学生公寓用电智能控制装置设计

杨超 田聪 李洪印 林钰尧

摘 要：为解决大学生公寓违规用电问题，设计了学生公寓用电智能控制装置。系统以单片机AT89C52为核心，研制用电智能控制装置，实时采集寝室的电压、电流，计算功率等参数，识别用电负载类型，实现对寝室用电量实时监测;当使用大功率用电器时，装置能有效识别并进行报警提示，从而实现智能监测及限电停电。实际测试证明装置的有效性。

关键词：单片机;大功率电器;用电安全

引 言

随着高校扩招，住宿人数也变越来越多，随之而来的住宿安全问题也慢慢变得严峻。首先大学生正处在思想不完全成熟的阶段，对安全意思的防范还在树立的过程，需要对他们的宿舍环境进行改善，其中用电问题最为重要。现如今电气设备变得多种化，多样化，其中不乏有一些大功率用电设备，如电饭锅，热水壶、电热毯、电吹风等，使用不当，容易发生火灾等危险的事故。这些设备对学生宿舍的安全造成了很大的威胁。以此需要一些电路检测装置或者仪器对学生的用电情况进行合理的管理和防范，谨防出现功率过大等因素造成的火灾等事故。

学生公寓的供电线路负荷有限，使用大功率电器会造成线路功率的变化较大，线路发热量增大，极易引发安全事故，轻则导致跳闸，重则引发火灾。近年来在高校公寓发生多起因为学生违规使用大功率电器引发的事故，给学校的声誉带来不良影响。目前很多学校采取人工干预进行检查等方式，其中存在很多问题例如无法及时进行反馈，当遇到紧急情况时反应较慢。针对学生公寓存在的安全问题，为解决大学生公寓违规用电问题，设计了学生公寓用电智能控制装置。装置以单片机为核心，由电压、电流信号的采集和调理电路、报警显示电路等模块构成智能控电系统，实现对寝室用电量实时监测。

一、设计思路

根据负载电压和电流的相位关系，即功率因数的不同，学生公寓里电负载主要分为线性负载和非线性负载两类。一般认为阻性负载为线性负载，而其余负载均为非线性负载，例如电脑和荧光灯等属于非线性负载，吹风机、电热毯、电炉子、热得快和电熨斗等属于线性负载，常常认定为大功率阻性负载。由于大功率阻性负载安全性极低，可造成公寓安全隐患，又称为恶性负载。恶性负载识别学生公寓用电智能控制装置的研制重点之一。当用电负载接入电路时，供电线路的总功率会发生变化。如果电压、电流的相位差，则功率因数为。不同类型的用电负载，因其功率和功率因数的变化存在差异，可作为负载识别的重要依据。

二、硬件电路设计

2.1 单片机主控电路。用电智能控制装置的主控电路系统选用AT89C52单片机，实现对整个系统的控制作用。学生宿舍的电流和电压采样信号经过模数转换器ADC0832传送到单片机的 P11、P12 引脚。单片机根据采集的电压电流信号经过数据处理计算出此时负载的功率和功率因数，识别负载类型。如果判定其为恶性负载，显示负载信息并报警，P13引脚用于控制蜂鸣器发出报警声;单片机P20引脚是继电器控制引脚，此时输出高电平，通过继电器控制负载回路断开。AT89C52片上资源丰富，功能强大，通用性很强，性价比高，功能强大。

2.2 电源转换电路。电源装换电路包括交流电源、变压器、整流滤波电路、稳压电路。交流220V供电电源经过电源装换电路，可以为装置提供比较稳定的12V和5V直流电源，供装置各部分电路使用。

2.3 信号的采集和调理电路。电压、电流信号的采集运用电流互感器、电压互感器完成，随后电压与电流信号经过信号调理电路放大、整形等信号调理后，将线性电压信号直接传送至A/D转换器。

Vin2是经过电压互感器采集到的电流信号，单片机不能直接处理，需要经过放大整形等信号调理。信号调理电路包括了放大、过零检测和整形处理。

2.4 负载回路切断电路。负载回路切断电路由光电耦合器和继电器控制电路构成。当单片机P20端口输出控制电平，低电平时，光电耦合器TIL117导通，使得三极管饱和导通，继电器线圈得电，常开触点吸合，负载通电;当P20输出高电平时，继电器线圈失电，常开触点断开，切断负载回路电源。

2.5 报警电路。采用蜂鸣器作为报警元件，单片机P13口输出低电平的时候，三极管导通，电流经放大后驱动蜂鸣器工作，发出声音进行报警。

2.6 显示电路。显示模块采用LCD1602，用于显示控制信息，一行显示负载状态，第二行显示定时状态。单片机的P0口与LCD1602的数据口相连，用于输入显示数据。第3引脚加一个上拉电阻10k，用来调节字符的对比度。

三、主程序流程图

软件程序主要是对采集到的电压电流信号进行处理，计算出新增负载的功率因数以及功率，识别负载类型，以此判断是否为恶性负载、是否总功率超过限制，具体操作如下。

（1）初始化之后，装置开始采集电压和电流信号，数据处理和计算功率以及功率因数。如果功率值小于300W，表明此时加入的负载非大功率用电器（即没有恶性负载），接下来判断系统的总功率是否超限（是否小于1500W），不超限系统正常工作，不断采集电压和电流。

（2）如果新增功率值大于300W，检查功率因数否接近于1;若功率因数大于0.9，则可以判定电路中外接大功率用电器（恶性负载），则发出警报，开启定时器;如果恶性负载在20秒内取消，则消除警报，装置恢复正常供电;20 秒过后恶性负载依旧存在，装置在报警同时自动切断负载回路电源;

此时，只有10分钟检测不到恶性负载且总功率不超过上限，系统才恢复正常供电，或者手动复位恢复供电。

四、测试

根据硬件电路图焊接各个模块电路，将编制的软件程序经过调试，写入单片机中。组装成整体控制装置。装置安装在宿舍断路器下方的火线和零线进线端。通过实际电路的测试，当接入“热得快”等大功率用电器时，装置能有效识别并报警器发声，20秒之后电源自动切断，证明装置运行效果有效，操作可行。

五、结语

学生公寓用电智能控制装置对学生公寓的学生用电情况进行实时检测，在学生使用大功率的违规电器的时候，可以识别并进行报警提示，在发生危险之前限电停电。学生公寓用电智能控制装置的研制能够有效杜绝私用大功率电器，易于实现实现学生公寓用电的智能化控制，为解除高校宿舍用电隐患问题提供了有效方案。

参考文献

[1] 王霖嵘，朱子豪，侍寿永.学生公寓大功率电器投入报警及切断电源装置的研制[J].电工技术，2019（24）：157-158.

[2] 邓魁，苏赋，王莹，蒋跃丰，赵崇洲，王飞，葛亮.高性能电子插座研究[J].现代电子技术，2016，39（14）：120-123.

[3] 孙越，李聪，芦茜，周月.基于单片机的用电量智能监测装置[J].科技视界，2019（22）：42-43.

作者简介：杨超（1979-），男，副教授，博士在读;

田聪（1981-），女，黑龙江鸡西人，副教授，硕士，研究方向：电气工程、智能控制、实验教学;

李洪印，男，黑龙江工业学院17级电气工程及其自动化专业，学生;

林钰尧，男，黑龙江工业学院17级电气工程及其自动化专业，学生。

基金：黑龙江省自然科学基金项目《智能甄别窃电漏计控制系统的研究》（项目编号：LH2019F050）成果。

项目来源2：黑龙江省大学生创新创业训练计划项目（编号：201911445005 ）《一种限制學生寝室使用大功率电器的新装置研制》。