基于ADE7953的高校学生公寓用电管理系统的设计

柳州铁道职业技术学院 刘织财

基于ADE7953的高校学生公寓用电管理系统的设计

柳州铁道职业技术学院 刘织财

【摘要】介绍了一种基于ADE7953的高校学生公寓用电管理系统的设计方案，实现了学生公寓用电的智能管理。对节点电能控制器的电能检测、自动分合闸、通信模块以及上位机进行了系统的设计和说明，节点电能控制器以单片机为核心，以ADE7953为电能检测器件，以RS485为数据传输手段，利用VB6.0编写上位机监控软件，实现了对学生公寓用电智能管理。

【关键词】ADE7953；电能检测；通信；用电管理

随着人民生活水平的提高，大学生公寓用电设备越来越多，用电需求量越来越大，高额的电费势必会影响高校的正常运行，再加之大功率用电对既有线路的安全造成严重威胁，为了保证用电安全、节约开支和满足学生用电需求的多样性，开发了基于ADE7953的高校学生公寓用电管理系统，该系统能实时监测每个宿舍的用电情况，对异常情况能及时做出响应和判断，同时能满足学生用电需求的多样性和自主性，每个月每个宿舍可以给予一定的免费额度，用以保证基本照明和生活使用，当超过免费额度，学生需自行承担超出部分的电费，这样做既能大大减少学校的电费开支，还能培养学生节约能源的意识。

1.系统的总体方案设计

本系统是由若干个节点电能控制器（下位机）和一个上位控制系统组成，节点电能控制器由检测电路、电能计量器件、单片机、继电器、存储器及通信部分组成，每间学生公寓对应一个节点电能控制器，主要负责该学生宿舍用电情况监控、包括：有功功率、无功功率、过流检测等电参数的采集和分析，并根据实时参数及时做出响应，比如：声光报警、断电等措施，确保用电安全，各节点可独立运行，也可以通过RS485总线联络与上位机通信，上下位机之间通过数据交换，可以在上位机实时查看各节点运行状态、剩余电量、发布缴费提醒等，具体如图1系统整体框图所示。

图1 系统整体组成框图

2.硬件电路的设计

2.1 单片机的选择

本系统选用STC出品的低功耗新型单片机STC15F2k60S2作为节点电能控制器的控制核心，该单片机是8051单片机的升级版产品，采用1T指令，内置2K字节大容量SRAM，2组异步串行通信端口，集成了大容量片内EEPROM，可以有效利用这部分资源，存储系统运行参数和状态信息，而无需额外增加外部存储器件，确保掉电数据不丢失。

2.2 电能检测电路的设计

电能检测电路以Analog公司生产的ADE7953作为电能检测的核心部件，它能够测量相电压和电流，并计算有功、无功、视在功率以及瞬时电压和电流有效值，可同时测量零线电流，支持窃电检测，ADE7953可以通过多种通信接口访问片内寄存器，包括 SPI、I2C和UART，再配以必要的检测转换电路完成电能的检测。如图2所示，5，6，脚为相电流输入通道，通过电流互感器输入采样电流，9，10为零线电流采样通道，这两个电流采集通道均为差分输入通道，11，12为电压采集通道，基准电源选用片内基准电源1.2V，与单片机之间的接口采用SPI方式，直接与单片机内部SPI端口相连。

图2 电能检测电路

2.3 自动分合闸电路

自动分合闸电路采用继电器作为分合闸动作器件，采用三极管驱动，继电器的常闭触点与学生公寓供电线路串联，如图2中的KA1，当系统检测到用电电流过高、有窃电嫌疑、或预充电量已完等情况时，单片机P1.7发出断电指令”1”，继电器线圈得电，常闭触点断开，切断供电；需要恢复供电时，单片机P1.7发出供电指令”0”，继电器线圈失电，常闭触点闭合，供电恢复正常

2.4 键盘显示电路

键盘显示电路是系统人机交互的重要组成部分，采用4个独立式按键，通过软件即可构成丰富的按键功能。显示器件采用MZLH01-12864图形点阵LCD显示器件，与单片机之间通信采用三线准SPI方式通信，键盘、显示器件的七个端口与单片机的P0口相连。

2.5 通讯单元电路

节点电能控制器与上位机之间采用RS485方式通信，实现多个节点电能控制器与上位机之间的通讯，本系统选用MAX485芯片作为节点控制器与上位机之间的接口芯片，电路如图3所示，用单片机P3.4端口控制MAX485发送接收使能，总线起始终端都要接120Ω匹配电阻。

图3 MAX485通讯单元电路

图4 下位机主程序流程图

3.软件设计

软件设计包括两部分，一部分是下位单片机部分，采用KEIL C51软件编写，另一部分是上位机部分，上位机部分采用VB 6.0软件编写。

3.1 下位机软件设计

下位机软件设计师本系统的核心，主要包括：人机交互，电能信息采集，数据分析、加工、存储，数据通信等几个部分，程序流程图如图4所示，程序上电初始化完成后，判断是否第一次上电，若是第一次上电，则需要先设置本机地址和状态参数，设置完毕后就可以读取电量信息，判断是否过载？是否欠费等根据判断的情况做出是否断电处理等，间隔一定时间要进行一次写EEPROM，确保数据不丢失。

3.2 上位软件设计

上位软件使用VB6.0进行编程，界面简洁形象直观，利用这个系统软件可以实时监测各个学生宿舍用电情况，并可以根据需要设置各宿舍允许的最大供电功率、免费供电额度、预交电费等信息，可以预先录入宿舍长联系方式，当宿舍预存电量不足一定额度时，可以自动通过GSM模块给宿舍长发送缴费提醒，也可以在当前宿舍用电异常时，比如有窃电、超功率使用等情况时，发送提醒警告信息，当提醒信息发出后一定时间，如果异常情况仍未消失，则上位机给下位机发送断电指令，下位机执行断电措施，切断当前宿舍供电，待异常解除后，再给下位机发送供电指令，恢复供电。

3.3 通讯软件设计

上位机、下位机之间通信采用RS-485方式通信，每个下位节点都有唯一的地址号，上下位机之间的通讯协议基于Modbus协议制定， Modbus协议是一种已广泛应用于当今工业控制领域的通用通讯协议。 Modbus协议使用的是主从通讯技术，即由上位机主动查询和操作各下位机。两端通讯的主要内容有：控制命令传输、命令二次回传以及下位节点状态信息等几方面内容，每帧命令含有地址码、功能码、数据码和校验码四个部分。数据帧结构如表1所示：

表1 数据帧结构

帧结构里，每个数据的含义如下：

地址（ADDR）——上、下位机的地址号，每台下位机初次上电需要设置本机地址和上位机地址。

功能号——相关命令代码，01表示查询当前用电情况、02表示断电、03表示恢复供电、05修改下位机地址号等

数据数量--数据单元的长度，对于不同的功能所需的命令数据长度不一致。

数据——命令代码。

校验——采用CRC校验。

要想执行相关操作，上位机首先向下位机发送相关指令，下位机收到指令后，判断地址与自身地址是否相符，若不相符，则停止处理，继续等待接收新指令，若相符，判断功能码，分解具体功能要求并执行，并将执行情况二次回传给上位机，完成一次通讯。

4.系统测试

根据要求，系统设计上位机、下位节点电能控制器并完成系统搭建，在实验室做了系统调试及相关功能测试，调试结果表明，系统基本实现了相关的设计要求，各节点能准确检测电压、电流，能准确计量电能，能根据要求做出断电、通电操作，各节点能独立运行，也可以与上位机组网运行，通信正常，参数传递可靠。

5.结束语

本文设计了一款基于ADE7953的高校学生公寓用电管理系统，介绍了系统的整体设计、硬件电路设计及相关软件的开发，经实验验证，该系统性能稳定、计量准确，尤其是其成本低廉，具有一定的推广价值。

参考文献

［1］申斌，封维忠，施山菁，韩晨燕.基于ADE7953的智能电表设计与研究［J］.仪表技术与传感器，2012，11∶44-46+49.

［2］丁霞，刘叶，王海铭，叶志明，王冬青.基于MSP430的智能电表设计［J］.青岛大学学报（工程技术版），2015，04∶68-72+77.

［3］刘桂敏，廖士中.基于单片机控制的学生公寓用电系统的设计［J］.陕西工学院学报，2005，02∶13-15.

［4］王颖，吕显强，张菁.MAX485在PC机与单片机间通信的应用［J］.信息技术，2011，06∶180-182.