一種無線智能寢室用電管理器的設計與實現(xiàn)

汪許炯 褚江南 胡國偉

【摘要】本文設計了一種基于單片機STC12C5A60S2為主控制器的寢室用電管理器，用于解決高校學生公寓因學生使用大功率電器而經(jīng)常引發(fā)火災的問題。給出了系統(tǒng)的組成結構，詳細闡述了系統(tǒng)的硬件結構和相應的軟件實現(xiàn)方法。實現(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。

【關鍵詞】STC12C5A60S2;大功率電器;GSM

引言

高校學生公寓因學生使用大功率電器而引發(fā)火災事件時有發(fā)生，傳統(tǒng)的安全教育方法僅僅局限于學校與寢室管理員的監(jiān)督，但這不能從根本上解決問題。從技術上設計一種寢室功率用電管理器解決上述問題是行之有效的，本文設計的用電管理器就是在這樣的背景下提出的。本設計在滿足學生正常用電（筆記本電腦、普通照明、打印機、手機充電器等）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)學生寢室的實際情況，設計的用電管理器進行相應的調整，比如核定用電功率為300W，500W等。

1.方案設計

整個設計系統(tǒng)由主控制模塊、數(shù)據(jù)檢測模塊、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)檢測模塊主要完成對原始數(shù)據(jù)的采集，經(jīng)過整流濾波，信號調理后，通過單片機自帶A/D轉換器將模擬信號轉換為數(shù)字信號，然后控制模塊中的單片機完成回路功率采集的功能，判斷是否學生宿舍使用了大功率電器;繼電器執(zhí)行模塊主要是執(zhí)行單片機送過來的指令控制通斷電，當用電器功率大于設定值時，繼電器斷開，切斷用電器的電源，控制方法簡單易行。GSM通信模塊則是人性化的通過短信提醒用戶是因違規(guī)使用大功率電器，并通過它對違規(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)，電流值大小的設置，以及用戶是否違規(guī)的狀態(tài)，并通過它進行數(shù)據(jù)控制顯示。測試實物如圖2所示。

圖2 功率檢測實物圖

2.系統(tǒng)硬件電路設計

2.1 主控制器與數(shù)據(jù)檢測電路設計

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

數(shù)據(jù)檢測模塊包括交流電流測量模塊和單片機內部自帶電量采樣模塊。該控制器采用的是由簡單的電流負感器采樣，經(jīng)橋式整流、濾波后再經(jīng)過一個簡單的限幅保護電路直接將線性的電壓信號送至A/D轉換器。其限幅保護電路主要是用來保護單片機芯片[3]。數(shù)據(jù)檢測模塊如圖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內部A/D轉換器組成的電能模數(shù)轉換電路，它能將電流采樣信號與電壓采樣信號在芯片內部實現(xiàn)電能計量累加運算，并在內部實現(xiàn)A/D轉換，以脈沖方式輸出供給單片機數(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。

交流電流測量模塊適用于單相工頻（市電）交流電流測量，模塊具有較高準確度。該模塊采用定制的精密互感器加上獨特的轉化模塊制作而成，采用高絕緣系數(shù)，厚盎司覆銅的優(yōu)質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 顯示電路設計

液晶顯示模塊是由LCD12864液晶屏和按鍵模塊組成;顯示屏會實時顯示用戶用點情況與違規(guī)情況;按鍵模塊可調節(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 繼電器電路的設計

設計采用的是5V單路繼電器擴展板 可以控制各種家用電器，及大電流負載。本設計采用的是SONGLE功率繼電器。當控制信號從單片機出來后，先經(jīng)過光電耦合器進行強弱電的隔離，而后又經(jīng)三級管放大來驅動繼電器動作。通過繼電器的斷閘和合閘來實現(xiàn)房間的通斷電。

2.4 GSM通訊模塊的設計

本設計采用的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，性價比高。如圖5所示。圖6所示為手機接受到短信提醒顯示功能。

圖5 GSM通信模塊

圖6 手機短信顯示結果

通過單片機利用AT指令控制GSM模塊，將數(shù)據(jù)傳送出去，當信號從單片機出來后，通過GSM模塊自身的數(shù)據(jù)處理達到發(fā)送短信;實現(xiàn)對用戶的違規(guī)提醒警告與停電通知;

3.系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)程序主要包括主程序，功率計算子程序，顯示電流采樣值，斷閘倒計時等。

主程序的功能是對STC12C5A60S2單片機初始化，如設置堆棧、預制定時器的控制字、初始化顯示緩沖區(qū)、設置標志位、清內存[4]等，然后顯示開機初始化狀態(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)調試與功能測試

本控制器采用模塊化設計方法，安裝方便，常規(guī)家用電器都能在總功率設定范圍內正常使用。當有超過上限值的大功率電器使用或負載總功率超過設定值時，電路將立即跳閘，并通過GSM模塊將短信發(fā)給用戶，延時后自動重新合閘。

通過預設三種不同功率值，分別對不同的用電器負載進行測試實驗，測試結果如表1所示：

表1 不同功率負載系統(tǒng)測試結果

功率負載名稱 用電器標稱功率/W 測試結果/W 誤差%

多功能電熨斗 700 627 10.4

電吹風 900 847 5.9

奧克斯燒水壺 1000 928 7.2

通過不同功率負載的實驗測試，表明系統(tǒng)能夠實現(xiàn)用電保護，但系統(tǒng)的精度存在一定的誤差，分析其原因有以下幾個方面：（1）用電器的標稱值不是一個完全的精確值;（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.結束語

本方案可實現(xiàn)對用電器功率的即時采集，在部分學生寢室成功進行了運行，在一下步研究工作中，將實現(xiàn)大功率用電器的遠監(jiān)控，這對實現(xiàn)學生公寓安全用電、寢室管理具有一定意義。

參考文獻

[1]周維龍，肖伸平，陳剛等.基于物聯(lián)網(wǎng)的大功率電器監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].湖南工業(yè)大學學報，2012，26（5）.

[2]黃智偉.全國大學生電子設計競賽電路設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[3]王帥，劉荔鑫.大功率電器智能識別與用電安全控制器[J].電氣時代，2005（04）：131-134.

[4]戴佳.51單片機C語言應用程序設計實例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

項目來源：2014年浙江省大學生科技創(chuàng)新活動計劃（新苗人才計劃）資助（項目編號：2014R463006）。

作者簡介：

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

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

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