍的安全造成了很大的威脅。以此需要一些電路檢測裝置或者儀器對學(xué)生的用電情況進(jìn)行合理的管理和防范，謹(jǐn)防出現(xiàn)功率過大等因素造成的火災(zāi)等事故。

學(xué)生公寓的供電線路負(fù)荷有限，使用大功率電器會造成線路功率的變化較大，線路發(fā)熱量增大，極易引發(fā)安全事故，輕則導(dǎo)致跳閘，重則引發(fā)火災(zāi)。近年來在高校公寓發(fā)生多起因為學(xué)生違規(guī)使用大功率電器引發(fā)的事故，給學(xué)校的聲譽帶來不良影響。目前很多學(xué)校采取人工干預(yù)進(jìn)行檢查等方式，其中存在很多問題例如無法及時進(jìn)行反饋，當(dāng)遇到緊急情況時反應(yīng)較慢。針對學(xué)生公寓存在的安全問題，為解決大學(xué)生公寓違規(guī)用電問題，設(shè)計了學(xué)生公寓用電智能控制裝置。裝置以單片機為核心，由電壓、電流信號的采集和調(diào)理電路、報警顯示電路等模塊構(gòu)成智能控電系統(tǒng)，實現(xiàn)對寢室用電量實時監(jiān)測。

一、設(shè)計思路

根據(jù)負(fù)載電壓和電流的相位關(guān)系，即功率因數(shù)的不同，學(xué)生公寓里電負(fù)載主要分為線性負(fù)載和非線性負(fù)載兩類。一般認(rèn)為阻性負(fù)載為線性負(fù)載，而其余負(fù)載均為非線性負(fù)載，例如電腦和熒光燈等屬于非線性負(fù)載，吹風(fēng)機、電熱毯、電爐子、熱得快和電熨斗等屬于線性負(fù)載，常常認(rèn)定為大功率阻性負(fù)載。由于大功率阻性負(fù)載安全性極低，可造成公寓安全隱患，又稱為惡性負(fù)載。惡性負(fù)載識別學(xué)生公寓用電智能控制裝置的研制重點之一。當(dāng)用電負(fù)載接入電路時，供電線路的總功率會發(fā)生變化。如果電壓、電流的相位差，則功率因數(shù)為。不同類型的用電負(fù)載，因其功率和功率因數(shù)的變化存在差異，可作為負(fù)載識別的重要依據(jù)。

二、硬件電路設(shè)計

2.1 單片機主控電路。用電智能控制裝置的主控電路系統(tǒng)選用AT89C52單片機，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制作用。學(xué)生宿舍的電流和電壓采樣信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0832傳送到單片機的 P11、P12 引腳。單片機根據(jù)采集的電壓電流信號經(jīng)過數(shù)據(jù)處理計算出此時負(fù)載的功率和功率因數(shù)，識別負(fù)載類型。如果判定其為惡性負(fù)載，顯示負(fù)載信息并報警，P13引腳用于控制蜂鳴器發(fā)出報警聲;單片機P20引腳是繼電器控制引腳，此時輸出高電平，通過繼電器控制負(fù)載回路斷開。AT89C52片上資源豐富，功能強大，通用性很強，性價比高，功能強大。

2.2 電源轉(zhuǎn)換電路。電源裝換電路包括交流電源、變壓器、整流濾波電路、穩(wěn)壓電路。交流220V供電電源經(jīng)過電源裝換電路，可以為裝置提供比較穩(wěn)定的12V和5V直流電源，供裝置各部分電路使用。

2.3 信號的采集和調(diào)理電路。電壓、電流信號的采集運用電流互感器、電壓互感器完成，隨后電壓與電流信號經(jīng)過信號調(diào)理電路放大、整形等信號調(diào)理后，將線性電壓信號直接傳送至A/D轉(zhuǎn)換器。

Vin2是經(jīng)過電壓互感器采集到的電流信號，單片機不能直接處理，需要經(jīng)過放大整形等信號調(diào)理。信號調(diào)理電路包括了放大、過零檢測和整形處理。

2.4 負(fù)載回路切斷電路。負(fù)載回路切斷電路由光電耦合器和繼電器控制電路構(gòu)成。當(dāng)單片機P20端口輸出控制電平，低電平時，光電耦合器TIL117導(dǎo)通，使得三極管飽和導(dǎo)通，繼電器線圈得電，常開觸點吸合，負(fù)載通電;當(dāng)P20輸出高電平時，繼電器線圈失電，常開觸點斷開，切斷負(fù)載回路電源。

2.5 報警電路。采用蜂鳴器作為報警元件，單片機P13口輸出低電平的時候，三極管導(dǎo)通，電流經(jīng)放大后驅(qū)動蜂鳴器工作，發(fā)出聲音進(jìn)行報警。

2.6 顯示電路。顯示模塊采用LCD1602，用于顯示控制信息，一行顯示負(fù)載狀態(tài)，第二行顯示定時狀態(tài)。單片機的P0口與LCD1602的數(shù)據(jù)口相連，用于輸入顯示數(shù)據(jù)。第3引腳加一個上拉電阻10k，用來調(diào)節(jié)字符的對比度。

三、主程序流程圖

軟件程序主要是對采集到的電壓電流信號進(jìn)行處理，計算出新增負(fù)載的功率因數(shù)以及功率，識別負(fù)載類型，以此判斷是否為惡性負(fù)載、是否總功率超過限制，具體操作如下。

（1）初始化之后，裝置開始采集電壓和電流信號，數(shù)據(jù)處理和計算功率以及功率因數(shù)。如果功率值小于300W，表明此時加入的負(fù)載非大功率用電器（即沒有惡性負(fù)載），接下來判斷系統(tǒng)的總功率是否超限（是否小于1500W），不超限系統(tǒng)正常工作，不斷采集電壓和電流。

（2）如果新增功率值大于300W，檢查功率因數(shù)否接近于1;若功率因數(shù)大于0.9，則可以判定電路中外接大功率用電器（惡性負(fù)載），則發(fā)出警報，開啟定時器;如果惡性負(fù)載在20秒內(nèi)取消，則消除警報，裝置恢復(fù)正常供電;20 秒過后惡性負(fù)載依舊存在，裝置在報警同時自動切斷負(fù)載回路電源;

此時，只有10分鐘檢測不到惡性負(fù)載且總功率不超過上限，系統(tǒng)才恢復(fù)正常供電，或者手動復(fù)位恢復(fù)供電。

四、測試

根據(jù)硬件電路圖焊接各個模塊電路，將編制的軟件程序經(jīng)過調(diào)試，寫入單片機中。組裝成整體控制裝置。裝置安裝在宿舍斷路器下方的火線和零線進(jìn)線端。通過實際電路的測試，當(dāng)接入“熱得快”等大功率用電器時，裝置能有效識別并報警器發(fā)聲，20秒之后電源自動切斷，證明裝置運行效果有效，操作可行。

五、結(jié)語

學(xué)生公寓用電智能控制裝置對學(xué)生公寓的學(xué)生用電情況進(jìn)行實時檢測，在學(xué)生使用大功率的違規(guī)電器的時候，可以識別并進(jìn)行報警提示，在發(fā)生危險之前限電停電。學(xué)生公寓用電智能控制裝置的研制能夠有效杜絕私用大功率電器，易于實現(xiàn)實現(xiàn)學(xué)生公寓用電的智能化控制，為解除高校宿舍用電隱患問題提供了有效方案。

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作者簡介：楊超（1979-），男，副教授，博士在讀;

田聰（1981-），女，黑龍江雞西人，副教授，碩士，研究方向：電氣工程、智能控制、實驗教學(xué);

李洪印，男，黑龍江工業(yè)學(xué)院17級電氣工程及其自動化專業(yè)，學(xué)生;

林鈺堯，男，黑龍江工業(yè)學(xué)院17級電氣工程及其自動化專業(yè)，學(xué)生。

基金：黑龍江省自然科學(xué)基金項目《智能甄別竊電漏計控制系統(tǒng)的研究》（項目編號：LH2019F050）成果。

項目來源2：黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（編號：201911445005 ）《一種限制學(xué)生寢室使用大功率電器的新裝置研制》。