学生公寓安全用电智能电表设计

摘要：针对目前高校学生公寓无用电安全监控能力、无实时电量预警等弊端，提出一种基于ADE7755计量芯片、利用热释电红外探测技术、以单片机为控制核心的智能电表设计，可智能识别、限制大功率电器运行以及杜绝无人用电，并可实时预警电量，实现了用电监控智能化，具有广泛的应用前景。
关键词：智能监控；模块化；热释电红外探测；ADE7755；功率检测

    为有效管理学生公寓用电，国内许多高校在学生宿舍引入了集中式用电管理系统，此类系统一般由计量终端、中继模块及上位机组成，功能上过度依赖中继模块与上位机，只能实现简单的集中化用电管理，无法对大功率用电、无人用电等违规行为实时监控，无法杜绝违规用电带来的安全隐患，导致用电火灾时有发生；其次无电量实时提示功能，交互性差。
    本文着力于改进终端的用电安全监控及交互性等功能，提出了一种智能化终端——智能电表的设计。该智能电表可独立运行，单独安装于学生宿舍内，除能高精度计量电能之外，还可自动识别、限制大功率电器，宿舍无人则切断供电，杜绝大功率用电、无人用电的隐患；可实时提示电量不足，交互性大大增强；利用RS-485通讯模块可便捷接入现有用电管理系统，作为现有用电管理系统的终端。功能上的独立及单独安装也使得施工时只需简单的总线型供电线路即可，无需按照现有系统的星型供电线路施工，布线成本降低75％以上，施工难度也大大降低。

1 智能电表硬件结构
    图1即智能电表基本结构框图。本电表由主控模块、热释电红外人体探测模块、计量模块、周边控制模块以及RS-485通信模块构成。硬件上采用模块化设计，可根据实际需要加入其他模块扩展功能。模块化设计使得各模块可独立运行，同时也可降低主控CPU负荷，只需进行简单响应各模块信号，无需复杂运算处理，简化程序运行，降低出错率。

1．1 主控模块
    为彻底改变现有系统终端功能完全依赖中继实现的弊病，提高终端的独立工作与智能监控能力，将单片机作为终端的主控核心，脱离对中继功能上的依赖，独立对多路信号采集与判断，响应各种信号并执行相应动作。主控模块包括微处理器及周边电路，微处理器采用STC12C5 204AD单片机，其内置EEPROM、硬件看门狗以及掉电检测电路，丰富的内置功能模块可大大简化周边电路设计，同时也提高了系统本身的抗干扰能力。该主控模块功能如下：
    (1)通过外部中断INT0引脚采集电量模块送来的计数脉冲，计数并存储。
    (2)监控P1．2引脚电源电压，掉电时将用电数据存入内部EEPROM。
    (3)利用串口实现与集中器或上位机之间的数据传送、指令执行。
    (4)根据电量计算结果和红外检测状态启动周边控制模块，提示电量不足或切断供电，杜绝无人情况下电器运行，确保用电安全。
    原理图如图2所示。

1．2 ADE7755计量模块
    电能计量部分采用专用计量芯片ADE7755，采用330μΩ锰铜分流器作为电流采样元件，将采样得到的电压输入V1P、V1N，另通过电阻网络将电压采样送至V2P、V2N，经内部转换、相乘后得到有功功率瞬时值，从引脚CF以较高频率输出至主控CPU引脚INT0产生中断，实现脉冲计数。主控模块累计脉冲个数，计满设定数值后清零，并将电能数值减1，存入内部EEPROM保存用电数据。本模块设定SCF=0，S1=1，S0=0，G1=G0=1，增益G为16，由公式
   
    已知8．06为常数，V1、G、Vref以及F1-4值给定，只需调整分压电阻即可调整V2值。本模块调整V2后设定脉冲常数为1 600，即计满1 600个脉冲为1 kW·h电量。可以设定更高的脉冲常数值进行计数，只需灵活改变相关参数即可。
1．3 热释电红外人体探测模块
    为填补现有终端对安全监控功能的空缺，尤其是无人情况下用电的监控，采取简单实用的红外探测技术，实现对宿舍有无人员活动的监控，无人情况下自动切断电源，杜绝无人用电，有人情况下即恢复正常供电。本模块采用热释电红外传感器RE200B；信号处理电路采用高性能的处理集成电路BISS0001，其原理电路设计如图3所示。

    传感器RE200B获取信号送入1IN+，利用BISS0001内部的运算放大器OP1作为热释电红外传感器的前置放大，放大后经C4耦合至2IN-，进行
第二级放大。由BISS0001内部的电压比较器构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号启动延迟时间定时器。同时A与VC置1，设定为可重复触发工作状态，确保室内有人的情况下持续输出高电平，避免不可重复触发状态下的短时间低电平误判。其中可变电阻Time为输出延迟时间Td的调节元件，可变电阻Sensitive为灵敏度调节元件，在具体设计中可以根据式(4)调节Td。
   
1．4 周边控制模块
    该模块实现供电控制与剩余电量提示，包括继电器驱动电路、LED电路。LED由单片机直接驱动，在此不再赘述。继电器驱动电路如图4所示。

    继电器采用单线圈磁保持继电器，改变触点状态只需在A、B两端加上30 ms左右的反向脉冲即可，不需要持续供电维持闭合、断开状态，满足系统低功耗的要求。单片机控制继电器只需改变P1.7、P1.6引脚状态即可，并禁止P1.7、P1.6同为1，避免所有三极管同时导通造成电源短路故障。

2 智能电表软件设计
    软件设计包含用电监控、红外探测、掉电检测以及串口通信，同样采用模块化设计。本部分主要介绍用电监控、红外探测及掉电处理，串口通信限于篇幅则不再详述。系统软件框图如图5所示。

    初始化包括单片机初始化和周边模块的初始化。系统加电后，单片机对各I／O口重置为预定模式，看门狗初始化、串口中断初始化、定时器初始化、掉电检测初始化等。周边模块即电能采集、红外探测以及控制模块的初始化启动。
2．1 用电监控
    该部分为智能电表主要功能设计单元，包括电量处理、功率检测及数据存储。
    程序初始化进入电量处理，首先读取内部EEPROM中计数值count，做为此次计数的初始值Tcount。开启中断后即对INT0送入的每个电能脉冲下降沿响应中断，并累加Tcount，等待下一次下降沿产生新中断实现循环计数。Tcount累加至1 600后W减1并重新赋值给W，尔后清零Tcou-nt，重新开始计数。当W≤1时将启动LED提示程序，预警电量。
    功率检测通过软件方法实现。利用定时器，开启周期为5 s的定时，对此周期内电量脉冲数进行累加统计，与设定值p进行比较，若>p则认为大功率用电，立即切断供电，延时一段时间后恢复供电，并标记违规用电次数Tcount，存于内部EEPROM中以备上位机数据录入。
    为确保数据存储安全可靠，软件设计中采用两种方法：一是电量值W每次完成减1即存入单片机内部EEPROM，然后向上位机更新电量数据，及时转存、更新数据；二是数据分存时的对比，存入数据时，单片机与上位机各自对W值进行比对，只有更新后的W值小于原数据W时方为有效数据，确保数据存储准确无误。
2．2 红外探测
    此部分软件设计只需检测P1．5引脚是否为有高电平输入即可实现简单逻辑判断。硬件上红外探测模块本身有输出延时Td，结合软件上的冗余验证，确保判断正确无误。实际使用中还可以通过增加探测模块，经二极管线与后实现多个信号源输入，提高探测范围和准度。
2．3 掉电处理
    基于STC内置的低电平检测功能，结合中断应用，当检测到P1.2脚电压低于设定值4 V时产生中断，单片机将Tcount值以及电量值W存入内部EEPROM，作为下次计数启动初始值。其程序流程与电量计量模块相同，只是中断优先级略低，故此处略去不再细述。

3 结束语
    本智能电表的特点：一是用简单、实用、成熟的软硬件设计实现了宿舍无人条件下的用电监控，杜绝用电隐患，实时提示功能简单实用；二是与现有公寓用电管理终端相比，本电表可脱离集中器与上位机独立运行，功能上不再依赖中继模块，可单独安装，不但大大降低了线路成本，还降低了施工难度，实测表明本电表可智能化监控用电安全。