摘要：針對目前高校學生公寓無用電安全監(jiān)控能力、無實時電量預(yù)警等弊端，提出一種基于ADE7755計量芯片、利用熱釋電紅外探測技術(shù)、以單片機為控制核心的智能電表設(shè)計，可智能識別、限制大功率電器運行以及杜絕無人用電，并可實時預(yù)警電量，實現(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；ADE7755；功率檢測
為有效管理學生公寓用電，國內(nèi)許多高校在學生宿舍引入了集中式用電管理系統(tǒng)，此類系統(tǒng)一般由計量終端、中繼模塊及上位機組成，功能上過度依賴中繼模塊與上位機，只能實現(xiàn)簡單的集中化用電管理，無法對大功率用電、無人用電等違規(guī)行為實時監(jiān)控，無法杜絕違規(guī)用電帶來的安全隱患，導致用電火災(zāi)時有發(fā)生；其次無電量實時提示功能，交互性差。
本文著力于改進終端的用電安全監(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。該智能電表可獨立運行，單獨安裝于學生宿舍內(nèi)，除能高精度計量電能之外，還可自動識別、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；可實時提示電量不足，交互性大大增強；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。功能上的獨立及單獨安裝也使得施工時只需簡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模塊、計量模塊、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，可根據(jù)實際需要加入其他模塊擴展功能。模塊化設(shè)計使得各模塊可獨立運行，同時也可降低主控CPU負荷，只需進行簡單響應(yīng)各模塊信號，無需復(fù)雜運算處理，簡化程序運行，降低出錯率。
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現(xiàn)的弊病，提高終端的獨立工作與智能監(jiān)控能力，將單片機作為終端的主控核心，脫離對中繼功能上的依賴，獨立對多路信號采集與判斷，響應(yīng)各種信號并執(zhí)行相應(yīng)動作。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，其內(nèi)置EEPROM、硬件看門狗以及掉電檢測電路，豐富的內(nèi)置功能模塊可大大簡化周邊電路設(shè)計，同時也提高了系統(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數(shù)脈沖，計數(shù)并存儲。
(2)監(jiān)控P1．2引腳電源電壓，掉電時將用電數(shù)據(jù)存入內(nèi)部EEPROM。
(3)利用串口實現(xiàn)與集中器或上位機之間的數(shù)據(jù)傳送、指令執(zhí)行。
(4)根據(jù)電量計算結(jié)果和紅外檢測狀態(tài)啟動周邊控制模塊，提示電量不足或切斷供電，杜絕無人情況下電器運行，確保用電安全。
原理圖如圖2所示。
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1．2 ADE7755計量模塊
電能計量部分采用專用計量芯片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，實現(xiàn)脈沖計數(shù)。主控模塊累計脈沖個數(shù)，計滿設(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，即計滿1 600個脈沖為1 kW·h電量?？梢栽O(shè)定更高的脈沖常數(shù)值進行計數(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模塊
為填補現(xiàn)有終端對安全監(jiān)控功能的空缺，尤其是無人情況下用電的監(jiān)控，采取簡單實用的紅外探測技術(shù)，實現(xiàn)對宿舍有無人員活動的監(jiān)控，無人情況下自動切斷電源，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)計如圖3所示。
傳感器RE200B獲取信號送入1IN+，利用BISS0001內(nèi)部的運算放大器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-，進行
第二級放大。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)信號啟動延遲時間定時器。同時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)下的短時間低電平誤判。其中可變電阻Time為輸出延遲時間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)計中可以根據(jù)式(4)調(diào)節(jié)Td。
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1．4 周邊控制模塊
該模塊實現(xiàn)供電控制與剩余電量提示，包括繼電器驅(qū)動電路、LED電路。LED由單片機直接驅(qū)動，在此不再贅述。繼電器驅(qū)動電路如圖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導通造成電源短路故障。
2 智能電表軟件設(shè)計
軟件設(shè)計包含用電監(jiān)控、紅外探測、掉電檢測以及串口通信，同樣采用模塊化設(shè)計。本部分主要介紹用電監(jiān)控、紅外探測及掉電處理，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。
初始化包括單片機初始化和周邊模塊的初始化。系統(tǒng)加電后，單片機對各I／O口重置為預(yù)定模式，看門狗初始化、串口中斷初始化、定時器初始化、掉電檢測初始化等。周邊模塊即電能采集、紅外探測以及控制模塊的初始化啟動。
2．1 用電監(jiān)控
該部分為智能電表主要功能設(shè)計單元，包括電量處理、功率檢測及數(shù)據(jù)存儲。
程序初始化進入電量處理，首先讀取內(nèi)部EEPROM中計數(shù)值count，做為此次計數(shù)的初始值Tcount。開啟中斷后即對INT0送入的每個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)生新中斷實現(xiàn)循環(huán)計數(shù)。Tcount累加至1 600后W減1并重新賦值給W，爾后清零Tcou-nt，重新開始計數(shù)。當W≤1時將啟動LED提示程序，預(yù)警電量。
功率檢測通過軟件方法實現(xiàn)。利用定時器，開啟周期為5 s的定時，對此周期內(nèi)電量脈沖數(shù)進行累加統(tǒng)計，與設(shè)定值p進行比較，若>p則認為大功率用電，立即切斷供電，延時一段時間后恢復(fù)供電，并標記違規(guī)用電次數(shù)Tcount，存于內(nèi)部EEPROM中以備上位機數(shù)據(jù)錄入。
為確保數(shù)據(jù)存儲安全可靠，軟件設(shè)計中采用兩種方法：一是電量值W每次完成減1即存入單片機內(nèi)部EEPROM，然后向上位機更新電量數(shù)據(jù)，及時轉(zhuǎn)存、更新數(shù)據(jù)；二是數(shù)據(jù)分存時的對比，存入數(shù)據(jù)時，單片機與上位機各自對W值進行比對，只有更新后的W值小于原數(shù)據(jù)W時方為有效數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)存儲準確無誤。
2．2 紅外探測
此部分軟件設(shè)計只需檢測P1．5引腳是否為有高電平輸入即可實現(xiàn)簡單邏輯判斷。硬件上紅外探測模塊本身有輸出延時Td，結(jié)合軟件上的冗余驗證，確保判斷正確無誤。實際使用中還可以通過增加探測模塊，經(jīng)二極管線與后實現(xiàn)多個信號源輸入，提高探測范圍和準度。
2．3 掉電處理
基于STC內(nèi)置的低電平檢測功能，結(jié)合中斷應(yīng)用，當檢測到P1.2腳電壓低于設(shè)定值4 V時產(chǎn)生中斷，單片機將Tcount值以及電量值W存入內(nèi)部EEPROM，作為下次計數(shù)啟動初始值。其程序流程與電量計量模塊相同，只是中斷優(yōu)先級略低，故此處略去不再細述。
3 結(jié)束語
本智能電表的特點：一是用簡單、實用、成熟的軟硬件設(shè)計實現(xiàn)了宿舍無人條件下的用電監(jiān)控，杜絕用電隱患，實時提示功能簡單實用；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獨立運行，功能上不再依賴中繼模塊，可單獨安裝，不但大大降低了線路成本，還降低了施工難度，實測表明本電表可智能化監(jiān)控用電安全。
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