基于單片機的用電量智能監測裝置

孫越　李聰　蘆茜　周月

【摘 要】隨著現代科學技術的不斷更新延續，電力系統在學生宿舍樓中的應用越來越廣泛，并且日趨復雜化。這就對學生宿舍樓的電力交流參數的測試和管理水平提出了更高的要求。該文介紹了以單片機STC12C5A60S2作為核心處理器，完成對寢室用電量實時監測及限電功能，本系統由液晶顯示屏、電流互感器、電流信號的采集、電壓信號的采集、報警電路、繼電器觸點保護電路、智能手機以及通信等藍牙模塊組成。電路檢測模塊實現對交流電壓和電流的不間斷實時檢測，并用液晶顯示屏LCD12864、智能手機對學生寢室用電器進行實時監測。當使用大功率用電器時，進行報警提示，并通過通信總線傳輸到主監控單元，從而實現智能監測及限電。

【關鍵詞】STC12C5A60S2;電量監測;電流互感器

中圖分類號： TM45 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）22-0042-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.22.017

0 引言

目前，學生宿舍的安全用電普遍存在管理難、用電量大、安全隱患等嚴重問題。學生在寢室用電時難免有違規之處，僅靠宣傳或學生的自覺性，很難使用電事故發生率得到顯著降低。智能監測裝置可以實時監測寢室用電量，當學生使用大功率用電器時有效發揮自動報警及限電功能，保護寢室用電線路，減少火災發生。

1 設計目的

設計并制作一個學生寢室用電量智能監測裝置，可以測量寢室內學生各自插座上的主要電氣參數信息，并達到超負荷時自動跳閘和恢復。

2 控制系統原理

控制系統分為三個單元：用電量監測單元，中央控制單元和智能限電單元。具體主要由中央控制器，人機界面裝置，無線藍牙模塊，主電路控制裝置和用電量監測單元組成。寢室用電器接通電源后本裝置通過無線藍牙連接，并與智能手機連接。按照正常操作流程，可以通過人機界面裝置或智能手機發出控制指令，中央控制器接收指令并發出信號給主電路控制裝置。當用電器開始工作時，通過電壓互感器和電流互感器檢測出用電器的電壓和電流，把檢測數據脈沖信號送到中央控制器。中央控制器對脈沖信號進行算法處理，計算得到用電器所消耗的用電量數據。中央控制裝置將用電量數據傳送到人機界面裝置并發送到智能手機，使監控人員隨時掌握寢室用電器的電量情況。圖1是可監測用電量的用電器控制系統原理框圖。

3 系統功能

3.1 實時監測

采用電壓互感器和電流互感器分別感應寢室用電器的工作電壓和電流，轉換為小電壓和小電流信號。在CPU的控制下，通過A/D轉換，得到小電壓和小電流的有效值，得到實時功率數據，并通過LED12864和智能手機顯示。

3.2 限電功能

實現限電功能，當用電器功率大于200W時自動斷電，且連續報警不少于5秒;當用電器功率小于或等于200W時，延時10秒后，自動恢復正常工作狀態。功率的大小是通過電壓220V和電流互感器感應到的電流作乘積得到的。利用繼電器進行判斷，當用電器功率大于200W時，繼電器自動斷開整個裝置停止工作;當用電器功率小于或等于200W時，繼電器恢復正常工作狀態，裝置開始工作。程序流程圖如圖3所示。

3.3 無線傳輸模塊設計

本設計需要利用無線傳輸方式，利用智能手機，實現用電器功率上限在1000W以內任意設置，同時將用電器電壓、電流的有效值和用電量，同步實時顯示在智能手機上，并且當有非本人允許的用電器插入本插座時，應實時在智能手機上報警。該模塊所需要的無線傳輸方式是通過藍牙模塊實現的，以智能手機應用程序APP為客戶端，借助藍牙無線通信技術，用電量監測裝置作為服務器端接收手機的控制信號，從而實現無線傳輸功能。程序流程圖如圖4所示。

3.4 藍牙串口APP

本階段一安卓手機應用程序為終端，利用藍牙技術，將監測裝置作為服務端，接受信號用電器功率上限在1000W以內任意設置，同時將用電器電壓、電流的有效值和用電量，同步實時顯示在智能手機上。通過使用藍牙串口APP與用電量監測裝置的連接，就可以在允許范圍內監測到用電器的電壓、電流、功率及消耗用電量情況。在藍牙串口APP中需要設置兩個按鍵“+”和“-”，用來實現對功率的自加和自減。

4 硬件設計

在插座零線串聯一個電流互感器，從而得到用電器的電流。用穩壓降壓模塊把12V電壓轉變成5V電壓從而使單片機和顯示屏能正常工作，用繼電器來保護電路，實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關”。在電路中起著自動調節、安全保護、轉換電路等作用。

4.1 單片機

本文采用STC12C5A60S2單片機，根據單片機本身的A/D轉換功能實現模數轉換的目的，為下一次傳輸過程奠定基礎。

4.2 電流互感器

電流互感器采用ZMCT1038/C型電流互感器，其體積小，精度高，一致性好，適用于電力測量和保護。原邊符號為P1、P2，副邊符號為S1、S2。互感器的原邊串接入主線路，被測電流為I1，原邊匝數為N1，副邊接內阻很小的電流表或功率表的電流線圈，副邊電流為I2，副邊匝數為N2。在理想情況下，即忽略線圈的電阻，鐵心損耗及漏磁通可得：I1N2=I2N2，有I1/I2=N2/N1，即線圈的匝數與電流成反比。該電流互感器的變化比為1000：1。原理圖如圖4所示。

4.3 電源

電源由變壓部分、濾波部分、穩壓部分組成。為整個系統提供5V或者12V電壓，確保電路的正常穩定工作。

5 結束語

本系統設計對學生寢室用電量不但（下轉第109頁）（上接第43頁）可以通過智能手機實時監測，還可以對寢室使用大功率用電器做到自動斷電、報警、自動恢復及限電功能，為學生寢室安全提供了一定保障，并且在電力節能管理等方面發揮明顯的作用。該智能裝置系統具有較高的性價比，安全可靠，使用方便簡單，有效杜絕了校園寢室重大安全隱患，值得研究和推廣。

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