學(xué)生公寓安全用電智能電表設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)目前高校學(xué)生公寓無用電安全監(jiān)控能力、無實(shí)時(shí)電量預(yù)警等弊端，提出一種基于ADE7755計(jì)量芯片、利用熱釋電紅外探測(cè)技術(shù)、以單片機(jī)為控制核心的智能電表設(shè)計(jì)，可智能識(shí)別、限制大功率電器運(yùn)行以及杜絕無人用電，并可實(shí)時(shí)預(yù)警電量，實(shí)現(xiàn)了用電監(jiān)控智能化，具有廣泛的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：智能監(jiān)控；模塊化；熱釋電紅外探測(cè)；ADE7755；功率檢測(cè)

    為有效管理學(xué)生公寓用電，國內(nèi)許多高校在學(xué)生宿舍引入了集中式用電管理系統(tǒng)，此類系統(tǒng)一般由計(jì)量終端、中繼模塊及上位機(jī)組成，功能上過度依賴中繼模塊與上位機(jī)，只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的集中化用電管理，無法對(duì)大功率用電、無人用電等違規(guī)行為實(shí)時(shí)監(jiān)控，無法杜絕違規(guī)用電帶來的安全隱患，導(dǎo)致用電火災(zāi)時(shí)有發(fā)生；其次無電量實(shí)時(shí)提示功能，交互性差。
    本文著力于改進(jìn)終端的用電安全監(jiān)控及交互性等功能，提出了一種智能化終端——智能電表的設(shè)計(jì)。該智能電表可獨(dú)立運(yùn)行，單獨(dú)安裝于學(xué)生宿舍內(nèi)，除能高精度計(jì)量電能之外，還可自動(dòng)識(shí)別、限制大功率電器，宿舍無人則切斷供電，杜絕大功率用電、無人用電的隱患；可實(shí)時(shí)提示電量不足，交互性大大增強(qiáng)；利用RS-485通訊模塊可便捷接入現(xiàn)有用電管理系統(tǒng)，作為現(xiàn)有用電管理系統(tǒng)的終端。功能上的獨(dú)立及單獨(dú)安裝也使得施工時(shí)只需簡(jiǎn)單的總線型供電線路即可，無需按照現(xiàn)有系統(tǒng)的星型供電線路施工，布線成本降低75％以上，施工難度也大大降低。

1 智能電表硬件結(jié)構(gòu)
    圖1即智能電表基本結(jié)構(gòu)框圖。本電表由主控模塊、熱釋電紅外人體探測(cè)模塊、計(jì)量模塊、周邊控制模塊以及RS-485通信模塊構(gòu)成。硬件上采用模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)實(shí)際需要加入其他模塊擴(kuò)展功能。模塊化設(shè)計(jì)使得各模塊可獨(dú)立運(yùn)行，同時(shí)也可降低主控CPU負(fù)荷，只需進(jìn)行簡(jiǎn)單響應(yīng)各模塊信號(hào)，無需復(fù)雜運(yùn)算處理，簡(jiǎn)化程序運(yùn)行，降低出錯(cuò)率。

1．1 主控模塊
    為徹底改變現(xiàn)有系統(tǒng)終端功能完全依賴中繼實(shí)現(xiàn)的弊病，提高終端的獨(dú)立工作與智能監(jiān)控能力，將單片機(jī)作為終端的主控核心，脫離對(duì)中繼功能上的依賴，獨(dú)立對(duì)多路信號(hào)采集與判斷，響應(yīng)各種信號(hào)并執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。主控模塊包括微處理器及周邊電路，微處理器采用STC12C5 204AD單片機(jī)，其內(nèi)置EEPROM、硬件看門狗以及掉電檢測(cè)電路，豐富的內(nèi)置功能模塊可大大簡(jiǎn)化周邊電路設(shè)計(jì)，同時(shí)也提高了系統(tǒng)本身的抗干擾能力。該主控模塊功能如下：
    (1)通過外部中斷INT0引腳采集電量模塊送來的計(jì)數(shù)脈沖，計(jì)數(shù)并存儲(chǔ)。
    (2)監(jiān)控P1．2引腳電源電壓，掉電時(shí)將用電數(shù)據(jù)存入內(nèi)部EEPROM。
    (3)利用串口實(shí)現(xiàn)與集中器或上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送、指令執(zhí)行。
    (4)根據(jù)電量計(jì)算結(jié)果和紅外檢測(cè)狀態(tài)啟動(dòng)周邊控制模塊，提示電量不足或切斷供電，杜絕無人情況下電器運(yùn)行，確保用電安全。
    原理圖如圖2所示。

1．2 ADE7755計(jì)量模塊
    電能計(jì)量部分采用專用計(jì)量芯片ADE7755，采用330μΩ錳銅分流器作為電流采樣元件，將采樣得到的電壓輸入V1P、V1N，另通過電阻網(wǎng)絡(luò)將電壓采樣送至V2P、V2N，經(jīng)內(nèi)部轉(zhuǎn)換、相乘后得到有功功率瞬時(shí)值，從引腳CF以較高頻率輸出至主控CPU引腳INT0產(chǎn)生中斷，實(shí)現(xiàn)脈沖計(jì)數(shù)。主控模塊累計(jì)脈沖個(gè)數(shù)，計(jì)滿設(shè)定數(shù)值后清零，并將電能數(shù)值減1，存入內(nèi)部EEPROM保存用電數(shù)據(jù)。本模塊設(shè)定SCF=0，S1=1，S0=0，G1=G0=1，增益G為16，由公式
   
    已知8．06為常數(shù)，V1、G、Vref以及F1-4值給定，只需調(diào)整分壓電阻即可調(diào)整V2值。本模塊調(diào)整V2后設(shè)定脈沖常數(shù)為1 600，即計(jì)滿1 600個(gè)脈沖為1 kW·h電量?？梢栽O(shè)定更高的脈沖常數(shù)值進(jìn)行計(jì)數(shù)，只需靈活改變相關(guān)參數(shù)即可。
1．3 熱釋電紅外人體探測(cè)模塊
    為填補(bǔ)現(xiàn)有終端對(duì)安全監(jiān)控功能的空缺，尤其是無人情況下用電的監(jiān)控，采取簡(jiǎn)單實(shí)用的紅外探測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)宿舍有無人員活動(dòng)的監(jiān)控，無人情況下自動(dòng)切斷電源，杜絕無人用電，有人情況下即恢復(fù)正常供電。本模塊采用熱釋電紅外傳感器RE200B；信號(hào)處理電路采用高性能的處理集成電路BISS0001，其原理電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

    傳感器RE200B獲取信號(hào)送入1IN+，利用BISS0001內(nèi)部的運(yùn)算放大器OP1作為熱釋電紅外傳感器的前置放大，放大后經(jīng)C4耦合至2IN-，進(jìn)行
第二級(jí)放大。由BISS0001內(nèi)部的電壓比較器構(gòu)成的雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號(hào)啟動(dòng)延遲時(shí)間定時(shí)器。同時(shí)A與VC置1，設(shè)定為可重復(fù)觸發(fā)工作狀態(tài)，確保室內(nèi)有人的情況下持續(xù)輸出高電平，避免不可重復(fù)觸發(fā)狀態(tài)下的短時(shí)間低電平誤判。其中可變電阻Time為輸出延遲時(shí)間Td的調(diào)節(jié)元件，可變電阻Sensitive為靈敏度調(diào)節(jié)元件，在具體設(shè)計(jì)中可以根據(jù)式(4)調(diào)節(jié)Td。
   
1．4 周邊控制模塊
    該模塊實(shí)現(xiàn)供電控制與剩余電量提示，包括繼電器驅(qū)動(dòng)電路、LED電路。LED由單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，在此不再贅述。繼電器驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

    繼電器采用單線圈磁保持繼電器，改變觸點(diǎn)狀態(tài)只需在A、B兩端加上30 ms左右的反向脈沖即可，不需要持續(xù)供電維持閉合、斷開狀態(tài)，滿足系統(tǒng)低功耗的要求。單片機(jī)控制繼電器只需改變P1.7、P1.6引腳狀態(tài)即可，并禁止P1.7、P1.6同為1，避免所有三極管同時(shí)導(dǎo)通造成電源短路故障。

2 智能電表軟件設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)包含用電監(jiān)控、紅外探測(cè)、掉電檢測(cè)以及串口通信，同樣采用模塊化設(shè)計(jì)。本部分主要介紹用電監(jiān)控、紅外探測(cè)及掉電處理，串口通信限于篇幅則不再詳述。系統(tǒng)軟件框圖如圖5所示。

    初始化包括單片機(jī)初始化和周邊模塊的初始化。系統(tǒng)加電后，單片機(jī)對(duì)各I／O口重置為預(yù)定模式，看門狗初始化、串口中斷初始化、定時(shí)器初始化、掉電檢測(cè)初始化等。周邊模塊即電能采集、紅外探測(cè)以及控制模塊的初始化啟動(dòng)。
2．1 用電監(jiān)控
    該部分為智能電表主要功能設(shè)計(jì)單元，包括電量處理、功率檢測(cè)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
    程序初始化進(jìn)入電量處理，首先讀取內(nèi)部EEPROM中計(jì)數(shù)值count，做為此次計(jì)數(shù)的初始值Tcount。開啟中斷后即對(duì)INT0送入的每個(gè)電能脈沖下降沿響應(yīng)中斷，并累加Tcount，等待下一次下降沿產(chǎn)生新中斷實(shí)現(xiàn)循環(huán)計(jì)數(shù)。Tcount累加至1 600后W減1并重新賦值給W，爾后清零Tcou-nt，重新開始計(jì)數(shù)。當(dāng)W≤1時(shí)將啟動(dòng)LED提示程序，預(yù)警電量。
    功率檢測(cè)通過軟件方法實(shí)現(xiàn)。利用定時(shí)器，開啟周期為5 s的定時(shí)，對(duì)此周期內(nèi)電量脈沖數(shù)進(jìn)行累加統(tǒng)計(jì)，與設(shè)定值p進(jìn)行比較，若>p則認(rèn)為大功率用電，立即切斷供電，延時(shí)一段時(shí)間后恢復(fù)供電，并標(biāo)記違規(guī)用電次數(shù)Tcount，存于內(nèi)部EEPROM中以備上位機(jī)數(shù)據(jù)錄入。
    為確保數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全可靠，軟件設(shè)計(jì)中采用兩種方法：一是電量值W每次完成減1即存入單片機(jī)內(nèi)部EEPROM，然后向上位機(jī)更新電量數(shù)據(jù)，及時(shí)轉(zhuǎn)存、更新數(shù)據(jù)；二是數(shù)據(jù)分存時(shí)的對(duì)比，存入數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)與上位機(jī)各自對(duì)W值進(jìn)行比對(duì)，只有更新后的W值小于原數(shù)據(jù)W時(shí)方為有效數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)存儲(chǔ)準(zhǔn)確無誤。
2．2 紅外探測(cè)
    此部分軟件設(shè)計(jì)只需檢測(cè)P1．5引腳是否為有高電平輸入即可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單邏輯判斷。硬件上紅外探測(cè)模塊本身有輸出延時(shí)Td，結(jié)合軟件上的冗余驗(yàn)證，確保判斷正確無誤。實(shí)際使用中還可以通過增加探測(cè)模塊，經(jīng)二極管線與后實(shí)現(xiàn)多個(gè)信號(hào)源輸入，提高探測(cè)范圍和準(zhǔn)度。
2．3 掉電處理
    基于STC內(nèi)置的低電平檢測(cè)功能，結(jié)合中斷應(yīng)用，當(dāng)檢測(cè)到P1.2腳電壓低于設(shè)定值4 V時(shí)產(chǎn)生中斷，單片機(jī)將Tcount值以及電量值W存入內(nèi)部EEPROM，作為下次計(jì)數(shù)啟動(dòng)初始值。其程序流程與電量計(jì)量模塊相同，只是中斷優(yōu)先級(jí)略低，故此處略去不再細(xì)述。

3 結(jié)束語
    本智能電表的特點(diǎn)：一是用簡(jiǎn)單、實(shí)用、成熟的軟硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了宿舍無人條件下的用電監(jiān)控，杜絕用電隱患，實(shí)時(shí)提示功能簡(jiǎn)單實(shí)用；二是與現(xiàn)有公寓用電管理終端相比，本電表可脫離集中器與上位機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，功能上不再依賴中繼模塊，可單獨(dú)安裝，不但大大降低了線路成本，還降低了施工難度，實(shí)測(cè)表明本電表可智能化監(jiān)控用電安全。