基于ADE7953的高校學(xué)生公寓用電管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 劉織財(cái)

基于ADE7953的高校學(xué)生公寓用電管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 劉織財(cái)

【摘要】介紹了一種基于ADE7953的高校學(xué)生公寓用電管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生公寓用電的智能管理。對節(jié)點(diǎn)電能控制器的電能檢測、自動(dòng)分合閘、通信模塊以及上位機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和說明，節(jié)點(diǎn)電能控制器以單片機(jī)為核心，以ADE7953為電能檢測器件，以RS485為數(shù)據(jù)傳輸手段，利用VB6.0編寫上位機(jī)監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)了對學(xué)生公寓用電智能管理。

【關(guān)鍵詞】ADE7953；電能檢測；通信；用電管理

隨著人民生活水平的提高，大學(xué)生公寓用電設(shè)備越來越多，用電需求量越來越大，高額的電費(fèi)勢必會影響高校的正常運(yùn)行，再加之大功率用電對既有線路的安全造成嚴(yán)重威脅，為了保證用電安全、節(jié)約開支和滿足學(xué)生用電需求的多樣性，開發(fā)了基于ADE7953的高校學(xué)生公寓用電管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測每個(gè)宿舍的用電情況，對異常情況能及時(shí)做出響應(yīng)和判斷，同時(shí)能滿足學(xué)生用電需求的多樣性和自主性，每個(gè)月每個(gè)宿舍可以給予一定的免費(fèi)額度，用以保證基本照明和生活使用，當(dāng)超過免費(fèi)額度，學(xué)生需自行承擔(dān)超出部分的電費(fèi)，這樣做既能大大減少學(xué)校的電費(fèi)開支，還能培養(yǎng)學(xué)生節(jié)約能源的意識。

1.系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是由若干個(gè)節(jié)點(diǎn)電能控制器（下位機(jī)）和一個(gè)上位控制系統(tǒng)組成，節(jié)點(diǎn)電能控制器由檢測電路、電能計(jì)量器件、單片機(jī)、繼電器、存儲器及通信部分組成，每間學(xué)生公寓對應(yīng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)電能控制器，主要負(fù)責(zé)該學(xué)生宿舍用電情況監(jiān)控、包括：有功功率、無功功率、過流檢測等電參數(shù)的采集和分析，并根據(jù)實(shí)時(shí)參數(shù)及時(shí)做出響應(yīng)，比如：聲光報(bào)警、斷電等措施，確保用電安全，各節(jié)點(diǎn)可獨(dú)立運(yùn)行，也可以通過RS485總線聯(lián)絡(luò)與上位機(jī)通信，上下位機(jī)之間通過數(shù)據(jù)交換，可以在上位機(jī)實(shí)時(shí)查看各節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)、剩余電量、發(fā)布繳費(fèi)提醒等，具體如圖1系統(tǒng)整體框圖所示。

圖1 系統(tǒng)整體組成框圖

2.硬件電路的設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)的選擇

本系統(tǒng)選用STC出品的低功耗新型單片機(jī)STC15F2k60S2作為節(jié)點(diǎn)電能控制器的控制核心，該單片機(jī)是8051單片機(jī)的升級版產(chǎn)品，采用1T指令，內(nèi)置2K字節(jié)大容量SRAM，2組異步串行通信端口，集成了大容量片內(nèi)EEPROM，可以有效利用這部分資源，存儲系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)信息，而無需額外增加外部存儲器件，確保掉電數(shù)據(jù)不丟失。

2.2 電能檢測電路的設(shè)計(jì)

電能檢測電路以Analog公司生產(chǎn)的ADE7953作為電能檢測的核心部件，它能夠測量相電壓和電流，并計(jì)算有功、無功、視在功率以及瞬時(shí)電壓和電流有效值，可同時(shí)測量零線電流，支持竊電檢測，ADE7953可以通過多種通信接口訪問片內(nèi)寄存器，包括 SPI、I2C和UART，再配以必要的檢測轉(zhuǎn)換電路完成電能的檢測。如圖2所示，5，6，腳為相電流輸入通道，通過電流互感器輸入采樣電流，9，10為零線電流采樣通道，這兩個(gè)電流采集通道均為差分輸入通道，11，12為電壓采集通道，基準(zhǔn)電源選用片內(nèi)基準(zhǔn)電源1.2V，與單片機(jī)之間的接口采用SPI方式，直接與單片機(jī)內(nèi)部SPI端口相連。

圖2 電能檢測電路

2.3 自動(dòng)分合閘電路

自動(dòng)分合閘電路采用繼電器作為分合閘動(dòng)作器件，采用三極管驅(qū)動(dòng)，繼電器的常閉觸點(diǎn)與學(xué)生公寓供電線路串聯(lián)，如圖2中的KA1，當(dāng)系統(tǒng)檢測到用電電流過高、有竊電嫌疑、或預(yù)充電量已完等情況時(shí)，單片機(jī)P1.7發(fā)出斷電指令”1”，繼電器線圈得電，常閉觸點(diǎn)斷開，切斷供電；需要恢復(fù)供電時(shí)，單片機(jī)P1.7發(fā)出供電指令”0”，繼電器線圈失電，常閉觸點(diǎn)閉合，供電恢復(fù)正常

2.4 鍵盤顯示電路

鍵盤顯示電路是系統(tǒng)人機(jī)交互的重要組成部分，采用4個(gè)獨(dú)立式按鍵，通過軟件即可構(gòu)成豐富的按鍵功能。顯示器件采用MZLH01-12864圖形點(diǎn)陣LCD顯示器件，與單片機(jī)之間通信采用三線準(zhǔn)SPI方式通信，鍵盤、顯示器件的七個(gè)端口與單片機(jī)的P0口相連。

2.5 通訊單元電路

節(jié)點(diǎn)電能控制器與上位機(jī)之間采用RS485方式通信，實(shí)現(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)電能控制器與上位機(jī)之間的通訊，本系統(tǒng)選用MAX485芯片作為節(jié)點(diǎn)控制器與上位機(jī)之間的接口芯片，電路如圖3所示，用單片機(jī)P3.4端口控制MAX485發(fā)送接收使能，總線起始終端都要接120Ω匹配電阻。

圖3 MAX485通訊單元電路

圖4 下位機(jī)主程序流程圖

3.軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括兩部分，一部分是下位單片機(jī)部分，采用KEIL C51軟件編寫，另一部分是上位機(jī)部分，上位機(jī)部分采用VB 6.0軟件編寫。

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)師本系統(tǒng)的核心，主要包括：人機(jī)交互，電能信息采集，數(shù)據(jù)分析、加工、存儲，數(shù)據(jù)通信等幾個(gè)部分，程序流程圖如圖4所示，程序上電初始化完成后，判斷是否第一次上電，若是第一次上電，則需要先設(shè)置本機(jī)地址和狀態(tài)參數(shù)，設(shè)置完畢后就可以讀取電量信息，判斷是否過載？是否欠費(fèi)等根據(jù)判斷的情況做出是否斷電處理等，間隔一定時(shí)間要進(jìn)行一次寫EEPROM，確保數(shù)據(jù)不丟失。

3.2 上位軟件設(shè)計(jì)

上位軟件使用VB6.0進(jìn)行編程，界面簡潔形象直觀，利用這個(gè)系統(tǒng)軟件可以實(shí)時(shí)監(jiān)測各個(gè)學(xué)生宿舍用電情況，并可以根據(jù)需要設(shè)置各宿舍允許的最大供電功率、免費(fèi)供電額度、預(yù)交電費(fèi)等信息，可以預(yù)先錄入宿舍長聯(lián)系方式，當(dāng)宿舍預(yù)存電量不足一定額度時(shí)，可以自動(dòng)通過GSM模塊給宿舍長發(fā)送繳費(fèi)提醒，也可以在當(dāng)前宿舍用電異常時(shí)，比如有竊電、超功率使用等情況時(shí)，發(fā)送提醒警告信息，當(dāng)提醒信息發(fā)出后一定時(shí)間，如果異常情況仍未消失，則上位機(jī)給下位機(jī)發(fā)送斷電指令，下位機(jī)執(zhí)行斷電措施，切斷當(dāng)前宿舍供電，待異常解除后，再給下位機(jī)發(fā)送供電指令，恢復(fù)供電。

3.3 通訊軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)、下位機(jī)之間通信采用RS-485方式通信，每個(gè)下位節(jié)點(diǎn)都有唯一的地址號，上下位機(jī)之間的通訊協(xié)議基于Modbus協(xié)議制定， Modbus協(xié)議是一種已廣泛應(yīng)用于當(dāng)今工業(yè)控制領(lǐng)域的通用通訊協(xié)議。 Modbus協(xié)議使用的是主從通訊技術(shù)，即由上位機(jī)主動(dòng)查詢和操作各下位機(jī)。兩端通訊的主要內(nèi)容有：控制命令傳輸、命令二次回傳以及下位節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息等幾方面內(nèi)容，每幀命令含有地址碼、功能碼、數(shù)據(jù)碼和校驗(yàn)碼四個(gè)部分。數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如表1所示：

表1 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

幀結(jié)構(gòu)里，每個(gè)數(shù)據(jù)的含義如下：

地址（ADDR）——上、下位機(jī)的地址號，每臺下位機(jī)初次上電需要設(shè)置本機(jī)地址和上位機(jī)地址。

功能號——相關(guān)命令代碼，01表示查詢當(dāng)前用電情況、02表示斷電、03表示恢復(fù)供電、05修改下位機(jī)地址號等

數(shù)據(jù)數(shù)量--數(shù)據(jù)單元的長度，對于不同的功能所需的命令數(shù)據(jù)長度不一致。

數(shù)據(jù)——命令代碼。

校驗(yàn)——采用CRC校驗(yàn)。

要想執(zhí)行相關(guān)操作，上位機(jī)首先向下位機(jī)發(fā)送相關(guān)指令，下位機(jī)收到指令后，判斷地址與自身地址是否相符，若不相符，則停止處理，繼續(xù)等待接收新指令，若相符，判斷功能碼，分解具體功能要求并執(zhí)行，并將執(zhí)行情況二次回傳給上位機(jī)，完成一次通訊。

4.系統(tǒng)測試

根據(jù)要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)上位機(jī)、下位節(jié)點(diǎn)電能控制器并完成系統(tǒng)搭建，在實(shí)驗(yàn)室做了系統(tǒng)調(diào)試及相關(guān)功能測試，調(diào)試結(jié)果表明，系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了相關(guān)的設(shè)計(jì)要求，各節(jié)點(diǎn)能準(zhǔn)確檢測電壓、電流，能準(zhǔn)確計(jì)量電能，能根據(jù)要求做出斷電、通電操作，各節(jié)點(diǎn)能獨(dú)立運(yùn)行，也可以與上位機(jī)組網(wǎng)運(yùn)行，通信正常，參數(shù)傳遞可靠。

5.結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一款基于ADE7953的高校學(xué)生公寓用電管理系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)及相關(guān)軟件的開發(fā)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、計(jì)量準(zhǔn)確，尤其是其成本低廉，具有一定的推廣價(jià)值。

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