智能限電和防火控制器設(shè)計(jì)方案

在學(xué)校學(xué)生宿舍用電管理一直是一個(gè)難題，特別是磚木結(jié)構(gòu)的學(xué)生宿舍，各種違章大功率電器的使用屢禁不絕。由于違章電器的使用引起火災(zāi)的事故時(shí)有發(fā)生，給國(guó)家的財(cái)產(chǎn)造成了嚴(yán)重的損失，同時(shí)也對(duì)學(xué)生的生命構(gòu)成了一定的威脅，本文所研究的智能限電和防火控制器能很好保障學(xué)生宿舍的用電安全，維護(hù)學(xué)校的安全穩(wěn)定工作。

1 智能限電和防火控制器的設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

智能限電和防火控制器以瑞薩單片機(jī)（M3062P）為控制核心，外圍電路有電源電路、按鍵電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路、時(shí)鐘電路、128×64液晶顯示電路、電流采樣、電壓采樣、漏電采樣、E2PROM電路、光耦輸入、通信RS485接口。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 智能限電和防火控制器硬件結(jié)構(gòu)圖

電流采樣電路用于檢測(cè)電路電流的大小，用于過(guò)載、短路等保護(hù)等；電壓采樣電路用于檢測(cè)電路電壓的高低和頻率測(cè)量；光耦電路將傳感器接口和控制電路接口隔離；漏電采樣可能檢測(cè)線路中是否存在漏電；通信電路可能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程24小時(shí)在線監(jiān)控；E2PROM電路可實(shí)現(xiàn)參數(shù)和故障信息的掉電保存；電源電路為整個(gè)系統(tǒng)提供電源。

1.1.2 電源電路

由于系統(tǒng)的控制核心和外圍電路的工作電壓為5V，繼電器線圈電壓為5V，同時(shí)考慮成本和抗干擾性能，因此采用三端穩(wěn)壓器78L05為系統(tǒng)供電。T1為5W的工頻變壓器。

圖2　電源電路圖

1.1.3 電壓和電流采樣電路

電流采樣用穿線式電流互感器，電壓采樣用經(jīng)過(guò)互感器后用電阻采樣，再通過(guò)放大電路給單片機(jī)采樣計(jì)算有效值，再計(jì)算功率和功率因數(shù)，根據(jù)有功功率可檢測(cè)是否有純阻性負(fù)載接入，實(shí)現(xiàn)智能限電功能。漏電采樣可能檢測(cè)線路中是否存在漏電，如果單片機(jī)（M3062P）檢測(cè)到線路有漏電，當(dāng)漏電電流達(dá)到設(shè)定值，單片機(jī)發(fā)出動(dòng)作信號(hào)驅(qū)動(dòng)繼電器全負(fù)載斷開(kāi)，從而避免由漏電導(dǎo)致的火災(zāi)的發(fā)生。Ia1、Ib1和Ic1是穿線式電流互感器。電壓采樣和電流采樣電路如圖3所示。

圖3 電壓采樣和電流采樣電路圖

1.1.4 LCD顯示電路

LCD顯示采用128×64點(diǎn)陣式液晶，其具有體積小、質(zhì)量輕、超薄和可編程驅(qū)動(dòng)等其他顯示無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，不僅可以顯示數(shù)字、字符，還可以顯示漢字，可實(shí)現(xiàn)屏幕上下左右滾動(dòng)、動(dòng)畫、反轉(zhuǎn)顯示、顯示閃爍多種功能。設(shè)計(jì)采用中文圖形顯示界面，使人機(jī)界面更為友善。

1.1.5 光耦隔離電路

光耦電路將感度傳感器溫、煙霧傳感器、可燃?xì)怏w探測(cè)器和1路DC24V遠(yuǎn)程消防控制信號(hào)輸出接口和CPU的控制端口隔離，提高系統(tǒng)的抗干擾性。

1.1.6 通信接口電路

通信接口電路采用RS485方式，將系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)串行總線發(fā)送到每棟宿舍的主監(jiān)控端，在監(jiān)控端可以實(shí)時(shí)了解各個(gè)宿舍的用電及安全情況。

1.1.7 電源浪涌保護(hù)電路

為了防止線路上的浪涌電壓損壞用電設(shè)備，在電源的進(jìn)線端增加防雷（電源浪涌保護(hù)器）電路，即在各相線和零線分別并聯(lián)一個(gè)壓敏電阻。防浪涌電路如圖4所示。

圖4　三相電和單相電防浪涌電路

1.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

主程序首先初始化主控芯片內(nèi)部寄存器和工作模式，檢查存儲(chǔ)在E2PROM中的各項(xiàng)參數(shù)是否在設(shè)定的范圍內(nèi)，若超出范圍或參數(shù)為空，則用缺省參數(shù)設(shè)置，然后初始化顯示模塊和鍵盤模塊，并顯示缺省界面。在程序的主循環(huán)中，主要實(shí)現(xiàn)電壓電流的采樣、漏電檢測(cè)以及各路傳感器輸入檢測(cè)，根據(jù)測(cè)量的結(jié)果決定是否需要執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作或報(bào)警動(dòng)作。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)主程序流程圖

2 系統(tǒng)的安裝調(diào)試和總結(jié)

在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后我們?cè)谡{(diào)查研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)學(xué)校的作息時(shí)間和允許用電功率進(jìn)行了設(shè)定驗(yàn)證調(diào)試，智能限電，防雷和防火控制器具有智能限電，防雷保護(hù)器和剩余電流防火保護(hù)器的全部功能，結(jié)果顯示本系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行且效果理想。

根據(jù)目前廣西很多學(xué)校的學(xué)生宿舍還存在著與我校同樣的用電安全隱患，本項(xiàng)目的研究及開(kāi)發(fā)應(yīng)用對(duì)維護(hù)學(xué)校安全穩(wěn)定具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義和較高的推廣使用空間和應(yīng)用價(jià)值。