基于Labview的校园安全用电管理系统设计

常 硕，韩成浩

吉林建筑大学 电气与计算机学院,长春 130118

校园安全用电一直是国家极为关注的重要环节,近年来校园用电事故频发,需要迫切解决校园用电安全问题.校园用电预警已成为用电安全的一个先决条件,用电管理系统可以有效预警、监测校园用电[1].因此,设计一套校园安全用电管理系统,具有重要价值.本文采用软件与硬件相结合的方法设计管理系统,事故发生前该系统对违规用电寝室可进行有效断电;事故发生时该系统可及时根据电表位置找到事故点;事故发生后该系统可根据数据历史记录有效地找出事故起因.

1 总体方案

本管理系统设计成用电参数采集、主控芯片和数据存储等3部分.首先,系统硬件选用MAXQ 3180与C 8051 F 020单片机作为主要的采集芯片与控制芯片;其次,选取10个公寓作为目标楼段,在每个公寓的每个房间内均设置了1个采集器,以便对每个房间进行参数质量监测与中断控制等操作;第三,在每个公寓内均设置了1个集中器,采集器与集中器经CAN总线连接, 采集器将每个房间的数据进行采集,集中器将每个公寓的数据进行汇总[2];最后,各集中器通过WLAN无线局域网将数据上传至电能管理控制中心,每个学生可用手机进入电能界面进行本寝室电能查询，设计总体框图如图1所示.

图1 总体框图Fig.1 Overall block diagram

2 硬件设计

本系统硬件设计成电力参数采集、主控芯片数据处理等两大主要模块,硬件设计涉及到芯片选型、电路调整和芯片间的通讯连接等多方面内容[3].首先,用MAXQ 3180芯片对校园用电电压与电流进行采集,然后根据自带计算公式对数据进行计算,从而得到本系统所需用电参数,采用SPI总线将MAXQ 3180与C 8051 F 020单片机连接起来[4],单片机将采集的用电参数进行整理,先进行A/D转换获取数据,再进行D/A转换传出数据[5].

2.1 电力参数采集模块

本设计电力参数采集模块采用maxim公司的MAXQ 3180采集芯片,MAXQ 3180是专用的电气测量前端,它采集计算多项负载的多相电压、电流和功率能量等多种计量参数和功率品质参数[6].采集电力参数分为测量电压和测量电流.选用分压电阻式采集方式测量电压,选用电流互感器采集方式测量电流.MAXQ 3180基于电网周期积分处理计算电压、电流值,确定有功和无功能量.功率、能量计算过程包括每一网周期触发的连续累加和后处理.采集电路原理图(以单相为例)如图2所示.

图2 采集电路原理Fig.2 Acquisition circuit schematic diagram

2.2 主控芯片数据处理模块

本设计中的主控芯片数据处理模块选用Silicon Labs公司的C 8051 F 020单片机,C8051F系列单片机具有丰富的内部资源,并包含12位精度的A/D,D/A转换模块,便于模拟、数字信号的转换.此外,C 8051 F系列单片机还具有操作简单,在线下易于调试等特点[7].该系列单片机拥有自己独有的编译器IDE,操作起来更简单,且与传统keil编译器兼容.MAXQ 3180与C 8051 F 020采用SPI协议进行通信连接,C 8051 F 020单片机与集合器采用CAN总线通讯方式进行连接.

3 软件设计

本设计上位机界面是应用Labview软件进行开发的,Labview软件是一款使用图形符号作为程序进行编译的[8].采集器与集合器连接主要采用CAN总线通信方式,还分别配备了RS 232串口和RS 485串口,当前期进行一对一测试时,可直接选用RS 232串口或这RS 485串口直接与测试计算机进行连接[9].集合器通过校园无线局域网将数据上传至汇总数据库,通过虚拟仪器从数据库中读取相关数据展现出来.

3.1 采集器软件部分

本系统数据的采集及上传主要是C 8051 F 020单片机通过SPI通信读取MAXQ 3180的用电参数数据,系统开始初始化,检测芯片是否正常,单片机读取采集芯片数据,本系统设计成5 min为1个时间节点,每5 min测得1组数据进行保存,每24 h为1个大周期进行历史记录的保存.当出现失压或掉电情况时,立即保存数据,结束运行.C 8051 F 020读取MAXQ 3180数据程序流程如图3所示.

图3 程序流程Fig.3 Program flow

3.2 Labview上位机部分

本系统上位机应用Labview进行设计,上位机界面前面板主要对实时参数、历史记录、报警限值及实时波形等4个方面进行设计,并对电压、电流、功率和功率因数等参数进行读取[10].当开关打开时,开始读取、记录用电数据,并专门采集温度数据,当温度过高时,进行断电降温处理,以防烧坏芯片.Labview界面与程序框图如图4所示.

(a) 界面(a) Interface

(b) 程序框图(b) Program block diagram

4 结语

本文设计的一款校园安全用电管理系统可以有效预防火灾发生，在实验阶段就已达到了预期的目标.通过寝室用电电器的功率因数大小,可以判断学生是否使用违章电器.当出现违章电器时能及时进行断电、定位处理,这大大减少了寝室火灾的发生.通过观察上传数据的历史记录,可直观判断电能质量如何,从而加强对某一时段的预警.当事故发生时也可根据发生地点用电参数的突变判断事故起因，同时设计远程监控系统,学生也可通过手机进行寝室用电管理与查看.此设计符合当前国家安全管理理念,具有较好的应用前景,可大幅度有效减少校园用电事故的发生.