基于单片机的用电量智能监测装置

孙越　李聪　芦茜　周月

【摘 要】随着现代科学技术的不断更新延续，电力系统在学生宿舍楼中的应用越来越广泛，并且日趋复杂化。这就对学生宿舍楼的电力交流参数的测试和管理水平提出了更高的要求。该文介绍了以单片机STC12C5A60S2作为核心处理器，完成对寝室用电量实时监测及限电功能，本系统由液晶显示屏、电流互感器、电流信号的采集、电压信号的采集、报警电路、继电器触点保护电路、智能手机以及通信等蓝牙模块组成。电路检测模块实现对交流电压和电流的不间断实时检测，并用液晶显示屏LCD12864、智能手機对学生寝室用电器进行实时监测。当使用大功率用电器时，进行报警提示，并通过通信总线传输到主监控单元，从而实现智能监测及限电。

【关键词】STC12C5A60S2;电量监测;电流互感器

中图分类号： TM45 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）22-0042-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.22.017

0 引言

目前，学生宿舍的安全用电普遍存在管理难、用电量大、安全隐患等严重问题。学生在寝室用电时难免有违规之处，仅靠宣传或学生的自觉性，很难使用电事故发生率得到显著降低。智能监测装置可以实时监测寝室用电量，当学生使用大功率用电器时有效发挥自动报警及限电功能，保护寝室用电线路，减少火灾发生。

1 设计目的

设计并制作一个学生寝室用电量智能监测装置，可以测量寝室内学生各自插座上的主要电气参数信息，并达到超负荷时自动跳闸和恢复。

2 控制系统原理

控制系统分为三个单元：用电量监测单元，中央控制单元和智能限电单元。具体主要由中央控制器，人机界面装置，无线蓝牙模块，主电路控制装置和用电量监测单元组成。寝室用电器接通电源后本装置通过无线蓝牙连接，并与智能手机连接。按照正常操作流程，可以通过人机界面装置或智能手机发出控制指令，中央控制器接收指令并发出信号给主电路控制装置。当用电器开始工作时，通过电压互感器和电流互感器检测出用电器的电压和电流，把检测数据脉冲信号送到中央控制器。中央控制器对脉冲信号进行算法处理，计算得到用电器所消耗的用电量数据。中央控制装置将用电量数据传送到人机界面装置并发送到智能手机，使监控人员随时掌握寝室用电器的电量情况。图1是可监测用电量的用电器控制系统原理框图。

3 系统功能

3.1 实时监测

采用电压互感器和电流互感器分别感应寝室用电器的工作电压和电流，转换为小电压和小电流信号。在CPU的控制下，通过A/D转换，得到小电压和小电流的有效值，得到实时功率数据，并通过LED12864和智能手机显示。

3.2 限电功能

实现限电功能，当用电器功率大于200W时自动断电，且连续报警不少于5秒;当用电器功率小于或等于200W时，延时10秒后，自动恢复正常工作状态。功率的大小是通过电压220V和电流互感器感应到的电流作乘积得到的。利用继电器进行判断，当用电器功率大于200W时，继电器自动断开整个装置停止工作;当用电器功率小于或等于200W时，继电器恢复正常工作状态，装置开始工作。程序流程图如图3所示。

3.3 无线传输模块设计

本设计需要利用无线传输方式，利用智能手机，实现用电器功率上限在1000W以内任意设置，同时将用电器电压、电流的有效值和用电量，同步实时显示在智能手机上，并且当有非本人允许的用电器插入本插座时，应实时在智能手机上报警。该模块所需要的无线传输方式是通过蓝牙模块实现的，以智能手机应用程序APP为客户端，借助蓝牙无线通信技术，用电量监测装置作为服务器端接收手机的控制信号，从而实现无线传输功能。程序流程图如图4所示。

3.4 蓝牙串口APP

本阶段一安卓手机应用程序为终端，利用蓝牙技术，将监测装置作为服务端，接受信号用电器功率上限在1000W以内任意设置，同时将用电器电压、电流的有效值和用电量，同步实时显示在智能手机上。通过使用蓝牙串口APP与用电量监测装置的连接，就可以在允许范围内监测到用电器的电压、电流、功率及消耗用电量情况。在蓝牙串口APP中需要设置两个按键“+”和“-”，用来实现对功率的自加和自减。

4 硬件设计

在插座零线串联一个电流互感器，从而得到用电器的电流。用稳压降压模块把12V电压转变成5V电压从而使单片机和显示屏能正常工作，用继电器来保护电路，实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

4.1 单片机

本文采用STC12C5A60S2单片机，根据单片机本身的A/D转换功能实现模数转换的目的，为下一次传输过程奠定基础。

4.2 电流互感器

电流互感器采用ZMCT1038/C型电流互感器，其体积小，精度高，一致性好，适用于电力测量和保护。原边符号为P1、P2，副边符号为S1、S2。互感器的原边串接入主线路，被测电流为I1，原边匝数为N1，副边接内阻很小的电流表或功率表的电流线圈，副边电流为I2，副边匝数为N2。在理想情况下，即忽略线圈的电阻，铁心损耗及漏磁通可得：I1N2=I2N2，有I1/I2=N2/N1，即线圈的匝数与电流成反比。该电流互感器的变化比为1000：1。原理图如图4所示。

4.3 电源

电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供5V或者12V电压，确保电路的正常稳定工作。

5 结束语

本系统设计对学生寝室用电量不但（下转第109页）（上接第43页）可以通过智能手机实时监测，还可以对寝室使用大功率用电器做到自动断电、报警、自动恢复及限电功能，为学生寝室安全提供了一定保障，并且在电力节能管理等方面发挥明显的作用。该智能装置系统具有较高的性价比，安全可靠，使用方便简单，有效杜绝了校园寝室重大安全隐患，值得研究和推广。

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