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(wèn)題，設(shè)計(jì)了學(xué)生公寓用電智能控制裝置。系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C52為核心，研制用電智能控制裝置，實(shí)時(shí)采集寢室的電壓、電流，計(jì)算功率等參數(shù)，識(shí)別用電負(fù)載類(lèi)型，實(shí)現(xiàn)對(duì)寢室用電量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);當(dāng)使用大功率用電器時(shí)，裝置能有效識(shí)別并進(jìn)行報(bào)警提示，從而實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)測(cè)及限電停電。實(shí)際測(cè)試證明裝置的有效性。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);大功率電器;用電安全

引 言

隨著高校擴(kuò)招，住宿人數(shù)也變?cè)絹?lái)越多，隨之而來(lái)的住宿安全問(wèn)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(duì)安全意思的防范還在樹(shù)立的過(guò)程，需要對(duì)他們的宿舍環(huán)境進(jìn)行改善，其中用電問(wèn)題最為重要。現(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(xiǎn)的事故。這些設(shè)備對(duì)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(cè)裝置或者儀器對(duì)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(guò)大等因素造成的火災(zāi)等事故。

學(xué)生公寓的供電線(xiàn)路負(fù)荷有限，使用大功率電器會(huì)造成線(xiàn)路功率的變化較大，線(xiàn)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(lái)在高校公寓發(fā)生多起因?yàn)閷W(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(yù)帶來(lái)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(wèn)題例如無(wú)法及時(shí)進(jìn)行反饋，當(dāng)遇到緊急情況時(shí)反應(yīng)較慢。針對(duì)學(xué)生公寓存在的安全問(wèn)題，為解決大學(xué)生公寓違規(guī)用電問(wèn)題，設(shè)計(jì)了學(xué)生公寓用電智能控制裝置。裝置以單片機(jī)為核心，由電壓、電流信號(hào)的采集和調(diào)理電路、報(bào)警顯示電路等模塊構(gòu)成智能控電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)寢室用電量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

一、設(shè)計(jì)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(xiàn)性負(fù)載和非線(xiàn)性負(fù)載兩類(lèi)。一般認(rèn)為阻性負(fù)載為線(xiàn)性負(fù)載，而其余負(fù)載均為非線(xiàn)性負(fù)載，例如電腦和熒光燈等屬于非線(xiàn)性負(fù)載，吹風(fēng)機(jī)、電熱毯、電爐子、熱得快和電熨斗等屬于線(xiàn)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(chēng)為惡性負(fù)載。惡性負(fù)載識(shí)別學(xué)生公寓用電智能控制裝置的研制重點(diǎn)之一。當(dāng)用電負(fù)載接入電路時(shí)，供電線(xiàn)路的總功率會(huì)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(lèi)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(shí)別的重要依據(jù)。

二、硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)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(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制作用。學(xué)生宿舍的電流和電壓采樣信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0832傳送到單片機(jī)的 P11、P12 引腳。單片機(jī)根據(jù)采集的電壓電流信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理計(jì)算出此時(shí)負(fù)載的功率和功率因數(shù)，識(shí)別負(fù)載類(lèi)型。如果判定其為惡性負(fù)載，顯示負(fù)載信息并報(bào)警，P13引腳用于控制蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲;單片機(jī)P20引腳是繼電器控制引腳，此時(shí)輸出高電平，通過(guò)繼電器控制負(fù)載回路斷開(kāi)。AT89C52片上資源豐富，功能強(qiáng)大，通用性很強(qiáng)，性?xún)r(jià)比高，功能強(qiáng)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(guò)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(hào)的采集和調(diào)理電路。電壓、電流信號(hào)的采集運(yùn)用電流互感器、電壓互感器完成，隨后電壓與電流信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路放大、整形等信號(hào)調(diào)理后，將線(xiàn)性電壓信號(hào)直接傳送至A/D轉(zhuǎn)換器。

Vin2是經(jīng)過(guò)電壓互感器采集到的電流信號(hào)，單片機(jī)不能直接處理，需要經(jīng)過(guò)放大整形等信號(hào)調(diào)理。信號(hào)調(diào)理電路包括了放大、過(guò)零檢測(cè)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(jī)P20端口輸出控制電平，低電平時(shí)，光電耦合器TIL117導(dǎo)通，使得三極管飽和導(dǎo)通，繼電器線(xiàn)圈得電，常開(kāi)觸點(diǎn)吸合，負(fù)載通電;當(dāng)P20輸出高電平時(shí)，繼電器線(xiàn)圈失電，常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，切斷負(fù)載回路電源。

2.5 報(bào)警電路。采用蜂鳴器作為報(bào)警元件，單片機(jī)P13口輸出低電平的時(shí)候，三極管導(dǎo)通，電流經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)蜂鳴器工作，發(fā)出聲音進(jìn)行報(bào)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(shí)狀態(tài)。單片機(jī)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(gè)上拉電阻10k，用來(lái)調(diào)節(jié)字符的對(duì)比度。

三、主程序流程圖

軟件程序主要是對(duì)采集到的電壓電流信號(hào)進(jìn)行處理，計(jì)算出新增負(fù)載的功率因數(shù)以及功率，識(shí)別負(fù)載類(lèi)型，以此判斷是否為惡性負(fù)載、是否總功率超過(guò)限制，具體操作如下。

（1）初始化之后，裝置開(kāi)始采集電壓和電流信號(hào)，數(shù)據(jù)處理和計(jì)算功率以及功率因數(shù)。如果功率值小于300W，表明此時(shí)加入的負(fù)載非大功率用電器（即沒(méi)有惡性負(fù)載），接下來(lái)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(bào)，開(kāi)啟定時(shí)器;如果惡性負(fù)載在20秒內(nèi)取消，則消除警報(bào)，裝置恢復(fù)正常供電;20 秒過(guò)后惡性負(fù)載依舊存在，裝置在報(bào)警同時(shí)自動(dòng)切斷負(fù)載回路電源;

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

四、測(cè)試

根據(jù)硬件電路圖焊接各個(gè)模塊電路，將編制的軟件程序經(jīng)過(guò)調(diào)試，寫(xiě)入單片機(jī)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(xiàn)和零線(xiàn)進(jìn)線(xiàn)端。通過(guò)實(shí)際電路的測(cè)試，當(dāng)接入“熱得快”等大功率用電器時(shí)，裝置能有效識(shí)別并報(bào)警器發(fā)聲，20秒之后電源自動(dòng)切斷，證明裝置運(yùn)行效果有效，操作可行。

五、結(jié)語(yǔ)

學(xué)生公寓用電智能控制裝置對(duì)學(xué)生公寓的學(xué)生用電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，在學(xué)生使用大功率的違規(guī)電器的時(shí)候，可以識(shí)別并進(jìn)行報(bào)警提示，在發(fā)生危險(xiǎn)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(shí)現(xiàn)實(shí)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(wèn)題提供了有效方案。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)教學(xué);

李洪印，男，黑龍江工業(yè)學(xué)院17級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，學(xué)生;

林鈺堯，男，黑龍江工業(yè)學(xué)院17級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，學(xué)生。

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

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