基于单片机的学生公寓用电管理系统设计

摘要：福星晓程PL3000单片机是一款多功能单相电能表的专用芯片，本项目组采用它作为用户模块的控制核心，加以通讯网络构成集中式智能用电管理系统。本文给出了其系统硬件原理图，分析了系统的软件设计思想。本系统可以有效地解决如学校等集体宿舍电费管理难和安全隐患等亟需解决的问题。
关键词：用电管理：集体宿舍；PL3000单片机

0 引言
    近年来，我国高等教育规模迅速扩大，在校生成倍增加，而后勤发展相对滞后，高校学生宿舍用电管理难等问题格外突出。一是大量学生宿舍电量计费仍然停留在老式的电度表计量阶段，计量精度低，人工抄表效率低、易出错，且对欠费用户很难有效管理。二是对学生使用违禁电器无法自动识别，产生很大的安全隐患。因此设计一种带有精确计量、智能控制、恶性负载识别、分时段限功率送电等功能的智能控电系统有着十分重要的意义。本文给出了采用福星晓程PL3000单片机的具有上述功能的控制系统设计方案，本产品已在本地进入了推广阶段。

1 硬件电路设计
1．1 控制系统总体方案
    每个用户端由一个多功能电表完成用电计量计费和管理，上位计算机将相关用电控制参数传送到用户终端，终端系统则根据管理中心设定的参数对用电情况进行实时监控，向管理中心计算机报送计量数据、恶性负载判别等功能，并执行管理中心发送的断电、供电指令。从而构成整个供电场所的柔性智能管理系统。其总体方案如图1所示。


1．2 多功能电表结构
    本方案采用北京福星晓程公司开发的多功能电表专用处理器PL3000。该芯片具有以下特点和功能：
    (1)内嵌增强型8051兼容处理器，配置8／16位ALU、256+768 bytes SRAM以及8kbytes E2PROM、三个8／16位定时／计数器，一个看门狗定时器和三个外部中断。
    (2)超级指令流水线结构，同等主频情况下8倍速于标准8051微处理器。
    (3)内置高精度数字多功能电能计量单元，计量精度优于0．1％；
    (4)电流通道内置可编程增益放大器(PGA)
    (5)内置双通道电流采样、正／负功指示数字逻辑电路，具有防窃电功能。
    (6)提供有功功率和无功功率瞬时值输出。
    (7)外围模块包括LCD驱动、在系统编程、电源电压监测电路、双通道IS07816接口、实时钟。
    该芯片集成了丰富的功能模块，外部只需少量的辅助元件即可完成所有功能，达到了整机低成本、高可靠的要求。电表设计框图如图2所示。


1．3 电流电压互感器采样电路
    其工作原理是：首先，通过电流互感器CT、电压互感器PT对电流、电压采样，采样电路如图3所示；采样后直接送入IC引脚，经过内部放大电路放大，通过 A／D转换器转换成为数字信号；接下来经过数字滤波、移相等处理；最终，得到有效的电能计量数据。从而完成对有功／无功功率、瞬时电流和电压的有效值以及当前的交流频率值的计量、计算。


    计量电路可以由软件来控制采样两路电流信号中的某一路。在计量模块内部与电压采样结果进行乘法处理，计算得到有功功率、无功功率。计量模块与8051之间是并行通讯，通过寄存器以及中断进行控制。PL3200内部的嵌入式微处理器8051可以通过特殊功能寄存器(SFR，包
括控制寄存器、标识寄存器、校表寄存器和数据寄存器四类)地址直接访问计量模块内部的寄存器。
1．4 有功测量
    电能在物理山可以看成是从电源流向负载的能量流，在数学上等于该时刻瞬时电压值与瞬时电流值的乘积，将所有瞬时消耗的乘积在时间上做积分得到(见下式)：

    其中U、I分别为交流电压、电流信号的有效值，cosφ为功率因素，然而，式(2)仅适用于电压电流都是标准正弦信号的时候，若这个前提不满足，则不能用式(2)作电网的功率计量。在实际电网中，电压电流信号基本上都不是只包含50Hz频率分量的正弦信号，而是含有很多诸如
100Hz、150Hz、200Hz…等的谐波信号。因此现代电能计量都仍然使用式(1)来计算功率和电能。
    PL3000芯片采用了IIR高通滤波器去除电压电流信号中的直流信号，IIR型滤波器的一个缺点是具有非线性相位的频响特性，但由于PL30 00芯片对电压和电流信号使用同样的IIR型滤波器，对电压电流信号中的同频率分量将产生同样的相位延时，它们的相角差没有改变，因而不会对同频率的电压电流乘积积分值产生影响，这一点PL3000芯片与其他同类功率计量芯片不同，高通滤波器将不会由于非线性相位效应对电能计量产生不利影响。
1．5 通信接口设计
    串行数据通信只需要一对数据传送线进行信息的传送，传送成本较低，特别适用分布式控制系统以及远距离通信之中，故本设计选择串行数据通信。RS-232C 和RS-485接口电路是最常用的接口，RS-232C的缺点是只能用于短距离的数据通信，通常传送距离在50m以内，而RS-
485可以达到上千米。RS-485接口在总线上允许连接多达128个收发器，具有良好的抗噪声干扰性、长的传输距离和多站能力等优点，在此我们选用 RS-485接口作为用户端和管理中心的通信接口。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具
有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。图4为由SN75176构成的RS-485通信接口电路。



2 软件程序设计
2．1 软件设计思路
    控电终端的软件主要用来实现电量数据的采集和处理，并通过RS485接口实现与宿舍管理中心系统软件的数据交换，PL3000是一种具有集成度高、功能丰富、功耗低等技术特点的单片机，它以51为内核，所以可以很方便地用汇编或者C语言来完成程序设计。在系统的软件设计中，采用模块化设计方法，为使得程序结构清晰，便于今后进一步扩展系统的功能，宿舍中心计算机的软件由开发工具Visual Basic语言和Access数据库开发，基本功能有设置电量、查询、统计、打印、电表参数设置和报警等，如配置读卡器，则可增加预缴费和余量退费功能。
2．2 用户电量计量程序设计
    多功能电表主程序框图如图5所示，通信模块的功能是按照通讯规约实现与宿舍管理中心计算机的可靠通信，由中心计算机系统读取用户电量数据和设置时段、费率、恶性负载和限电等电表参数。显示模块的功能是显示用户的峰、平、谷、总电量及时间、上月电量等信息。计量模块与8051之间是并行通讯，MCU可以通过特殊寄存器地址直接访问计量模块内部的寄存器，以读出计量结果。然后利用电路常数对相应的电表参数进行修正，得到真实的测量值，结合当前时段和费率，累计用户峰、平、谷各时段的实际用电量，电量可直接存入Flash存储器，也可以存入计算机中心。


2．3 恶性负载识别设计
    在高校学生宿舍等集体用电场所里，恶性负载通常指热得快、电饭煲等大功率纯阻性用电器，这些电器的使用对宿舍带来极大的安全隐患。恶性负载的使用，让线路在瞬间有功功率猛增，并持续相同的用电功率。而使用电脑等负载时，线路在瞬间增大功率，但随着主机和显示器进入工作状态，线路的总功率会马上回落，而且，目前电脑等负载功率因素通常在0．9左右。因此PL3000可以根据采样到负载线路电压电流的变化模糊识别出是否存在恶性负载。软件设计流程图如图6所示。当发现用户使用恶性负载时，电表即对用户进行短时断电处理，间隔一定时间后再进行试送电，如果已经撤销了恶性负载，则恢复正常供电，如果还存在恶性负载，再进行断电处理，反复数次如果还存在恶性负载则报告计算中心，并进行长期断电。另外本系统还可以根据时段特别供电，比如夜晚以很小的负荷量送电，这个可以根据作息时间表来划分，每个时段都可以设定不同的用电参数。

3 结束语
    智能控电系统作为一个智能型用电管理系统，十分适用于例如高校宿舍的集中式用电管理，配合适当的通讯规约，可以方便地与管理中心计算机接口构成监控管理网络。本设计方案采用低功耗器件，成本较低，便于集成，可靠性高。经过试验，本文所设计的电能表的各项技术指标均达到国家电能表的技术标准，具有一定的推广价值和较好的市场前景。