用电实时监测保护及远程监控系统设计

李卫兵，邢晓莹，王克会

（1.北京电子科技职业学院北京　100176；2.杭州电子科技大学浙江杭州310018）



用电实时监测保护及远程监控系统设计

李卫兵1，邢晓莹2，王克会2

（1.北京电子科技职业学院北京100176；2.杭州电子科技大学浙江杭州310018）

摘要：系统以STC单片机为控制核心，采用电压、电流互感器采集用电信息，通过彩色显示触摸屏实现电压、电流、功率等的实时显示，也可以通过网络送至远程计算机远程监控。系统可通过现场和远程计算机设定预定功率值，超出预定值后系统发出报警并切断总电源进行保护。通过烟雾、火焰传感器检测周围环境，如果发生火灾或者煤气泄漏，系统会发出报警。该系统针对当前用电信息显示、供电过载保护、远程监控、用电环境检测等进行设计，具有实际应用价值。

关键词：用电实时监测；过载保护；远程监控；火灾检测

伴随着城市人口和建设规模的扩大，各种用电设备的增多，城市的供电设备经常超负荷运转，用电环境变得越来越恶劣。据统计，每天，用电设备都要遭受120次左右各种的电源问题的侵扰，电子设备故障的60%来自电源［1］。因此，电源问题的重要性日益凸显出来。针对用电安全，现有的安全防护产品以显示功率、电流和电压为主要功能［2］，缺少智能化的断电保护管理功能且无数据存储功能，一旦发生事故，断电数据丢失，为分析事故原因带来不便。市场上大多数产品，刷新频次小，增加了意外事故保护疏忽的机率。

文中针对用电安全问题，开发了用电实时监测与保护系统。能够实时监测用电各项参数，能设定用电保护的功率，当用电超出保护功率时将报警并自动断电保护，通过LCD显示各项参数以及报警原因，便于根据故障原因进行检修，并且能够通过网络远程监测用电情况及故障原因，故障排除后可实现远程合闸，实现了智能化用电控制，可广泛用于家庭、工业、企业，实现智能化控制与管理。

1　设计方案

系统总体设计方案框图如图1所示。采用了模块化设计方案，分为电压电流采样模块、用电参数采集模块、传感器模块、主控模块、声光报警和总电源切断模块、串口模块、网络传输模块、显示模块、用户操作模块、电源模块［3］。主控模块采用STC12LE5A60S2高速单片机；电压、电流采样模块由电压互感器和电流互感器组成，用于对市电进行采样；烟雾模块由可燃气体传感器组成，用于烟雾、可燃气体检测；声光报警和总电源切断模块采用有源蜂鸣器和高亮LED，大电流继电器负责切断总电源；网络传输模块串口电路和串口转网络电路组成，采用了ETH2232专用TCP/IP模块、MAX232电平转换芯片和母头串口组成，用于和计算机通信；显示模块采用2.4寸TFT彩色液晶，用户操作模块采用四线式电阻触摸屏。

图1　系统总体方案框图

2　电路设计

2.1主控制器设计

主控制器STC12LE5A60S2最小系统电路图如图2所示。STC12LE5A60S2高速单片机是完全集成的混合信号系统级芯片（SOC），片内集成了数据采集和控制系统中常用的模拟、数字外设及其他功能部件，内置60 kFLASH程序存储器、1280字节RAM。包含中央处理器（CPU）、程序存储器（F1ash）、数据存储器（SRAM）、定时/计数器、UART串口、串口2、1/O接口、高速A/D转换、SPI接口、PCA、看门狗及片内R/C振荡器和外部晶体振荡电路等模块［4］。

2.2电量参数采集模块电路设计

图2　主控制器电路图

图3　电量参数采集电路

模块使用ATT7022B多功能专用电量测量芯片，数据通过SPI接口输出，电路图如图3。ATT7022B是高精度电能专用计量芯片，集成了六路二阶sjgma-de1ta ADC、参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数以及频率测量的数字信号处理等电路。能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数。有功、无功电能脉冲输出CFI、CF2提供瞬时有功、无功功率信息，可以直接接到标准表，进行误差校正。可以对基波有功、无功功率进行测量，提供脉冲输出CF3和CF4提供瞬时基波有功功率以及基波无功功率信息，可直接用于基波的校正［5］。提供一个SPI接口，方便与外部MCU之间进行计量参数以及校表参数的传递，所有计量参数都可以通过SPI接口读出。内部的电压监测电路可以保证加电和断电时正常工作。

2.3电压电流采样电路设计

电压电流采样电路采用电压互感器PT2531，电流互感器HCT256A设计，电路设计如图4所示。三极管Q2上方为继电器UC3，当电流超过设定的限值时，单片机输出信号CR控制继电器断开，切断电源。

图4　电压电流采样电路

2.4网络传输模块电路设计

网络传输模块如图5所示，由串口电路和串口转网络电路组成，采用专用TCP/IP协议，直接与单片机UART串行口相连。采用MAX232作为电平转换芯片构成串口电路，配合4 个0.1 μF电容完成［6］；采用Eth2232X嵌入式网络转串口电路，其内部集成了硬件TCP/IP协议栈、socket编程实现，全透明传输，串口波特率高达230 kbps。

2.5烟雾检测电路设计

电路如图6所示。采用MQ-2气体传感器采集烟雾信息，可用于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测，具有探测范围广、灵敏度高、响应速度快、稳定性高、寿命长、驱动电路简单等优点［7］，通过可变电阻RJ1输出电平信号，调节RJ1，可以改变传感器灵敏度。

图5　网络传输模块电路

图6　烟雾检测电路

2.6触摸控制电路设计

显示模块采用2.4寸彩色触摸显示屏，触摸控制芯片使用ADS7843，电源采用3.3 V，电路如图7。

图7　触摸控制电路

2.7声光报警电路设计

声光报警电路采用蜂鸣器和高亮LED，蜂鸣器使用三极管9013驱动，LED直接与单片机IO口相连，并通过300 Ω电阻接3 V电源。

3　软件设计

本系统使用的主控制器STC12LE5A60S2单片机的指令集完全兼容传统51单片机，编程简洁，使用C语言编程，可移植性好，编译平台是Kej1软件。软件编程采用模块化设计，各个模块独立完成一项工作，多个模块共同配合完成整体任务，模块化的软件便于修改和移植。软件主流程图如图8所示。

4　结　论

系统以STC12LE5A60S2单片机为控制核心，采用电压、电流互感器采集用电信息，经电参数测量集成电路处理后，经单片机编程，实现用电参数如电压、电路、功率等的实时显示。系统设计了彩色触摸屏显示控制电路也可通过网络送至远程计算机远程监控。可以现场也可以远程设定预定功率值，系统默认保护功率为50 kW，并且可以向上向下调节。超出预定值后系统发出报警并切断总电源进行保护。通过烟雾传感器、火焰传感器，可以检测周围环境，如果发生火灾或者煤气泄漏，系统会发出报警。该系统针对当前用电信息显示、供电过载保护、远程监控、用电环境检测等进行设计，具有实际应用价值。

图8　程序设计主流程图

参考文献:

［1］高攸纲.电磁兼容总论［M］.北京：北京邮电大学出版社，2001.

［2］朱琳. ATT7022B在电力参数测量中的应用［J］.测控技术，2007，26（1）：9-10.

［3］李卫兵，胡波，邢晓莹.一种用电实时监测保护及远程监控系统［P］. ZL 201120398117. 1，2012-7-11.

［4］沈业茂，丁学明，殷盛洁.基于STC单片机的空气净化系统设计与实现［J］.计算机应用，2012（2）：41-44.

［5］崔娟，李平舟，等.基于ATT7022B高精度智能电表的设计［J］.电子科技，2010，23（2）：46-48.

［6］黄智伟，等.全国大学生电子设计竞赛训练教程［M］.北京：电子工业出版社，2005.

［7］全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编：第一届～第五届［M］.北京：北京理工大学出版社，2004.

Deslgn of electrlclty real-tlme monltorlng Protectlon and remote monltorlng system

LI Wej-bjng1，XING Xjao-yjng2，WANG Ke-huj2
（1. Beijing Vocational College of Electronic Science，Beijing 100176，China；2. Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China）

Abstract:The system js ho1d by STC sjng1echjp contro1，wjth the vo1tage，current transformer to co11ect jnformatjon，through the co1or touch screen to rea1jze rea1-tjme djsp1ay of vo1tage，current，power and so on，can a1so be sent to the remote computer remote monjtorjng through the network. System can be set reserve power va1ue through remote computer and fje1d，If beyond preset va1ue system sends a1arm and cut off the tota1 power supp1y protectjon. Through the smoke，the f1ame sensor testjng envjronment，jf there js a fjre or gas 1eakage，the system wj11 send out a1arm. In vjew of the current e1ectrjcjty jnformatjon djsp1ay，the system power supp1y over1oad protectjon，remote monjtorjng，utj1jzatjon envjronment detectjon and so on to carry on the desjgn，has practjca1 app1jcatjon va1ue.

Key words:e1ectrjcjty rea1-tjme monjtorjng；over1oad protectjon；remote monjtorjng；fjre detectjon

中图分类号：TN98

文献标识码：A

文章编号：1674-6236（2016）07-0129-03

收稿日期：2015-05-07稿件编号：201505059

作者简介：李卫兵（1971—），男，山东邹平人，硕士，副教授。研究方向：电子技术。