基于单片机和GPRS智能限电器的设计

沈志亮，饶连周，梁其波，林振辉，陈俊玮

（1.三明学院　机电工程学院，福建 三明365004；2.福建广播电视大学 三明分校，福建 三明365000）

基于单片机和GPRS智能限电器的设计

沈志亮1，饶连周1，梁其波1，林振辉1，陈俊玮2

（1.三明学院机电工程学院，福建 三明365004；2.福建广播电视大学 三明分校，福建 三明365000）

研究了一款具有对大功率电器进行限制作用的智能限电器系统，该限电器系统由CS5463芯片和互感传感器构成的交流电参数采集模块、STC12C5A60S2单片机处理器模块、GPRS无线传输模块、LCD12864液晶显示模块、TNY255控制器构成的开关电源模块和报警电路等组成，实现了对电器负载类型的判断和识别、快速启动保护措施和报警、在撤去违规电器时自动恢复供电的功能，具有一定的实用性和创新性。

限电器；GPRS；STC12C5A60S2；CS5463；TNY255

现今全日制学校学生住宿管理一直是一个很大的难题，各种大功率家用电器的使用问题尤其突出。因为使用大功率电器引发的火灾事故越来越多，给学校造成了很大的经济损失，也很大程度上威胁到了学生们的生命财产安全［1］。若能有有效地限制大功率电器的使用的装置将很大程度减少校园火灾的发生，同时保护学生们的生命财产安全，其次也顺应了目前国家正在倡导的节能减排的社会需求［1］。

1　系统的结构

为了能够使整个系统最大限度的发挥该限电器的性能和性价比，所以选择使用STC公司的STC12C5A60S2作为丛机的主控器，它拥有很大的处理能力，完全可以满足本次设计的需求。在交流电压、电流的采集上是采用了互感传感器和交流电参数测量专用芯片CS5463相结合，使得电压、电流信号能够准确无误被采集。本系统还采用了GPRS无线数据传输模块将各从机处理和采集的数据统一传输到PC机上，在从机的信息的显示上选用了低功耗的LCD12864。因为控制大电流的继电器需要12 V电源，然而在整个系统中还需要5 V和3.3 V的电源，所以选择了由TNY255构成的小功率开关电源先提供12V电源，然后在使用LM7805和ASM1117-3.3提供5 V和3.3 V电源，其开关电源可以提供10W的功率，足以满足整个系统的需求。整个系统的硬件框图如图1所示。

图1　基于单片机和GPRS智能限电器硬件方框图

2　系统的硬件设计

2.1交流电压、电流测量电路的设计

由CS5463构成的交流电压、电流测量如图2所示，其中U6电压互感器，交流电压端通过限流电阻R20接入，副边感应到的电流通过R18转化为电压器信号在经过滤波网络最终输入到CS5463的电压输入端；而U7则是电流互感器，电流互感器的输入端只是把通以交流的电线穿过互感器，然后互感器感应到电流通过R22转化为电压，最终也是通过滤波电路输入到CS5463的交流电流输入端，由于CS5463内部有增益自动调整的功能，所以在硬件设计上的参数就没有必要十分的严格。CS5463要进行AD转换需要时钟输入和基准电压输入，X3是4.096M晶振就是为CS5463提供时钟的，而CS5463本身可以产生一个基准电压2.5V，所以就直接把VREFOUT外接一个滤波电容，然后就输入到VREFIN。SCLK、SDI、SDO、CS、INT等引脚是与单片机进行通信的［2］。

图2　交流电压、电流测量电路

2.2数据处理和响应电路的设计

单片机数据处理和响应电路由STC12C5A60S2单片机最小系统、蜂鸣器模块、液晶电路、继电器控制电路和按键组成。电路如3所示。单片机是系统的核心，要完成数据处理，传输，界面显示等功能。这此功能的实现可用单片机。STC12C5A60S2系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所在单元模块，可称是片上系统。蜂鸣器控制电路与继电器的控制电路极为相似，这里就不重复介绍了。显示是采用LCD12864液晶显示屏显示，控制交流电的通断是选用欧姆龙的型号为LY4NJ继电器，每个触点可以承受10A的电流LY4NJ继电器是四开四闭式的，在本次设计中是将两两并联使用的。而控制该继电器的电源要使用12V，J4接到

大功率继电器的线圈上，当控制器STM32通过IO将CON输出高电平，三极管就导通，此时继电器的线圈就会吸合，交流的220V就会被接通，为了避免电流过大而烧毁继电器，在回路中串接了一限流电阻R4。

图3　单片机数据处理和响应电路

2.3数据无线传输模块GPRS连接电路的设计

GPRS模块选用SIM900A模块。SIM900A是芯讯通（SIMCom）公司推出的新一代无线通信GSM/ GPRS模块，可以快速安全可靠地实现。

系统方案中的数据、短消息服务（Short Mes-sage Service）、传真和语音传输。模块的工作电压为3.2～4.8 V，SIM900 A采用省电，常用工作模式有Sleep，Idle，Talk等几种，在设计Sleep模式下最低消耗电流量只有1.0 mA。该模块的尺寸只有24 mm×24 mm×3 mm，因此SIM900A基本可以满足所有用户对产品尺寸的要求［3］。

GPRS模块连接图如图4所示∶SIM900A模块用模块中5V的TTL电平接口与单片机直接连接，模块与5 V的单片机的连接为SIM900A 5V TXD连接到单片机的P3.0/RXD管脚，SIM900A 5V RXD连接到单片机的P3.1/TXD管脚［6］。

电脑与模块通信的方法：直接通过USB-RS转换线将PC机与GPRS模块连接，首先将USBRS232串口线连接到电脑上，连接方式为GPRS模块上的RXD、TXD和GND分别与串口线阳头的2、3、5接口连接，并正确安装驱动。在电脑上找到这根串口线分配的COM口。打开Sim900Gu900mini调试工具中的串口调试软件sscom.exe.在“发送新行”前面打钩。将SIM900A模块与电脑的波特率设计成同步的，然后PC机与GPRS模块之间就可以相互通信。

主机接收系统由PC机、GPRS模块组成。

连接框图如图5所示：GPRS模块通过USB-RS232转换线与PC机连接。

图4　GPRS模块与单片机连接图

图5　GPRS模块与PC机连接图

2.4辅助电源电路的设计

本系统使用TNY255芯片构成AC220V转DC12V高效率的开关电源，电路如图6所示，交流市电经过C26、L3滤除高频信号后再由整流桥D6整流、高压电容C17滤波后，得到高压310V左右的电压，最终输入到TNY255的D端，TNY255芯片工作的电源是由D脚输入的高压经由内部的稳压器稳压得到的，当TNY255开始工作的时候会产生130kHZ的开关信号，使得高频变压器的副边感应出电压，感应到的电压经过D5半波整流、C22滤波得到直流电压，而电压的稳定是通过基准稳压芯片TL431、光耦TLP521-1以及其他其他电阻来实现的，这里把电压稳定在12V，然后通过LM7805 和LM1117得到5V和3.3V。

图6　辅助电源电路

3　软件设计

3.1从机参数采集与发送软件设计

从机系统先初始化硬件设备，开始从机的CS5463电参数采集模块对空间各种电参数进行采集，采集完数据直接由从机单片机进行处理，智能分析及输出控制任务是在接收到电参量数据采集任务发来的信号量才运行的，在这个任务中对采集的数据进行处理分析，最终判断出有没有违规电器接入，如果有则马上通过大功率继电器断开干路上的输出，并且发出报警。由从机LCD液晶显示，接着单片机开始利用无线模块把整个采集的电参数用结构体形式进行发送到主机，若未成功接收发送指令则从新进行采集，直到成功发送。其主机接收系统流程图，见图7。

图7　从机接收系统流程图

图8　主机接收系统流程图

3.2主机接收系统软件设计

主机接收系统软件设置主要分成3部分：第一，通过按键实现菜单的选择，可以进行数据存储时间的设置、日期的设置、查询存储过任意一天的用电情况；第二，对接收到多个从机的数据根据设置好存储时间段进行处理，直到成功存储；第三，利用串口中断的形式进行用户手机与主机之间的通信，方便进一步实时掌握各宿舍不同时间段电器使用情况，还可以查看个宿舍是否有违规使用电器的记录。其主机接收系统流程图，见图8。根据设计思路，按要求制作了智能限电器的样机，如图9所示。用样机对作了数据测试，测试数据：单限制功率误差值结果见表1，总限制功率误差值，见表2。

图9　智能限电器样机图

表1　单限制功率误差值

表2　总限制功率误差值

5　结论

采用CS5463芯片和互感传感器构成的交流电参数采集模块、STC12C5A60S2单片机处理器模块、GPRS无线传输模块、LCD12864液晶显示模块、TNY255控制器构成的开关电源模块和报警电路，完成了一款基于单片机和GPRS智能限电器的设计并制作了样机，实现对下游回路的电器进行监控的电力控制设备，通过实时检测所接电路的电压、电流、相位差分析和计算线路的负载性质，当检测到阻性负载功率或总有功功率超过其设定值时，自动切断电源，避免用电事故的发生，若判断出阻性负载功率或总有功功率不超过其设定功率时，则保持正常供电。样机经测试，单限制功率误差值小于0.9%，总限制功率误差值小于1.9%，达到了预期目标。整体样机的制作成本约150元人民币，投入量产后成本可以降低30%左右，该智能限电器系统具有较高的性价比，安全可靠，使用方便简单，有效杜绝了重大安全隐患，值得研究和推广。

［1］刘春梅，韩强.基于单片机控制的学生宿舍智能限电器的研究设计［J］.时代教育：教育教学版，2009（3）：127-128.

［2］朱文，袁朋.关于CS5463快速标定的实现［J］.科学咨询（科技·管理），2013，22（6）：54-56.

［3］陈正冲.C语言的深度解剖［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2010：115-124.

［4］叶东毅.C语音程序设计教程［M］.厦门：厦门大学出版社，2009.

［5］孙小春.基于单片机的智能限电器设计［J］.海南大学学报：自然科学版，2014，32（2）：142-146.

［6］王伟员.基于GSM和太阳能的土壤参数测试仪的设计［J］.三明学院学报，2014，31（4）：70-74.

（责任编辑：朱联九）

Design of Intelligent Electrical Appliances Based on Single Chip Microcomputer and GPRS

SHEN Zhi-liang1，RAO Lian-zhou1，LIANG Qi-bo1，LIN Zhen-hui1，CHEN Jun-wei2

（1.School of Electromechanical Engineering，Sanming University，Sanming 365004，China；2.Sanming Branch School，Fujian Television University，Sanming 365000，China）

A kind of smart electrical protective system which possesses a function of limiting high-power electrical appliances is studied in this paper. The electrical protective system is composed of the CS5463 chip， the alternating current parameter acquisition module that is formed by mutual inductance sensor， the STC12C5A60S2 single chip processor module，GPRS wireless transmission module， the LCD12864 display module， the switching power supply module which is consisted of TNY255 controller， and the alarm circuit. The system realizes the function of the electric load type judging and identifying， and quickly launching protection measures and alarm. Besides， when the illegal electrical appliances are removed， the power supply can be automatically recovered. This system possesses a certain value of innovation and popularization.

electrical appliances；GPRS；STC12C5A60S2；CS5463；TNY255

TM563

A

1673-4343（2016）04-0072-06

10.14098/j.cn35-1288/z.2016.04.012

2016-02-08

国家大学生创新创业训练计划项目（201411311016）；福建省“卓越工程师”教育培养计划改革试点项目（SD1108）；福建省高等学校教学改革研究项目（JAS17463）

沈志亮，男，福建诏安人，大学生；通讯作者：饶连周，男，福建明溪人，教授。主要研究方向：光电技术及自动控制。