基于瑞薩單片機(jī)的智能限電、防雷和防火控制器設(shè)計

摘要：為避免學(xué)生宿舍內(nèi)因使用大功率違章電器導(dǎo)致用電線路過載過熱而引發(fā)火災(zāi)等隱患和漏電導(dǎo)致的接地、電孤短路等引起火災(zāi)事故，設(shè)計了以瑞薩單片機(jī)為控制核心的用電安全控制系統(tǒng)。系統(tǒng)從用電源頭自動識別、防止學(xué)生宿舍違章惡性負(fù)載的使用和實(shí)時檢測線路漏電等情況的智能控制。調(diào)試結(jié)果證明該系統(tǒng)在保障學(xué)生宿舍的用電安全(限電功能、時間控制、人身觸電、防雷安全、防火安全)方面實(shí)現(xiàn)了有效的控制，該項(xiàng)智能控制器的研究及開發(fā)應(yīng)用對維護(hù)學(xué)校安全穩(wěn)定具有較為顯著的現(xiàn)實(shí)意義。
關(guān)鍵詞：瑞薩單片機(jī)；智能控制；用電安全

0 引言
    在學(xué)校學(xué)生宿舍用電管理一直是一個難題，特別是磚木結(jié)構(gòu)的學(xué)生宿舍，各種違章大功率電器的使用屢禁不絕。由于違章電器的使用引起火災(zāi)的事故時有發(fā)生，給國家的財產(chǎn)造成了嚴(yán)重的損失，同時也對學(xué)生的生命構(gòu)成了一定的威脅，本文所研究的智能限電和防火控制器能很好保障學(xué)生宿舍的用電安全，維護(hù)學(xué)校的安全穩(wěn)定工作。

1 智能限電和防火控制器的設(shè)計
1．1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計
    智能限電和防火控制器以瑞薩單片機(jī)(M3062P)為控制核心，外圍電路有電源電路、按鍵電路、繼電器驅(qū)動電路、時鐘電路、128×64液晶顯示電路、電流采樣、電壓采樣、漏電采樣、E2PROM電路、光耦輸入、通信RS485接口。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

    電流采樣電路用于檢測電路電流的大小，用于過載、短路等保護(hù)等；電壓采樣電路用于檢測電路電壓的高低和頻率測量；光耦電路將傳感器接口和控制電路接口隔離；漏電采樣可能檢測線路中是否存在漏電；通信電路可能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程24小時在線監(jiān)控；E2PROM電路可實(shí)現(xiàn)參數(shù)和故障信息的掉電保存；電源電路為整個系統(tǒng)提供電源。
1．1．2 電源電路
    由于系統(tǒng)的控制核心和外圍電路的工作電壓為5V，繼電器線圈電壓為5V，同時考慮成本和抗干擾性能，因此采用三端穩(wěn)壓器78L05為系統(tǒng)供電。T1為5W的工頻變壓器。

1．1．3 電壓和電流采樣電路
    電流采樣用穿線式電流互感器，電壓采樣用經(jīng)過互感器后用電阻采樣，再通過放大電路給單片機(jī)采樣計算有效值，再計算功率和功率因數(shù)，根據(jù)有功功率可檢測是否有純阻性負(fù)載接入，實(shí)現(xiàn)智能限電功能。漏電采樣可能檢測線路中是否存在漏電，如果單片機(jī)(M3062P)檢測到線路有漏電，當(dāng)漏電電流達(dá)到設(shè)定值，單片機(jī)發(fā)出動作信號驅(qū)動繼電器全負(fù)載斷開，從而避免由漏電導(dǎo)致的火災(zāi)的發(fā)生。Ia1、Ib1和Ic1是穿線式電流互感器。電壓采樣和電流采樣電路如圖3所示。

1．1．4 LCD顯示電路
    LCD顯示采用128×64點(diǎn)陣式液晶，其具有體積小、質(zhì)量輕、超薄和可編程驅(qū)動等其他顯示無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，不僅可以顯示數(shù)字、字符，還可以顯示漢字，可實(shí)現(xiàn)屏幕上下左右滾動、動畫、反轉(zhuǎn)顯示、顯示閃爍多種功能。設(shè)計采用中文圖形顯示界面，使人機(jī)界面更為友善。
1．1．5 光耦隔離電路
    光耦電路將感度傳感器溫、煙霧傳感器、可燃?xì)怏w探測器和1路DC24V遠(yuǎn)程消防控制信號輸出接口和CPU的控制端口隔離，提高系統(tǒng)的抗干擾性。
1．1．6 通信接口電路
    通信接口電路采用RS485方式，將系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)通過串行總線發(fā)送到每棟宿舍的主監(jiān)控端，在監(jiān)控端可以實(shí)時了解各個宿舍的用電及安全情況。
1．1．7 電源浪涌保護(hù)電路
    為了防止線路上的浪涌電壓損壞用電設(shè)備，在電源的進(jìn)線端增加防雷(電源浪涌保護(hù)器)電路，即在各相線和零線分別并聯(lián)一個壓敏電阻。防浪涌電路如圖4所示。

1．2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計
    主程序首先初始化主控芯片內(nèi)部寄存器和工作模式，檢查存儲在E2PROM中的各項(xiàng)參數(shù)是否在設(shè)定的范圍內(nèi)，若超出范圍或參數(shù)為空，則用缺省參數(shù)設(shè)置，然后初始化顯示模塊和鍵盤模塊，并顯示缺省界面。在程序的主循環(huán)中，主要實(shí)現(xiàn)電壓電流的采樣、漏電檢測以及各路傳感器輸入檢測，根據(jù)測量的結(jié)果決定是否需要執(zhí)行保護(hù)動作或報警動作。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖5所示。

2 系統(tǒng)的安裝調(diào)試和總結(jié)
    在整個系統(tǒng)設(shè)計完成后我們在調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)學(xué)校的作息時間和允許用電功率進(jìn)行了設(shè)定驗(yàn)證調(diào)試，智能限電，防雷和防火控制器具有智能限電，防雷保護(hù)器和剩余電流防火保護(hù)器的全部功能，結(jié)果顯示本系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行且效果理想。
    根據(jù)目前廣西很多學(xué)校的學(xué)生宿舍還存在著與我校同樣的用電安全隱患，本項(xiàng)目的研究及開發(fā)應(yīng)用對維護(hù)學(xué)校安全穩(wěn)定具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義和較高的推廣使用空間和應(yīng)用價值。