柳州鐵道職業(yè)技術學院 劉織財

基于ADE7953的高校學生公寓用電管理系統(tǒng)的設計

柳州鐵道職業(yè)技術學院 劉織財

【摘要】介紹了一種基于ADE7953的高校學生公寓用電管理系統(tǒng)的設計方案，實現了學生公寓用電的智能管理。對節(jié)點電能控制器的電能檢測、自動分合閘、通信模塊以及上位機進行了系統(tǒng)的設計和說明，節(jié)點電能控制器以單片機為核心，以ADE7953為電能檢測器件，以RS485為數據傳輸手段，利用VB6.0編寫上位機監(jiān)控軟件，實現了對學生公寓用電智能管理。

【關鍵詞】ADE7953；電能檢測；通信；用電管理

隨著人民生活水平的提高，大學生公寓用電設備越來越多，用電需求量越來越大，高額的電費勢必會影響高校的正常運行，再加之大功率用電對既有線路的安全造成嚴重威脅，為了保證用電安全、節(jié)約開支和滿足學生用電需求的多樣性，開發(fā)了基于ADE7953的高校學生公寓用電管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實時監(jiān)測每個宿舍的用電情況，對異常情況能及時做出響應和判斷，同時能滿足學生用電需求的多樣性和自主性，每個月每個宿舍可以給予一定的免費額度，用以保證基本照明和生活使用，當超過免費額度，學生需自行承擔超出部分的電費，這樣做既能大大減少學校的電費開支，還能培養(yǎng)學生節(jié)約能源的意識。

1.系統(tǒng)的總體方案設計

本系統(tǒng)是由若干個節(jié)點電能控制器（下位機）和一個上位控制系統(tǒng)組成，節(jié)點電能控制器由檢測電路、電能計量器件、單片機、繼電器、存儲器及通信部分組成，每間學生公寓對應一個節(jié)點電能控制器，主要負責該學生宿舍用電情況監(jiān)控、包括：有功功率、無功功率、過流檢測等電參數的采集和分析，并根據實時參數及時做出響應，比如：聲光報警、斷電等措施，確保用電安全，各節(jié)點可獨立運行，也可以通過RS485總線聯絡與上位機通信，上下位機之間通過數據交換，可以在上位機實時查看各節(jié)點運行狀態(tài)、剩余電量、發(fā)布繳費提醒等，具體如圖1系統(tǒng)整體框圖所示。

圖1 系統(tǒng)整體組成框圖

2.硬件電路的設計

2.1 單片機的選擇

本系統(tǒng)選用STC出品的低功耗新型單片機STC15F2k60S2作為節(jié)點電能控制器的控制核心，該單片機是8051單片機的升級版產品，采用1T指令，內置2K字節(jié)大容量SRAM，2組異步串行通信端口，集成了大容量片內EEPROM，可以有效利用這部分資源，存儲系統(tǒng)運行參數和狀態(tài)信息，而無需額外增加外部存儲器件，確保掉電數據不丟失。

2.2 電能檢測電路的設計

電能檢測電路以Analog公司生產的ADE7953作為電能檢測的核心部件，它能夠測量相電壓和電流，并計算有功、無功、視在功率以及瞬時電壓和電流有效值，可同時測量零線電流，支持竊電檢測，ADE7953可以通過多種通信接口訪問片內寄存器，包括 SPI、I2C和UART，再配以必要的檢測轉換電路完成電能的檢測。如圖2所示，5，6，腳為相電流輸入通道，通過電流互感器輸入采樣電流，9，10為零線電流采樣通道，這兩個電流采集通道均為差分輸入通道，11，12為電壓采集通道，基準電源選用片內基準電源1.2V，與單片機之間的接口采用SPI方式，直接與單片機內部SPI端口相連。

圖2 電能檢測電路

2.3 自動分合閘電路

自動分合閘電路采用繼電器作為分合閘動作器件，采用三極管驅動，繼電器的常閉觸點與學生公寓供電線路串聯，如圖2中的KA1，當系統(tǒng)檢測到用電電流過高、有竊電嫌疑、或預充電量已完等情況時，單片機P1.7發(fā)出斷電指令”1”，繼電器線圈得電，常閉觸點斷開，切斷供電；需要恢復供電時，單片機P1.7發(fā)出供電指令”0”，繼電器線圈失電，常閉觸點閉合，供電恢復正常

2.4 鍵盤顯示電路

鍵盤顯示電路是系統(tǒng)人機交互的重要組成部分，采用4個獨立式按鍵，通過軟件即可構成豐富的按鍵功能。顯示器件采用MZLH01-12864圖形點陣LCD顯示器件，與單片機之間通信采用三線準SPI方式通信，鍵盤、顯示器件的七個端口與單片機的P0口相連。

2.5 通訊單元電路

節(jié)點電能控制器與上位機之間采用RS485方式通信，實現多個節(jié)點電能控制器與上位機之間的通訊，本系統(tǒng)選用MAX485芯片作為節(jié)點控制器與上位機之間的接口芯片，電路如圖3所示，用單片機P3.4端口控制MAX485發(fā)送接收使能，總線起始終端都要接120Ω匹配電阻。

圖3 MAX485通訊單元電路

圖4 下位機主程序流程圖

3.軟件設計

軟件設計包括兩部分，一部分是下位單片機部分，采用KEIL C51軟件編寫，另一部分是上位機部分，上位機部分采用VB 6.0軟件編寫。

3.1 下位機軟件設計

下位機軟件設計師本系統(tǒng)的核心，主要包括：人機交互，電能信息采集，數據分析、加工、存儲，數據通信等幾個部分，程序流程圖如圖4所示，程序上電初始化完成后，判斷是否第一次上電，若是第一次上電，則需要先設置本機地址和狀態(tài)參數，設置完畢后就可以讀取電量信息，判斷是否過載？是否欠費等根據判斷的情況做出是否斷電處理等，間隔一定時間要進行一次寫EEPROM，確保數據不丟失。

3.2 上位軟件設計

上位軟件使用VB6.0進行編程，界面簡潔形象直觀，利用這個系統(tǒng)軟件可以實時監(jiān)測各個學生宿舍用電情況，并可以根據需要設置各宿舍允許的最大供電功率、免費供電額度、預交電費等信息，可以預先錄入宿舍長聯系方式，當宿舍預存電量不足一定額度時，可以自動通過GSM模塊給宿舍長發(fā)送繳費提醒，也可以在當前宿舍用電異常時，比如有竊電、超功率使用等情況時，發(fā)送提醒警告信息，當提醒信息發(fā)出后一定時間，如果異常情況仍未消失，則上位機給下位機發(fā)送斷電指令，下位機執(zhí)行斷電措施，切斷當前宿舍供電，待異常解除后，再給下位機發(fā)送供電指令，恢復供電。

3.3 通訊軟件設計

上位機、下位機之間通信采用RS-485方式通信，每個下位節(jié)點都有唯一的地址號，上下位機之間的通訊協議基于Modbus協議制定， Modbus協議是一種已廣泛應用于當今工業(yè)控制領域的通用通訊協議。 Modbus協議使用的是主從通訊技術，即由上位機主動查詢和操作各下位機。兩端通訊的主要內容有：控制命令傳輸、命令二次回傳以及下位節(jié)點狀態(tài)信息等幾方面內容，每幀命令含有地址碼、功能碼、數據碼和校驗碼四個部分。數據幀結構如表1所示：

表1 數據幀結構

幀結構里，每個數據的含義如下：

地址（ADDR）——上、下位機的地址號，每臺下位機初次上電需要設置本機地址和上位機地址。

功能號——相關命令代碼，01表示查詢當前用電情況、02表示斷電、03表示恢復供電、05修改下位機地址號等

數據數量--數據單元的長度，對于不同的功能所需的命令數據長度不一致。

數據——命令代碼。

校驗——采用CRC校驗。

要想執(zhí)行相關操作，上位機首先向下位機發(fā)送相關指令，下位機收到指令后，判斷地址與自身地址是否相符，若不相符，則停止處理，繼續(xù)等待接收新指令，若相符，判斷功能碼，分解具體功能要求并執(zhí)行，并將執(zhí)行情況二次回傳給上位機，完成一次通訊。

4.系統(tǒng)測試

根據要求，系統(tǒng)設計上位機、下位節(jié)點電能控制器并完成系統(tǒng)搭建，在實驗室做了系統(tǒng)調試及相關功能測試，調試結果表明，系統(tǒng)基本實現了相關的設計要求，各節(jié)點能準確檢測電壓、電流，能準確計量電能，能根據要求做出斷電、通電操作，各節(jié)點能獨立運行，也可以與上位機組網運行，通信正常，參數傳遞可靠。

5.結束語

本文設計了一款基于ADE7953的高校學生公寓用電管理系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的整體設計、硬件電路設計及相關軟件的開發(fā)，經實驗驗證，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、計量準確，尤其是其成本低廉，具有一定的推廣價值。

參考文獻

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