本文著力于改進(jìn)終端的用電安全監(jiān)控及交互性等功能,，提出了一種智能化終端——智能電表" title="智能電表">智能電表的設(shè)計(jì),。該智能電表可獨(dú)立運(yùn)行，單獨(dú)安裝于學(xué)生宿舍內(nèi),，除能高精度計(jì)量電能之外,，還可自動(dòng)識別、限制大功率電器,，宿舍無人則切斷供電,，杜絕大功率用電、無人用電的隱患,；可實(shí)時(shí)提示電量不足,，交互性大大增強(qiáng)；利用RS-485通訊模塊可便捷接入現(xiàn)有用電管理系統(tǒng),，作為現(xiàn)有用電管理系統(tǒng)的終端,。功能上的獨(dú)立及單獨(dú)安裝也使得施工時(shí)只需簡單的總線型供電線路即可，無需按照現(xiàn)有系統(tǒng)的星型供電線路施工,，布線成本降低75％以上,，施工難度也大大降低。

　　1 智能電表硬件結(jié)構(gòu)

　　圖1即智能電表基本結(jié)構(gòu)框圖,。本電表由主控模塊,、熱釋電紅外人體探測模塊,、計(jì)量模塊,、周邊控制模塊" title="控制模塊">控制模塊以及RS-485通信模塊構(gòu)成,。硬件上采用模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)實(shí)際需要加入其他模塊擴(kuò)展功能,。模塊化設(shè)計(jì)使得各模塊可獨(dú)立運(yùn)行,，同時(shí)也可降低主控CPU負(fù)荷，只需進(jìn)行簡單響應(yīng)各模塊信號,，無需復(fù)雜運(yùn)算處理,，簡化程序運(yùn)行，降低出錯(cuò)率,。

　　1．1 主控模塊

　　為徹底改變現(xiàn)有系統(tǒng)終端功能完全依賴中繼實(shí)現(xiàn)的弊病,，提高終端的獨(dú)立工作與智能監(jiān)控能力，將單片機(jī)作為終端的主控核心,，脫離對中繼功能上的依賴,，獨(dú)立對多路信號采集與判斷，響應(yīng)各種信號并執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作,。主控模塊包括微處理器及周邊電路,，微處理器采用STC12C5 204AD單片機(jī)，其內(nèi)置EEPROM,、硬件看門狗以及掉電檢測電路,，豐富的內(nèi)置功能模塊可大大簡化周邊電路設(shè)計(jì)，同時(shí)也提高了系統(tǒng)本身的抗干擾能力,。該主控模塊功能如下：

　　(1)通過外部中斷INT0引腳采集電量模塊送來的計(jì)數(shù)脈沖,，計(jì)數(shù)并存儲(chǔ)。

　　(2)監(jiān)控P1．2引腳電源電壓,，掉電時(shí)將用電數(shù)據(jù)存入內(nèi)部EEPROM,。

　　(3)利用串口實(shí)現(xiàn)與集中器或上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送、指令執(zhí)行,。

　　(4)根據(jù)電量計(jì)算結(jié)果和紅外檢測狀態(tài)啟動(dòng)周邊控制模塊,，提示電量不足或切斷供電，杜絕無人情況下電器運(yùn)行,，確保用電安全,。

　　原理圖如圖2所示。

　　1．2 ADE7755計(jì)量模塊

　　電能計(jì)量部分采用專用計(jì)量芯片ADE7755,，采用330μΩ錳銅分流器作為電流采樣元件,，將采樣得到的電壓輸入V1P、V1N,，另通過電阻網(wǎng)絡(luò)將電壓采樣送至V2P,、V2N,，經(jīng)內(nèi)部轉(zhuǎn)換、相乘后得到有功功率瞬時(shí)值,，從引腳CF以較高頻率輸出至主控CPU引腳INT0產(chǎn)生中斷,，實(shí)現(xiàn)脈沖計(jì)數(shù)。主控模塊累計(jì)脈沖個(gè)數(shù),，計(jì)滿設(shè)定數(shù)值后清零,，并將電能數(shù)值減1，存入內(nèi)部EEPROM保存用電數(shù)據(jù),。本模塊設(shè)定SCF=0,，S1=1，S0=0,，G1=G0=1,，增益G為16，由公式　　

　　已知8．06為常數(shù),，V1,、G、Vref以及F1-4值給定,，只需調(diào)整分壓電阻即可調(diào)整V2值,。本模塊調(diào)整V2后設(shè)定脈沖常數(shù)為1 600，即計(jì)滿1 600個(gè)脈沖為1 kW·h電量,?？梢栽O(shè)定更高的脈沖常數(shù)值進(jìn)行計(jì)數(shù)，只需靈活改變相關(guān)參數(shù)即可,。

　　1．3 熱釋電紅外人體探測模塊

　　為填補(bǔ)現(xiàn)有終端對安全監(jiān)控功能的空缺,，尤其是無人情況下用電的監(jiān)控，采取簡單實(shí)用的紅外探測" title="紅外探測">紅外探測技術(shù),，實(shí)現(xiàn)對宿舍有無人員活動(dòng)的監(jiān)控,，無人情況下自動(dòng)切斷電源，杜絕無人用電,，有人情況下即恢復(fù)正常供電,。本模塊采用熱釋電紅外傳感器RE200B；信號處理電路采用高性能的處理集成電路BISS0001,，其原理電路設(shè)計(jì)如圖3所示,。

　　傳感器RE200B獲取信號送入1IN+，利用BISS0001內(nèi)部的運(yùn)算放大器OP1作為熱釋電紅外傳感器的前置放大,，放大后經(jīng)C4耦合至2IN-,，進(jìn)行第二級放大。由BISS0001內(nèi)部的電壓比較器構(gòu)成的雙向鑒幅器處理后,，檢出有效觸發(fā)信號啟動(dòng)延遲時(shí)間定時(shí)器,。同時(shí)A與VC置1,，設(shè)定為可重復(fù)觸發(fā)工作狀態(tài)，確保室內(nèi)有人的情況下持續(xù)輸出高電平,，避免不可重復(fù)觸發(fā)狀態(tài)下的短時(shí)間低電平誤判,。其中可變電阻Time為輸出延遲時(shí)間Td的調(diào)節(jié)元件，可變電阻Sensitive為靈敏度調(diào)節(jié)元件,，在具體設(shè)計(jì)中可以根據(jù)式(4)調(diào)節(jié)Td,。　　

　　1．4 周邊控制模塊

　　該模塊實(shí)現(xiàn)供電控制與剩余電量提示,，包括繼電器驅(qū)動(dòng)電路、LED電路,。LED由單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng),，在此不再贅述。繼電器驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示,。

　　繼電器采用單線圈磁保持繼電器,，改變觸點(diǎn)狀態(tài)只需在A、B兩端加上30 ms左右的反向脈沖即可,，不需要持續(xù)供電維持閉合,、斷開狀態(tài)，滿足系統(tǒng)低功耗的要求,。單片機(jī)控制繼電器只需改變P1.7,、P1.6引腳狀態(tài)即可，并禁止P1.7,、P1.6同為1,，避免所有三極管同時(shí)導(dǎo)通造成電源短路故障。

　　2 智能電表軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)包含用電監(jiān)控,、紅外探測,、掉電檢測以及串口通信，同樣采用模塊化設(shè)計(jì),。本部分主要介紹用電監(jiān)控,、紅外探測及掉電處理，串口通信限于篇幅則不再詳述,。系統(tǒng)軟件框圖如圖5所示,。

　　初始化包括單片機(jī)初始化和周邊模塊的初始化。系統(tǒng)加電后,，單片機(jī)對各I／O口重置為預(yù)定模式,，看門狗初始化、串口中斷初始化,、定時(shí)器初始化,、掉電檢測初始化等,。周邊模塊即電能采集、紅外探測以及控制模塊的初始化啟動(dòng),。

　　2．1 用電監(jiān)控

　　該部分為智能電表主要功能設(shè)計(jì)單元,，包括電量處理、功率檢測及數(shù)據(jù)存儲(chǔ),。

　　程序初始化進(jìn)入電量處理,，首先讀取內(nèi)部EEPROM中計(jì)數(shù)值count，做為此次計(jì)數(shù)的初始值Tcount,。開啟中斷后即對INT0送入的每個(gè)電能脈沖下降沿響應(yīng)中斷,，并累加Tcount,，等待下一次下降沿產(chǎn)生新中斷實(shí)現(xiàn)循環(huán)計(jì)數(shù),。Tcount累加至1 600后W減1并重新賦值給W，爾后清零Tcou-nt,，重新開始計(jì)數(shù),。當(dāng)W≤1時(shí)將啟動(dòng)LED提示程序,，預(yù)警電量。

　　功率檢測通過軟件方法實(shí)現(xiàn),。利用定時(shí)器,，開啟周期為5 s的定時(shí)，對此周期內(nèi)電量脈沖數(shù)進(jìn)行累加統(tǒng)計(jì),，與設(shè)定值p進(jìn)行比較,，若>p則認(rèn)為大功率用電，立即切斷供電,，延時(shí)一段時(shí)間后恢復(fù)供電,，并標(biāo)記違規(guī)用電次數(shù)Tcount，存于內(nèi)部EEPROM中以備上位機(jī)數(shù)據(jù)錄入,。

　　為確保數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全可靠,，軟件設(shè)計(jì)中采用兩種方法：一是電量值W每次完成減1即存入單片機(jī)內(nèi)部EEPROM，然后向上位機(jī)更新電量數(shù)據(jù),，及時(shí)轉(zhuǎn)存,、更新數(shù)據(jù)；二是數(shù)據(jù)分存時(shí)的對比,，存入數(shù)據(jù)時(shí),，單片機(jī)與上位機(jī)各自對W值進(jìn)行比對，只有更新后的W值小于原數(shù)據(jù)W時(shí)方為有效數(shù)據(jù),，確保數(shù)據(jù)存儲(chǔ)準(zhǔn)確無誤,。

　　2．2 紅外探測

　　此部分軟件設(shè)計(jì)只需檢測P1．5引腳是否為有高電平輸入即可實(shí)現(xiàn)簡單邏輯判斷。硬件上紅外探測模塊本身有輸出延時(shí)Td,，結(jié)合軟件上的冗余驗(yàn)證,，確保判斷正確無誤,。實(shí)際使用中還可以通過增加探測模塊，經(jīng)二極管線與后實(shí)現(xiàn)多個(gè)信號源輸入,，提高探測范圍和準(zhǔn)度,。

　　2．3 掉電處理

　　基于STC內(nèi)置的低電平檢測功能，結(jié)合中斷應(yīng)用,，當(dāng)檢測到P1.2腳電壓低于設(shè)定值4 V時(shí)產(chǎn)生中斷,，單片機(jī)將Tcount值以及電量值W存入內(nèi)部EEPROM，作為下次計(jì)數(shù)啟動(dòng)初始值,。其程序流程與電量計(jì)量模塊相同,，只是中斷優(yōu)先級略低，故此處略去不再細(xì)述,。

　　3 結(jié)束語

　　本智能電表的特點(diǎn)：一是用簡單,、實(shí)用、成熟的軟硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了宿舍無人條件下的用電監(jiān)控,，杜絕用電隱患，實(shí)時(shí)提示功能簡單實(shí)用,；二是與現(xiàn)有公寓用電管理終端相比,，本電表可脫離集中器與上位機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，功能上不再依賴中繼模塊,，可單獨(dú)安裝,，不但大大降低了線路成本，還降低了施工難度,，實(shí)測表明本電表可智能化監(jiān)控用電安全,。