基于单片机的智能限电器设计

孙小春

(杨凌职业技术学院机电工程学院，陕西杨凌712100)

近年来，学校学生宿舍由于违规用电而引发的火灾事件时有发生，损失较为惨重［1］.因此安全用电问题也被提到了学校安全管理的首位.由于学生宿舍环境复杂，日常生活用品堆放杂乱，安全隐患严重，对学生的生命和财产安全构成了非常大的威胁［2］.经调查发现全国重大火灾发生的原因，很大一部分是由用电线路及用电设备造成的.因此如何自动、正确地识别学生宿舍的违规电器是智能限电器的核心部分.

从市面现有的限电器来看，获取用电信息的方法较多，如采用电压、电流互感器加AD转换的方式，虽然可以获取相应信息，但采样速度慢、精度差［3］.近几年限电器主要采用功率识别、相位识别等［4］，这些识别方法存在一定的局限性.功率识别法只是对使用电器的功率进行判断与控制，由于判定条件具有单一和不准确性，因此不能正确判断出是否存在违规电器.相位识别法利用模拟电子线路设计，使设计较为繁杂，采用电压与电流的相位差进行识别，虽然能判定是否有违规电器，但由于宿舍用电系统中用电设备的改变，如电脑数量的增加，使限电器的判定存在弊端.

此外调查发现学生宿舍用电安全隐患主要是热得快、电热炉、电热毯等大功率违规电器，此类用电器主要是阻性负载，阻性负载的功率因数较高，基本接近1.当阻性负载大功率电器接入时，功率增大，功率因数也有改变，因此功率和功率因数应该是正确判定违规用电的主要因素.

笔者根据宿舍安全用电的需求，研究并设计了一种从功率和功率因数2个方面进行测量判断是否存在违规用电现象的限电自动控制器.该设计可以彻底杜绝违规用电现象的发生，使宿舍在允许范围内能正常供电.

1 系统总体设计

系统设计采用一块电能计量芯片CS5463对用电情况进行测量，可以测量电压和电流，并可以计算瞬时功率和功率因数.利用单片机对测量数据进行实时监控，当某一段时间内用电实时功率超过设定值，或者功率因数超出允许数值时，单片机将向继电器发出控制信号，从而切断供电电路的功能;停止供电后，操作人员根据现场实际情况重新接通电路.具体超限设定值要根据学生宿舍的实际情况而定，特别是功率因数上下限阈值设定时，一定要把允许使用的电器的功率因数数值包括在范围之内.实时功率设定值、功率因数上下限阈值可根据宿舍用电器的变化随时进行在线更新设置.

本设计系统的硬件主要组成部分:中心控制模块MEGA32－16AU单片机及外围电路、时钟模块及外围电路、功率测量模块及外围电路、在线编程模块设计电路和继电器通断模块的设计等.本限电装置系统结构框图［5－6］，如图1 所示.

图1 系统结构框图

1.1 单片机控制模块接线 单片机外围电路［7－8］及连接原理如下图2所示.

图2 单片机原理图

1.2 时钟模块及接线 时钟模块选用DS1302模块.DS1302模块是由美国DALLAS公司制造，是一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，并且采用双电源供电方式(即主电源和备用电源);可以在2种时制下工作，即12小时制或者24小时制;与中心控制器单片机通讯需要3根线:RST(复位)，I/O(数据线)和SCLK(串行时钟).

时钟模块外围电路、以及与单片机的连接设计如下图3所示.

图3 时钟模块连接原理图

1.3 功率测量模块及接线 功率测量选用的是CS5463模块.CS5463模块包含了2个ΔΣ模－数转换器(ADC)、可编程的电能脉冲转换功能;可以使用价格便宜的分流器或电流互感器精确测量电流，还可使用分压电阻或者电压互感器测量瞬时电压，起到了代替电流、电压表的作用;包含一个双向串行通讯接口，与单片机实现双向串口数据传输;具有片上系统校准功能，方便灵活;具有温度传感器，电压下降检测，相位补偿等功能.因而CS5463模块也广泛应用于研制和开发单相、2线或3线电表［9］.笔者选用CS5463模块因为其具有精确测量和计算有功功率、无功功率和瞬时功率等功能.

CS5463模块与MEGA32－16AU单片机的连接如图4所示.

图4 功率测量模块连接原理图

1.4 在线编程下载模块 如图5所示.

图5 程序下载模块

1.5 继电器通断电路设计 如图6所示.

图6 电源通断控制电路

1.6 与上位机通讯 考虑到日后在组建功率限电系统时与上位机的通讯问题，本设计预留了单片机的9、10、11引脚，这些引脚可以通过485连线与上位机进行串口数据传输［10］.将来配合上位机的控制软件、人机互动界面以及数据库和管理系统，就可以组成一个完整的学生宿舍限电控制系统.

2 程序流程图

图7 程序流程图

3 小结

本限电器和市面其他产品相比，主要优点有:(1)利用单片机作为控制器其结构精简，经济实用;(2)使用实时功率和功率因数作为违规判定条件，二者之一超限都可以停止供电，使功能更为完善;(3)在线可编程通道的设计为以后进行程序的升级和功能数据的变更提供了便利.实践证明该限电器可以有效地限制大功率用电设备的使用，为安全用电提供了保证.

［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，2005(3):127－128.

［2］周杰波，陈惠英.基于单片机的智能限电器设计［J］.数字技术与应用，2011(6):130－131.

［3］李爱秋，季昌瑞.基于单片机和电力载波的学生宿舍用电管理系统［J］.机电工程，2008(2):67－69.

［4］范江波，杨丽.基于STC11F04E的智能限电器设计［J］.三门峡职业技术学院学报，2012(2):112.

［5］刘高.单片机实用技术［M］.北京:清华大学出版社，2004:103－155.

［6］冯建华.单片机应用系统设计与产品开发［M］.北京:人民邮电出版社，2005:134－212.

［7］张宏希.限电器原理及其实现［J］.电气时代，2005(8):118－119.

［8］戴卫军，杨伟.基于ATtiny25单片机的功率限制器的设计［J］.电子测量技术，2009(4):83－85.

［9］余新拴.新型电能计量芯片CS5463及其应用［J］.仪器仪表用户，2006(4):90－91.

［10］沙占友，孟志永，王彦.单片机外围电路设计［M］.北京:电子工业出版社，2006:23－188.