智能多通道電功率分配的硬件設計

蘇欣

摘 要：隨著國民經濟的發展和人民生活水平的提高，電力已成為工農業生產、科研、城市建設、市政交通和人民生活不可缺少的二次能源。在使用電力過程中，不注意安全，會造成人身傷亡事故和國家財產的巨大損失。因此，隨著電力事業的發展，用電設備和耗電量的增加，用電安全的重要性日益突出。文章設計的智能多通道電功率分配的硬件設計是一種具有實現家庭電路過功率保護，在家庭電路短路和過負載的情況下實現自動斷電保護的智能家用用電保護裝置。

關鍵詞：單片機；用電保護；智能

1 系統設計方案

1.1 實現目標

設計一種能夠實現家庭過功率保護，在家庭電路過功率的情況下能夠自動斷電并在功率恢復后自動啟動的智能多通道電功率分配系統。該系統還能通過按鍵直接設置上限功率，同時該系統不僅能夠實時顯示干路電流和功率，還能實時顯示電路工作狀態和危險信號，并做出有效反應。具有價格便宜、使用方便、性能可靠、功率可控等優點。

1.2 系統總體功能

通過電流互感器SCD211FK、峰值檢測電路實時檢測入戶線上的電流、電壓，將檢測到的值通過數模轉換電路ADC0809輸入單片機AT89S52，AT89S52將電流、電壓值反映到LCD液晶顯示屏上。通過按鍵電路給系統設定一個功率上限值，當家用電器的功率超過給定值時，單片機AT89S52給繼電器信號，促使其發生保護動作，切斷電源，并在LCD液晶顯示屏上顯示。當家用電器的功率低于功率上限時，單片機AT89S52給繼電器信號，使其恢復給家用電器供電。

1.3 工作原理

系統是基于單片機AT89S52控制系統，包括顯示模塊、傳感器模塊、峰值檢測模塊、AD轉換模塊、放大模塊等。干路大電流通過電流互感器STC211FK能夠轉換成小電流輸出，再經過精密運放OP07轉換成電壓信號，然后通過檢波電路進行峰值檢測，再有AD0809采樣輸出穩定值，進過軟件計算可得到精確地功率，從而實現過功率保護。

2 單元電路設計

2.1 電流互感器放大電路

電流互感器放大電路中使用SCT211FK電流互感器。SCT211FK是一款高精密的電流互感器，輸入額定電流為2mA，額定輸出電流為2mA。其線圈扎數比為1：2000，可耐控沖擊電流為100A*1秒。

2.2 數模轉換電路

ADC模塊中主要是逼近型數模轉換器ADC0809芯片，ADC0809芯片內部具有鎖存功能的8通道模擬多路開關，可對8通道0～5的輸入模擬電壓分式的進行轉換，芯片內具有多路開關地址譯碼器和比較器、鎖存電路、256R電阻T型網絡、逐次逼近型寄存器、SAR樹狀電子開關、控制和時序電路等。ADC0809芯片輸出具有TTL三臺鎖存功能的緩沖器，可以與單片機總線直接連接。

2.3 峰值檢測電路

由運放LF353和二極管、電容構成的檢波電路，用于檢測入戶電壓峰值。LF353是JFET型標準線性運算放大器，用電壓跟隨器不僅能作為緩沖器，而且和很好的隔離作用，并且能提高直流特性。該電路利用二極管的單向導通能力和電容充放電特性，得到比較準確的峰值。

2.4 基于單片機AT89S52的單片機最小硬件系統

單片機運行工作起來，所必需的最基本電路組成。最基本電路構成有電源電路、時鐘電路、復位電路。

2.4.1 復位電路。由電容串聯電阻構成，由“電容電壓不能突變”的性質可知，當系統一上電，RST腳將會出現高電平，并且這個電高平持續的時間由電路的RC值來決定。典型的52單片機當RST腳的高電平持續兩個機器周期以上就將復位，所以，適當組合RC的取值就可以保證可靠的復位。本設計中C取10μ，R取8.2K。原則要讓RC組合可以在RST腳上產生不少于2個機器周期的高電平。

2.4.2 時鐘電路。當單片機在工作時，從取指令到譯碼再進行微操作，必須在時鐘信號控制下才能夠有序的進行，時鐘電路就是為單片機工作提供基本時鐘的。單片機的時鐘信號通常有兩種產生方式：內部時鐘方式和外部時鐘方式。在單片機XTALL1和XTALL2引腳上跨接上一個晶振和兩個穩頻電容，可以與單片機片內的電路構成一個穩定的自激振蕩器。晶振的取值范圍一般為0～24MHz，常用的晶振頻率有6MHz、12MHz、11.0592MHz、24MHz等。

2.4.3 電源電路。AT89S51單片機的工作電壓范圍：4.0V～5.5V，所以通常給單片機外接5V直流電源。該電路輸入家用220V交流電，經過全橋整流，穩壓后輸出穩定的5V直流電。方便實用，輸出電壓穩定，最大輸出電流為1A，電路能帶動一定的負載。

2.4.4 單片機最小系統電路。單片機最小系統復位電路的極性電容C1的大小直接影響單片機的復位時間，一般采用10～30uF，51單片機最小系統電容值越大需要的復位時間越短。系統晶振Y1也可以采用6MHz或者11.0592MHz，在正常工作的情況下可以采用更高頻率的晶振，51單片機最小系統晶振的振蕩頻率直接影響單片機的處理速度，頻率越大處理速度越快。系統中的起振電容C2、C3一般采用15～30pF，并且電容離晶振越近越好，晶振離單片機越近越好。由于檢測一個從1到0的下降沿需要2個機器周期，因此要求被采樣的電平至少要維持一個機器周期。當晶振頻率為12MHz時，最高計數頻率不超過1/2MHz，即計數脈沖的周期要大于2ms。

3 結束語

本系統基于單片機AT89S52設計，適用于當家庭電路發生過功率時，實現自動斷電保護。可以通過按鍵直接設置上限功率，超過上限功率系統將對家用電器實現自動斷電。通過LCD液晶能夠實時顯示干路電流和功率，并且能實時顯示電路工作狀態和危險信號，以此來做出有效反應。

參考文獻

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