智能多通道电功率分配的硬件设计

苏欣

摘 要：随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，电力已成为工农业生产、科研、城市建设、市政交通和人民生活不可缺少的二次能源。在使用电力过程中，不注意安全，会造成人身伤亡事故和国家财产的巨大损失。因此，随着电力事业的发展，用电设备和耗电量的增加，用电安全的重要性日益突出。文章设计的智能多通道电功率分配的硬件设计是一种具有实现家庭电路过功率保护，在家庭电路短路和过负载的情况下实现自动断电保护的智能家用用电保护装置。

关键词：单片机；用电保护；智能

1 系统设计方案

1.1 实现目标

设计一种能够实现家庭过功率保护，在家庭电路过功率的情况下能够自动断电并在功率恢复后自动启动的智能多通道电功率分配系统。该系统还能通过按键直接设置上限功率，同时该系统不仅能够实时显示干路电流和功率，还能实时显示电路工作状态和危险信号，并做出有效反应。具有价格便宜、使用方便、性能可靠、功率可控等优点。

1.2 系统总体功能

通过电流互感器SCD211FK、峰值检测电路实时检测入户线上的电流、电压，将检测到的值通过数模转换电路ADC0809输入单片机AT89S52，AT89S52将电流、电压值反映到LCD液晶显示屏上。通过按键电路给系统设定一个功率上限值，当家用电器的功率超过给定值时，单片机AT89S52给继电器信号，促使其发生保护动作，切断电源，并在LCD液晶显示屏上显示。当家用电器的功率低于功率上限时，单片机AT89S52给继电器信号，使其恢复给家用电器供电。

1.3 工作原理

系统是基于单片机AT89S52控制系统，包括显示模块、传感器模块、峰值检测模块、AD转换模块、放大模块等。干路大电流通过电流互感器STC211FK能够转换成小电流输出，再经过精密运放OP07转换成电压信号，然后通过检波电路进行峰值检测，再有AD0809采样输出稳定值，进过软件计算可得到精确地功率，从而实现过功率保护。

2 单元电路设计

2.1 电流互感器放大电路

电流互感器放大电路中使用SCT211FK电流互感器。SCT211FK是一款高精密的电流互感器，输入额定电流为2mA，额定输出电流为2mA。其线圈扎数比为1：2000，可耐控冲击电流为100A*1秒。

2.2 数模转换电路

ADC模块中主要是逼近型数模转换器ADC0809芯片，ADC0809芯片内部具有锁存功能的8通道模拟多路开关，可对8通道0～5的输入模拟电压分式的进行转换，芯片内具有多路开关地址译码器和比较器、锁存电路、256R电阻T型网络、逐次逼近型寄存器、SAR树状电子开关、控制和时序电路等。ADC0809芯片输出具有TTL三台锁存功能的缓冲器，可以与单片机总线直接连接。

2.3 峰值检测电路

由运放LF353和二极管、电容构成的检波电路，用于检测入户电压峰值。LF353是JFET型标准线性运算放大器，用电压跟随器不仅能作为缓冲器，而且和很好的隔离作用，并且能提高直流特性。该电路利用二极管的单向导通能力和电容充放电特性，得到比较准确的峰值。

2.4 基于单片机AT89S52的单片机最小硬件系统

单片机运行工作起来，所必需的最基本电路组成。最基本电路构成有电源电路、时钟电路、复位电路。

2.4.1 复位电路。由电容串联电阻构成，由“电容电压不能突变”的性质可知，当系统一上电，RST脚将会出现高电平，并且这个电高平持续的时间由电路的RC值来决定。典型的52单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位，所以，适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。本设计中C取10μ，R取8.2K。原则要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机器周期的高电平。

2.4.2 时钟电路。当单片机在工作时，从取指令到译码再进行微操作，必须在时钟信号控制下才能够有序的进行，时钟电路就是为单片机工作提供基本时钟的。单片机的时钟信号通常有两种产生方式：内部时钟方式和外部时钟方式。在单片机XTALL1和XTALL2引脚上跨接上一个晶振和两个稳频电容，可以与单片机片内的电路构成一个稳定的自激振荡器。晶振的取值范围一般为0～24MHz，常用的晶振频率有6MHz、12MHz、11.0592MHz、24MHz等。

2.4.3 电源电路。AT89S51单片机的工作电压范围：4.0V～5.5V，所以通常给单片机外接5V直流电源。该电路输入家用220V交流电，经过全桥整流，稳压后输出稳定的5V直流电。方便实用，输出电压稳定，最大输出电流为1A，电路能带动一定的负载。

2.4.4 单片机最小系统电路。单片机最小系统复位电路的极性电容C1的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用10～30uF，51单片机最小系统电容值越大需要的复位时间越短。系统晶振Y1也可以采用6MHz或者11.0592MHz，在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振，51单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。系统中的起振电容C2、C3一般采用15～30pF，并且电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好。由于检测一个从1到0的下降沿需要2个机器周期，因此要求被采样的电平至少要维持一个机器周期。当晶振频率为12MHz时，最高计数频率不超过1/2MHz，即计数脉冲的周期要大于2ms。

3 结束语

本系统基于单片机AT89S52设计，适用于当家庭电路发生过功率时，实现自动断电保护。可以通过按键直接设置上限功率，超过上限功率系统将对家用电器实现自动断电。通过LCD液晶能够实时显示干路电流和功率，并且能实时显示电路工作状态和危险信号，以此来做出有效反应。

参考文献

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[2]张可村，赵英良.数值计算的算法与分析[M].北京：北京科学出版社，2003.