一種無(wú)線智能寢室用電管理器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

汪許炯 褚江南 胡國(guó)偉

【摘要】本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)STC12C5A60S2為主控制器的寢室用電管理器，用于解決高校學(xué)生公寓因?qū)W生使用大功率電器而經(jīng)常引發(fā)火災(zāi)的問(wèn)題。給出了系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的軟件實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)現(xiàn)了短信提醒提醒等功能，為解決寢室用電管理提供了一種新方法。

【關(guān)鍵詞】STC12C5A60S2;大功率電器;GSM

引言

高校學(xué)生公寓因?qū)W生使用大功率電器而引發(fā)火災(zāi)事件時(shí)有發(fā)生，傳統(tǒng)的安全教育方法僅僅局限于學(xué)校與寢室管理員的監(jiān)督，但這不能從根本上解決問(wèn)題。從技術(shù)上設(shè)計(jì)一種寢室功率用電管理器解決上述問(wèn)題是行之有效的，本文設(shè)計(jì)的用電管理器就是在這樣的背景下提出的。本設(shè)計(jì)在滿足學(xué)生正常用電（筆記本電腦、普通照明、打印機(jī)、手機(jī)充電器等）的情況下，又能夠限制使用電飯煲、熱得快等大功率電器的使用。根據(jù)學(xué)生寢室的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)的用電管理器進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，比如核定用電功率為300W，500W等。

1.方案設(shè)計(jì)

整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)由主控制模塊、數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊、GSM通信模塊、繼電器執(zhí)行模塊、以及液晶顯示模塊等幾部分組成[1]。系統(tǒng)框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)總體框圖

其中主控制模塊完成數(shù)據(jù)處理和輸出和通信控制，以及與顯示接口等功能;數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊主要完成對(duì)原始數(shù)據(jù)的采集，經(jīng)過(guò)整流濾波，信號(hào)調(diào)理后，通過(guò)單片機(jī)自帶A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后控制模塊中的單片機(jī)完成回路功率采集的功能，判斷是否學(xué)生宿舍使用了大功率電器;繼電器執(zhí)行模塊主要是執(zhí)行單片機(jī)送過(guò)來(lái)的指令控制通斷電，當(dāng)用電器功率大于設(shè)定值時(shí)，繼電器斷開，切斷用電器的電源，控制方法簡(jiǎn)單易行。GSM通信模塊則是人性化的通過(guò)短信提醒用戶是因違規(guī)使用大功率電器，并通過(guò)它對(duì)違規(guī)用戶停電前短信警告如用戶不聽勸繼續(xù)使用就發(fā)出停電短信通知同時(shí)給違規(guī)用戶停電，液晶顯示主要是顯示各用電參數(shù)，電流值大小的設(shè)置，以及用戶是否違規(guī)的狀態(tài)，并通過(guò)它進(jìn)行數(shù)據(jù)控制顯示。測(cè)試實(shí)物如圖2所示。

圖2 功率檢測(cè)實(shí)物圖

2.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控制器與數(shù)據(jù)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

主控制器采用的單片機(jī)是STC12C5A60S2，是高速/超低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-15倍數(shù)。內(nèi)部集成MAX801專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速8位A/D轉(zhuǎn)換（300K/S）[2]，它能控制電量采集，并把采集到的電量進(jìn)行處理，送液晶顯示屏顯示。

數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊包括交流電流測(cè)量模塊和單片機(jī)內(nèi)部自帶電量采樣模塊。該控制器采用的是由簡(jiǎn)單的電流負(fù)感器采樣，經(jīng)橋式整流、濾波后再經(jīng)過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的限幅保護(hù)電路直接將線性的電壓信號(hào)送至A/D轉(zhuǎn)換器。其限幅保護(hù)電路主要是用來(lái)保護(hù)單片機(jī)芯片[3]。數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊如圖3所示。

圖3 電壓形成放大回路

電量采樣模塊核心電路是由單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器組成的電能模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，它能將電流采樣信號(hào)與電壓采樣信號(hào)在芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量累加運(yùn)算，并在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，以脈沖方式輸出供給單片機(jī)數(shù)據(jù)處理使用。電量采樣板上另一部分是磁保持繼電器控制電路。

交流電流測(cè)量模塊適用于單相工頻（市電）交流電流測(cè)量，模塊具有較高準(zhǔn)確度。該模塊采用定制的精密互感器加上獨(dú)特的轉(zhuǎn)化模塊制作而成，采用高絕緣系數(shù)，厚盎司覆銅的優(yōu)質(zhì)PCB板為電路基板，保證了電路的穩(wěn)定和電器性能的安全。

2.2 顯示電路設(shè)計(jì)

液晶顯示模塊是由LCD12864液晶屏和按鍵模塊組成;顯示屏?xí)?shí)時(shí)顯示用戶用點(diǎn)情況與違規(guī)情況;按鍵模塊可調(diào)節(jié)限制用戶的用電瓦數(shù)。液晶顯示如圖4所示。

圖4 液晶顯示顯示圖

2.3 繼電器電路的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用的是5V單路繼電器擴(kuò)展板 可以控制各種家用電器，及大電流負(fù)載。本設(shè)計(jì)采用的是SONGLE功率繼電器。當(dāng)控制信號(hào)從單片機(jī)出來(lái)后，先經(jīng)過(guò)光電耦合器進(jìn)行強(qiáng)弱電的隔離，而后又經(jīng)三級(jí)管放大來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作。通過(guò)繼電器的斷閘和合閘來(lái)實(shí)現(xiàn)房間的通斷電。

2.4 GSM通訊模塊的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的GSM模塊是ATK-SIM900A模塊，ATK-SIM900A所選擇的GSM模塊為SIMCOM（希姆通）公司的SIM900A模塊，該模塊為SIMCOM公司推出的一款緊湊型產(chǎn)品，完全采用SMT封裝形式，其性能穩(wěn)定，外觀精巧，性價(jià)比高。如圖5所示。圖6所示為手機(jī)接受到短信提醒顯示功能。

圖5 GSM通信模塊

圖6 手機(jī)短信顯示結(jié)果

通過(guò)單片機(jī)利用AT指令控制GSM模塊，將數(shù)據(jù)傳送出去，當(dāng)信號(hào)從單片機(jī)出來(lái)后，通過(guò)GSM模塊自身的數(shù)據(jù)處理達(dá)到發(fā)送短信;實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的違規(guī)提醒警告與停電通知;

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序主要包括主程序，功率計(jì)算子程序，顯示電流采樣值，斷閘倒計(jì)時(shí)等。

主程序的功能是對(duì)STC12C5A60S2單片機(jī)初始化，如設(shè)置堆棧、預(yù)制定時(shí)器的控制字、初始化顯示緩沖區(qū)、設(shè)置標(biāo)志位、清內(nèi)存[4]等，然后顯示開機(jī)初始化狀態(tài)。系統(tǒng)軟件流程如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

4.系統(tǒng)調(diào)試與功能測(cè)試

本控制器采用模塊化設(shè)計(jì)方法，安裝方便，常規(guī)家用電器都能在總功率設(shè)定范圍內(nèi)正常使用。當(dāng)有超過(guò)上限值的大功率電器使用或負(fù)載總功率超過(guò)設(shè)定值時(shí)，電路將立即跳閘，并通過(guò)GSM模塊將短信發(fā)給用戶，延時(shí)后自動(dòng)重新合閘。

通過(guò)預(yù)設(shè)三種不同功率值，分別對(duì)不同的用電器負(fù)載進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如表1所示：

表1 不同功率負(fù)載系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

功率負(fù)載名稱 用電器標(biāo)稱功率/W 測(cè)試結(jié)果/W 誤差%

多功能電熨斗 700 627 10.4

電吹風(fēng) 900 847 5.9

奧克斯燒水壺 1000 928 7.2

通過(guò)不同功率負(fù)載的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，表明系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)用電保護(hù)，但系統(tǒng)的精度存在一定的誤差，分析其原因有以下幾個(gè)方面：（1）用電器的標(biāo)稱值不是一個(gè)完全的精確值;（2）系統(tǒng)電壓、電流的采樣存在一定的誤差，數(shù)據(jù)有存在較小的跳變。

5.結(jié)束語(yǔ)

本方案可實(shí)現(xiàn)對(duì)用電器功率的即時(shí)采集，在部分學(xué)生寢室成功進(jìn)行了運(yùn)行，在一下步研究工作中，將實(shí)現(xiàn)大功率用電器的遠(yuǎn)監(jiān)控，這對(duì)實(shí)現(xiàn)學(xué)生公寓安全用電、寢室管理具有一定意義。

參考文獻(xiàn)

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項(xiàng)目來(lái)源：2014年浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃（新苗人才計(jì)劃）資助（項(xiàng)目編號(hào)：2014R463006）。

作者簡(jiǎn)介：

汪許炯（1994—），男，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院。

褚江南（1994—），男，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院。

胡國(guó)偉（1984—），博士研究生，主要研究方向：嵌入式與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。