基于单片机的宿舍多功能用电监控系统的设计

孙立辉　王海

摘 要： 高校宿舍限电系统大多采用相位比较的方法来限制大功率电器设备的使用，这种方法仅能限制纯电阻负载，针对这一不足，设计一种通过限制功率的方法来限制大功率电器设备的多功能用电监测系统。该系统通过记录ADE7755专用电能测量芯片输出的脉冲个数实现电能的计量，通过计算两脉冲的时间间隔实现负载的功率，当功率超过某一限值时，实现断电。同时该系统还具有电能计量、无线抄表、电压和温度测量、时钟显示、火灾报警等辅助功能。实际运行表明，该系统功率相对误差小于2%，电能相对误差小于5%，电压测量相对误差小于3%，同时系统运行稳定、可靠，在保障宿舍安全用电方面起到了积极的作用。

关键词： 限电； 电能计量； 监控； 无线抄表

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 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

随着我国高校的办学规模不断扩大，在校人数不断增加，高校宿舍使用大功率电器也随之增多。虽然各高校都严加控制，但却无法杜绝学生继续使用，这给高校宿舍安全带来了很大隐患。同时，市场上现有的电能表性能较差，精度也差，需要一种智能化、稳定的电能表[1?6]。现在宿舍采用的限电电能表通常采用相位比较的方法来判断是否使用过大功率的电气设备[7?10]，但是这种方法却无法检测并限制学生通过变压插排使用大功率电气设备，宿舍隐患仍然存在。为了更好地限制宿舍大功率电气的使用，设计了一种采用限制功率方法的多功能用电监控系统，除了可以限制大功率设备外，还具有电能计量、无线抄表、电压显示等功能，同时兼有时钟显示、火灾报警等辅助功能。

1 系统总体方案

本设计采用AT89C52单片机作为控制器。采用ADE7755专用电能测量芯片对电能和功率进行测量，电能的计量通过ADE7755输出脉冲个数实现，负载消耗的功率通过计算两脉冲的时间间隔实现。当电器总功率超过安全值时，单片机控制继电器实现宿舍断电功能，进而有效限制大功率电器的使用。采用GSM短信技术实现无线抄表。通过QM?2传感器检测烟雾用于宿舍火灾检测，有火灾发生时发送报警信息。通过交流电压互感器对电网电压进行采样、滤波。通过ADC0832实现电压的测量。采用LCD1602液晶显示屏显示电能、功率、温度、电压、时钟等。本设计系统框图如图1所示。

2 电路设计

2.1 电源部分设计

电源电路是整个系统能稳定工作的前提和关键，系统中的电路都需要直流5 V电源供电，ADE7755输入电压对地电压较高，为了保证单片机和ADE7755之间不产生相互干扰，本设计中对单片机和ADE7755采用双电源供电。

（1） ADE7755电源电路

多功能电能表在工作时防止雷击烧毁芯片，采用压敏电阻作为限压型保护器件。ADE7755功耗比较小，采用电容降压法为ADE7755供电，此方法利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制最大工作电流。

2.3 电压测量电路

电压测量采用南京泽明电子公司的ZMPT101微型精密电压互感器降压测量。电压互感器输入电流和输出电流为1∶1，将电网的电压通过50 kΩ水泥电阻限流，输入到ZMPT101电压互感器输入端。互感器输出电压的有效值[Uo]和输入电压有效值[Ui]的关系为：

[Uo=UiR28?R27] （7）

使用ADC0832测量输出端峰值电压[Vd]，即可得到输入电压。电压测量电路如图6所示。

2.4 辅助功能设计

宿舍多功能用电监控系统增加了火灾报警、时间显示功能。温度测量电路采用DALLAS公司的DS18B20进行温度测量，所测量的温度值采用9位二进制数表示，因此无需A/D转换便可把数据直接输入CPU。时钟显示采用的是DALLAS公司的DS1302芯片。液晶显示部分使用LCD1602，其功能是通过按键切换显示电能、功率、电压、温度、时钟等。

由于测量的电能在断电前存储在存储器中，通电后单片机读取上次存储的电能。本设计采用CATALYST公司的CAT24WC02作为存储器。

3 软件电路设计

主程序在执行时分别调用中断初始化程序，LCD初始化程序，LCD清屏程序，AT24C02存储程序，电能脉冲计量程序，功率测量程序，温度测量程序，烟雾检测程序，GSM数据接收程序。当温度测量值大于设定值时，调用GSM火灾报警程序、声光报警程序，实现火灾报警功能；当GSM接收到抄表信号时，调用GSM信息发送程序，实现无线抄表功能。程序框图如图7所示。

4 系统测试与结果分析

本系统采用的测试仪器有标准数字电能表、4位半数字万用表、单向交流调压器、温度计等。

4.1 功率/电能测量电路测试数据及分析

记录多功能用电监控系统和标准数字电能表的电能初始值，3 h后记录多功能电能表和标准数字电能表的电能示数。重复前面的步骤，记录10组数据，记录数据如表1所示。记录多功能电能表和标准数字电能表的功率示数，增加或减少负载每10 min测量一次。重复以上步骤，测量10组数据，数据记录如表2所示。

通过电能测试数据相对误差小于±5%，功率测量精度较高，测量相对误差小于±2%。当功率过大时单片机可以正常控制继电器切断电源，3 min后恢复供电。可以实现限电控制。

4.2 电压测量电路测试数据及分析

记录多功能用电监控系统的电压值和4位半万用表测量单向交流调压器输出端电压。调整单向交流调压器输出电压，重复前面的步骤，测量10组数据，数据记录如表3所示。

电压测量受电网噪声影响和8位A/D分辨率影响，测量误差较大。但测量精度能满足设计要求，测量误差小于±2%。

5 结 语

本次设计将大功率电器限电控制、宿舍用电计量、无线抄表、火灾报警等功能集于一体，方便高校对宿舍用电的管理。能有效地限制宿舍大功率电器的使用，减小火灾发生的概率，降低学生损失。但是本次设计还有很多的不足：

（1） 本系统功率的测量是根据两个脉冲的时间间隔计算得到的，当负载功率较小时两个脉冲的时间间隔相对较长，测量的功率反应时间较长。

（2） 本系统电能的存储是每0.01 kW·h（32个脉冲）电能存储一次，对于每次断电前未达到0.01 kW·h的电能不能进行存储，会导致误差。

参考文献

[1] 蔡冰华，熊永康.超低功耗高精度智能电表的设计[J].仪表技术，2015（4）：41?43.

[2] 周柳奇.分布式电能表远程智能抄表系统设计与实现[J].自动化与仪器仪表，2014（4）：123?125.

[3] 陈海宾，欧习洋，汪龙峰，等.基于MSP430F6736的全SOC单相智能电能表设计[J].电测与仪表，2015，52（4）：8?12.

[4] 王峰，张丽杰.智能限电控制器[J].长春工业大学学报（自然科学版），2012，33（1）：92?94.

[5] 田拥军，赵光强.基于ZigBee的智能用电管理系统设计[J].中国仪器仪表，2011（4）：35?38.

[6] 陈博，徐建政，刘宵.新型微功率无线抄表系统[J].电力自动化设备，2011，31（5）：134?136.

[7] 孙小春.基于单片机的智能限电器设计[J].海南大学学报，2014（2）：142?146.

[8] 陈硕，陈军伟.限制学生寝室使用大功率电器的新装置研究[J].考试周刊，2013（2）：150.

[9] 楼勇，王楠，陈泓霞.基于相位比较的学生宿舍限电装置研究与应用[J].自动化技术与应用，2011，30（3）：110?112.

[10] 赵莹，杨伟鸿，李艳娟，等.具有负载识别功能的数字电能表设计[J].北华大学学报（自然科学版），2015，16（2）：263?267.