孫立輝　王海

摘 要： 高校宿舍限電系統(tǒng)大多采用相位比較的方法來(lái)限制大功率電器設(shè)備的使用，這種方法僅能限制純電阻負(fù)載，針對(duì)這一不足，設(shè)計(jì)一種通過(guò)限制功率的方法來(lái)限制大功率電器設(shè)備的多功能用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)記錄ADE7755專用電能測(cè)量芯片輸出的脈沖個(gè)數(shù)實(shí)現(xiàn)電能的計(jì)量，通過(guò)計(jì)算兩脈沖的時(shí)間間隔實(shí)現(xiàn)負(fù)載的功率，當(dāng)功率超過(guò)某一限值時(shí)，實(shí)現(xiàn)斷電。同時(shí)該系統(tǒng)還具有電能計(jì)量、無(wú)線抄表、電壓和溫度測(cè)量、時(shí)鐘顯示、火災(zāi)報(bào)警等輔助功能。實(shí)際運(yùn)行表明，該系統(tǒng)功率相對(duì)誤差小于2%，電能相對(duì)誤差小于5%，電壓測(cè)量相對(duì)誤差小于3%，同時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，在保障宿舍安全用電方面起到了積極的作用。

關(guān)鍵詞： 限電； 電能計(jì)量； 監(jiān)控； 無(wú)線抄表

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）04?0135?04

Abstract： The phase comparison method is mostly adopted in college dormitory electricity limit system to limit the use of high?power electrical appliances， which can only limit the pure resistive load. To solve this insufficiency， a multi?function power monitoring system for electricity utilization was designed to restrict the use of high?power electrical appliances by limiting the power. The electric power metering is realized by recording the pulse number output from the dedicated power measurement chip ADE7755. The load power is calculated by the interval between two pulses. When the power exceeds the limiting value， the power is cut off. The system has the auxiliary functions of electric power metering， wireless meter reading， voltage and temperature measurement， clock display and fire warning. The actual running shows that the relative error of the system power is less than 2%， the relative error of electric energy is less than 5%， the relative error of voltage measurement is less than 3%. The system is stable and reliable， and can play an active role in safety utilization of electric power for dormitory.

Keywords： electricity limit； electric power metering； monitoring； wireless meter reading

0 引 言

隨著我國(guó)高校的辦學(xué)規(guī)模不斷擴(kuò)大，在校人數(shù)不斷增加，高校宿舍使用大功率電器也隨之增多。雖然各高校都嚴(yán)加控制，但卻無(wú)法杜絕學(xué)生繼續(xù)使用，這給高校宿舍安全帶來(lái)了很大隱患。同時(shí)，市場(chǎng)上現(xiàn)有的電能表性能較差，精度也差，需要一種智能化、穩(wěn)定的電能表[1?6]?，F(xiàn)在宿舍采用的限電電能表通常采用相位比較的方法來(lái)判斷是否使用過(guò)大功率的電氣設(shè)備[7?10]，但是這種方法卻無(wú)法檢測(cè)并限制學(xué)生通過(guò)變壓插排使用大功率電氣設(shè)備，宿舍隱患仍然存在。為了更好地限制宿舍大功率電氣的使用，設(shè)計(jì)了一種采用限制功率方法的多功能用電監(jiān)控系統(tǒng)，除了可以限制大功率設(shè)備外，還具有電能計(jì)量、無(wú)線抄表、電壓顯示等功能，同時(shí)兼有時(shí)鐘顯示、火災(zāi)報(bào)警等輔助功能。

1 系統(tǒng)總體方案

本設(shè)計(jì)采用AT89C52單片機(jī)作為控制器。采用ADE7755專用電能測(cè)量芯片對(duì)電能和功率進(jìn)行測(cè)量，電能的計(jì)量通過(guò)ADE7755輸出脈沖個(gè)數(shù)實(shí)現(xiàn)，負(fù)載消耗的功率通過(guò)計(jì)算兩脈沖的時(shí)間間隔實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電器總功率超過(guò)安全值時(shí)，單片機(jī)控制繼電器實(shí)現(xiàn)宿舍斷電功能，進(jìn)而有效限制大功率電器的使用。采用GSM短信技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線抄表。通過(guò)QM?2傳感器檢測(cè)煙霧用于宿舍火災(zāi)檢測(cè)，有火災(zāi)發(fā)生時(shí)發(fā)送報(bào)警信息。通過(guò)交流電壓互感器對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行采樣、濾波。通過(guò)ADC0832實(shí)現(xiàn)電壓的測(cè)量。采用LCD1602液晶顯示屏顯示電能、功率、溫度、電壓、時(shí)鐘等。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 電源部分設(shè)計(jì)

電源電路是整個(gè)系統(tǒng)能穩(wěn)定工作的前提和關(guān)鍵，系統(tǒng)中的電路都需要直流5 V電源供電，ADE7755輸入電壓對(duì)地電壓較高，為了保證單片機(jī)和ADE7755之間不產(chǎn)生相互干擾，本設(shè)計(jì)中對(duì)單片機(jī)和ADE7755采用雙電源供電。

（1） ADE7755電源電路

多功能電能表在工作時(shí)防止雷擊燒毀芯片，采用壓敏電阻作為限壓型保護(hù)器件。ADE7755功耗比較小，采用電容降壓法為ADE7755供電，此方法利用電容在一定的交流信號(hào)頻率下產(chǎn)生的容抗來(lái)限制最大工作電流。

2.3 電壓測(cè)量電路

電壓測(cè)量采用南京澤明電子公司的ZMPT101微型精密電壓互感器降壓測(cè)量。電壓互感器輸入電流和輸出電流為1∶1，將電網(wǎng)的電壓通過(guò)50 kΩ水泥電阻限流，輸入到ZMPT101電壓互感器輸入端?；ジ衅鬏敵鲭妷旱挠行е礫Uo]和輸入電壓有效值[Ui]的關(guān)系為：

[Uo=UiR28?R27] （7）

使用ADC0832測(cè)量輸出端峰值電壓[Vd]，即可得到輸入電壓。電壓測(cè)量電路如圖6所示。

2.4 輔助功能設(shè)計(jì)

宿舍多功能用電監(jiān)控系統(tǒng)增加了火災(zāi)報(bào)警、時(shí)間顯示功能。溫度測(cè)量電路采用DALLAS公司的DS18B20進(jìn)行溫度測(cè)量，所測(cè)量的溫度值采用9位二進(jìn)制數(shù)表示，因此無(wú)需A/D轉(zhuǎn)換便可把數(shù)據(jù)直接輸入CPU。時(shí)鐘顯示采用的是DALLAS公司的DS1302芯片。液晶顯示部分使用LCD1602，其功能是通過(guò)按鍵切換顯示電能、功率、電壓、溫度、時(shí)鐘等。

由于測(cè)量的電能在斷電前存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，通電后單片機(jī)讀取上次存儲(chǔ)的電能。本設(shè)計(jì)采用CATALYST公司的CAT24WC02作為存儲(chǔ)器。

3 軟件電路設(shè)計(jì)

主程序在執(zhí)行時(shí)分別調(diào)用中斷初始化程序，LCD初始化程序，LCD清屏程序，AT24C02存儲(chǔ)程序，電能脈沖計(jì)量程序，功率測(cè)量程序，溫度測(cè)量程序，煙霧檢測(cè)程序，GSM數(shù)據(jù)接收程序。當(dāng)溫度測(cè)量值大于設(shè)定值時(shí)，調(diào)用GSM火災(zāi)報(bào)警程序、聲光報(bào)警程序，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警功能；當(dāng)GSM接收到抄表信號(hào)時(shí)，調(diào)用GSM信息發(fā)送程序，實(shí)現(xiàn)無(wú)線抄表功能。程序框圖如圖7所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

本系統(tǒng)采用的測(cè)試儀器有標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電能表、4位半數(shù)字萬(wàn)用表、單向交流調(diào)壓器、溫度計(jì)等。

4.1 功率/電能測(cè)量電路測(cè)試數(shù)據(jù)及分析

記錄多功能用電監(jiān)控系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電能表的電能初始值，3 h后記錄多功能電能表和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電能表的電能示數(shù)。重復(fù)前面的步驟，記錄10組數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)如表1所示。記錄多功能電能表和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電能表的功率示數(shù)，增加或減少負(fù)載每10 min測(cè)量一次。重復(fù)以上步驟，測(cè)量10組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記錄如表2所示。

通過(guò)電能測(cè)試數(shù)據(jù)相對(duì)誤差小于±5%，功率測(cè)量精度較高，測(cè)量相對(duì)誤差小于±2%。當(dāng)功率過(guò)大時(shí)單片機(jī)可以正?？刂评^電器切斷電源，3 min后恢復(fù)供電?？梢詫?shí)現(xiàn)限電控制。

4.2 電壓測(cè)量電路測(cè)試數(shù)據(jù)及分析

記錄多功能用電監(jiān)控系統(tǒng)的電壓值和4位半萬(wàn)用表測(cè)量單向交流調(diào)壓器輸出端電壓。調(diào)整單向交流調(diào)壓器輸出電壓，重復(fù)前面的步驟，測(cè)量10組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記錄如表3所示。

電壓測(cè)量受電網(wǎng)噪聲影響和8位A/D分辨率影響，測(cè)量誤差較大。但測(cè)量精度能滿足設(shè)計(jì)要求，測(cè)量誤差小于±2%。

5 結(jié) 語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)將大功率電器限電控制、宿舍用電計(jì)量、無(wú)線抄表、火災(zāi)報(bào)警等功能集于一體，方便高校對(duì)宿舍用電的管理。能有效地限制宿舍大功率電器的使用，減小火災(zāi)發(fā)生的概率，降低學(xué)生損失。但是本次設(shè)計(jì)還有很多的不足：

（1） 本系統(tǒng)功率的測(cè)量是根據(jù)兩個(gè)脈沖的時(shí)間間隔計(jì)算得到的，當(dāng)負(fù)載功率較小時(shí)兩個(gè)脈沖的時(shí)間間隔相對(duì)較長(zhǎng)，測(cè)量的功率反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。

（2） 本系統(tǒng)電能的存儲(chǔ)是每0.01 kW·h（32個(gè)脈沖）電能存儲(chǔ)一次，對(duì)于每次斷電前未達(dá)到0.01 kW·h的電能不能進(jìn)行存儲(chǔ)，會(huì)導(dǎo)致誤差。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔡冰華，熊永康.超低功耗高精度智能電表的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)，2015（4）：41?43.

[2] 周柳奇.分布式電能表遠(yuǎn)程智能抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2014（4）：123?125.

[3] 陳海賓，歐習(xí)洋，汪龍峰，等.基于MSP430F6736的全SOC單相智能電能表設(shè)計(jì)[J].電測(cè)與儀表，2015，52（4）：8?12.

[4] 王峰，張麗杰.智能限電控制器[J].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，33（1）：92?94.

[5] 田擁軍，趙光強(qiáng).基于ZigBee的智能用電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)儀器儀表，2011（4）：35?38.

[6] 陳博，徐建政，劉宵.新型微功率無(wú)線抄表系統(tǒng)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2011，31（5）：134?136.

[7] 孫小春.基于單片機(jī)的智能限電器設(shè)計(jì)[J].海南大學(xué)學(xué)報(bào)，2014（2）：142?146.

[8] 陳碩，陳軍偉.限制學(xué)生寢室使用大功率電器的新裝置研究[J].考試周刊，2013（2）：150.

[9] 樓勇，王楠，陳泓霞.基于相位比較的學(xué)生宿舍限電裝置研究與應(yīng)用[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2011，30（3）：110?112.

[10] 趙瑩，楊偉鴻，李艷娟，等.具有負(fù)載識(shí)別功能的數(shù)字電能表設(shè)計(jì)[J].北華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，16（2）：263?267.