汪许炯 褚江南 胡国伟

【摘要】本文设计了一种基于单片机STC12C5A60S2为主控制器的寝室用电管理器，用于解决高校学生公寓因学生使用大功率电器而经常引发火灾的问题。给出了系统的组成结构，详细阐述了系统的硬件结构和相应的软件实现方法。实现了短信提醒提醒等功能，为解决寝室用电管理提供了一种新方法。

【关键词】STC12C5A60S2;大功率电器;GSM

引言

高校学生公寓因学生使用大功率电器而引发火灾事件时有发生，传统的安全教育方法仅仅局限于学校与寝室管理员的监督，但这不能从根本上解决问题。从技术上设计一种寝室功率用电管理器解决上述问题是行之有效的，本文设计的用电管理器就是在这样的背景下提出的。本设计在满足学生正常用电（笔记本电脑、普通照明、打印机、手机充电器等）的情况下，又能够限制使用电饭煲、热得快等大功率电器的使用。根据学生寝室的实际情况，设计的用电管理器进行相应的调整，比如核定用电功率为300W，500W等。

1.方案设计

整个设计系统由主控制模块、数据检测模块、GSM通信模块、继电器执行模块、以及液晶显示模块等几部分组成[1]。系统框图如图1所示：

图1 系统总体框图

其中主控制模块完成数据处理和输出和通信控制，以及与显示接口等功能;数据检测模块主要完成对原始数据的采集，经过整流滤波，信号调理后，通过单片机自带A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，然后控制模块中的单片机完成回路功率采集的功能，判断是否学生宿舍使用了大功率电器;继电器执行模块主要是执行单片机送过来的指令控制通断电，当用电器功率大于设定值时，继电器断开，切断用电器的电源，控制方法简单易行。GSM通信模块则是人性化的通过短信提醒用户是因违规使用大功率电器，并通过它对违规用户停电前短信警告如用户不听劝继续使用就发出停电短信通知同时给违规用户停电，液晶显示主要是显示各用电参数，电流值大小的设置，以及用户是否违规的状态，并通过它进行数据控制显示。测试实物如图2所示。

图2 功率检测实物图

2.系统硬件电路设计

2.1 主控制器与数据检测电路设计

主控制器采用的单片机是STC12C5A60S2，是高速/超低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-15倍数。内部集成MAX801专用复位电路，2路PWM，8路高速8位A/D转换（300K/S）[2]，它能控制电量采集，并把采集到的电量进行处理，送液晶显示屏显示。

数据检测模块包括交流电流测量模块和单片机内部自带电量采样模块。该控制器采用的是由简单的电流负感器采样，经桥式整流、滤波后再经过一个简单的限幅保护电路直接将线性的电压信号送至A/D转换器。其限幅保护电路主要是用来保护单片机芯片[3]。数据检测模块如图3所示。

图3 电压形成放大回路

电量采样模块核心电路是由单片机内部A/D转换器组成的电能模数转换电路，它能将电流采样信号与电压采样信号在芯片内部实现电能计量累加运算，并在内部实现A/D转换，以脉冲方式输出供给单片机数据处理使用。电量采样板上另一部分是磁保持继电器控制电路。

交流电流测量模块适用于单相工频（市电）交流电流测量，模块具有较高准确度。该模块采用定制的精密互感器加上独特的转化模块制作而成，采用高绝缘系数，厚盎司覆铜的优质PCB板为电路基板，保证了电路的稳定和电器性能的安全。

2.2 显示电路设计

液晶显示模块是由LCD12864液晶屏和按键模块组成;显示屏会实时显示用户用点情况与违规情况;按键模块可调节限制用户的用电瓦数。液晶显示如图4所示。

图4 液晶显示显示图

2.3 继电器电路的设计

设计采用的是5V单路继电器扩展板 可以控制各种家用电器，及大电流负载。本设计采用的是SONGLE功率继电器。当控制信号从单片机出来后，先经过光电耦合器进行强弱电的隔离，而后又经三级管放大来驱动继电器动作。通过继电器的断闸和合闸来实现房间的通断电。

2.4 GSM通讯模块的设计

本设计采用的GSM模块是ATK-SIM900A模块，ATK-SIM900A所选择的GSM模块为SIMCOM（希姆通）公司的SIM900A模块，该模块为SIMCOM公司推出的一款紧凑型产品，完全采用SMT封装形式，其性能稳定，外观精巧，性价比高。如图5所示。图6所示为手机接受到短信提醒显示功能。

图5 GSM通信模块

图6 手机短信显示结果

通过单片机利用AT指令控制GSM模块，将数据传送出去，当信号从单片机出来后，通过GSM模块自身的数据处理达到发送短信;实现对用户的违规提醒警告与停电通知;

3.系统软件设计

系统程序主要包括主程序，功率计算子程序，显示电流采样值，断闸倒计时等。

主程序的功能是对STC12C5A60S2单片机初始化，如设置堆栈、预制定时器的控制字、初始化显示缓冲区、设置标志位、清内存[4]等，然后显示开机初始化状态。系统软件流程如图7所示。

圖7 主程序流程图

4.系统调试与功能测试

本控制器采用模块化设计方法，安装方便，常规家用电器都能在总功率设定范围内正常使用。当有超过上限值的大功率电器使用或负载总功率超过设定值时，电路将立即跳闸，并通过GSM模块将短信发给用户，延时后自动重新合闸。

通过预设三种不同功率值，分别对不同的用电器负载进行测试实验，测试结果如表1所示：

表1 不同功率负载系统测试结果

功率负载名称 用电器标称功率/W 测试结果/W 误差%

多功能电熨斗 700 627 10.4

电吹风 900 847 5.9

奥克斯烧水壶 1000 928 7.2

通过不同功率负载的实验测试，表明系统能够实现用电保护，但系统的精度存在一定的误差，分析其原因有以下几个方面：（1）用电器的标称值不是一个完全的精确值;（2）系统电压、电流的采样存在一定的误差，数据有存在较小的跳变。

5.结束语

本方案可实现对用电器功率的即时采集，在部分学生寝室成功进行了运行，在一下步研究工作中，将实现大功率用电器的远监控，这对实现学生公寓安全用电、寝室管理具有一定意义。

参考文献

[1]周维龙，肖伸平，陈刚等.基于物联网的大功率电器监控系统设计[J].湖南工业大学学报，2012，26（5）.

[2]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛电路设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[3]王帅，刘荔鑫.大功率电器智能识别与用电安全控制器[J].电气时代，2005（04）：131-134.

[4]戴佳.51单片机C语言应用程序设计实例精讲[M].北京：电子工业出版社，2006.

项目来源：2014年浙江省大学生科技创新活动计划（新苗人才计划）资助（项目编号：2014R463006）。

作者简介：

汪许炯（1994—），男，大学本科，现就读于宁波职业技术学院电子信息工程学院。

褚江南（1994—），男，大学本科，现就读于宁波职业技术学院电子信息工程学院。

胡国伟（1984—），博士研究生，主要研究方向：嵌入式与物联网技术。