学生宿舍用电综合管理系统设计

学生宿舍用电综合管理系统设计内容摘要：

的高校已经采用或即将采用开放用电、超额收费的办法。 这样一来，解决了供电与用电之间的矛盾，同时也减轻了学校支付高额电费的负担，但在 用电安全和用电节约上仍存在着诸多矛盾和隐患，如由于用电的放开又使得电炉子和热得快等大功率用电器大量进入学生宿舍，给高校后勤的安全用电管理增加了难度。 此外，实施用电收费管理，必将带来大量的人工抄表统计收费工作，而传统抄表方式的时效性差、统计工作量大、交费手续极为繁琐、易产生错抄、漏抄和估抄等现象，又造成了管理与实施的矛盾。 因此如何建立一套科学完善的用电管理系统一直是各高校用电主管部门急待解决的问题。 167。 课题的提出及意义 学生集体公寓用电商品化的首要原因和目的是为学生提供一个符合时代发展的学习与生活环境，而今 天公寓服务的商业化方向使它更趋必要。 近年来，随着高校扩招，在校学生人数增长较快，用电量也同期增长，后勤开始进行社会化改革，急需采用高科技手段加强用电管理。 采用用电集中管理具有简洁、可靠、成本低的特点。 将产生较好的经济效益与社会效益。 依测算，该项目实施后，每年可节约 15％的用电经费；采用这套系统。 公寓用电状况可以在一台计算机上反映出来，而且随时备查，节省了人力、物力。 为学生宿舍用电管理提供了科学的管理方法，使管理更严谨，增强人们的科学管理意识；对非正常用电，系统将自动报警，对超额用电实时自动断电，可基本杜绝违 章电器的使用，消除火灾隐患；以往由于学生公寓无偿供电，使很多宿舍的开关失去作用，不熄灯现象严重，不仅造成了很大的浪费，而且对提高学生公寓整体管理水平增加了难度。 采用此系统后，随手关灯将成为学生的自觉意识，较好地杜绝了浪费现象。 由此可见，该系统的开发应用既有效地提高了经济效益，也有效地加强了高校电量、电费、用电安全管理。 该系统投资少，管理方便可靠；另外还具有远程抄表功能、电表显示功能等。 本科毕业设计（论文） 5 而由石家庄师慧科教装备有限公司生产的“用电管理系统”由一台主控计算机和多台控制柜组成，每台控制柜作为一个测控站，通过单片机模 块化控制的方式对多至 48 个用户进行用电的控制管理，形成一个计算机集散测控系统，组成测控网络，对学生宿舍的用电实行遥测控制，既能自动进行用电量的读取、存档、结算，保证数据的准确性，又能对欠费用户进行警告、停电、送电控制，节省了大量人工抄表的时间和费用。 除此之外，有些高校还使用长沙聚英贸易有限公司生产的“ SIMS 智能用电管理系统”等等。 这些用电智能控制与管理系统在结构设计上各有千秋，功能上也稍有不同，但最终都能够较好地解决学生宿舍用电控制与管理上存在的问题，使高校后勤改革上了崭新的台阶。 但有些院校由于资金不足， 对这些产品只能望尘莫及，学生宿舍用电一直处于混乱状态，更谈不上收取电费，学校的经济负担明显加重。 本课题为了解决上述问题，以最低的性价比，吸取上述各高校所使用的用电控制与管理系统的优点，自行研发并设计了学生宿舍用电控制管理系统。 该系统基本能够解决某些院校由于资金短缺而无法引进该套设备的问题，本课题所设计的学生宿舍用电控制与管理系统花费资金少。 能够实时控制和管理学生宿舍各个房间的用电。 与其它厂家生产的学生宿舍用电控制与管理系统相比，适合我校学生宿舍用电特点，较好地解决了我校学生宿舍用电中存在的问题。 另外具有较低 的价格，主要是因为该系统的硬件设计和软件研发都是由我们自己完成的，而其它厂家技术产品大都申请了专利，所以高校在购买的时候要花很多资金。 因此，对那些具有一定科研开发能力的高校，可以借鉴本课题的设计思想，设计结构，研发出适合自己本校的学生宿舍用电控制与管理系统。 因此，本课题对高校普及推广使用学生宿舍用电控制与管理系统具有深远意义。 167。 本课题的工作及创新 本课题为实际应用课题，本文的主要研究工作如下： 1) 硬件设计采用了分功能块的设计模式。 先把各个功能块设计出来再组合到一起，这样有利于调试，而且有利于电路的维修。 2) 选用了新型的 AT89S52 单片机。 本科毕业设计（论文） 6 3) 研制了以 ADE77EE 为核心的高准确度电量采集板，编写了电量采集子程序，并进行了调试。 4) 进行了系统的抗干扰分析与设计。 本科毕业设计（论文） 7 第 2章 系统的基本构成与性能指标 167。 系统组成框图 该系统主要由电量采样板 (ADE7755)、单片机控制板，用电量显示板、微机数据库管理控制等组成。 图 21 所示为一个控制柜内部结构。 本设计中一个控制柜内含有 8 个单片机子系统，各子系统与微机间采用 485 网络连接。 各子系统采用母板结构，分别由母板电路、单片机控制电路、显示电路及 16 个电量采样电路 组成。 其中电量采样电路用于采集某一房间的用电量并将其转换成标准脉冲信号； 显示电路用于巡回显示 16 个房间的用电信息；各种信号与数据均通过母板进行传输。 整个系统的组成框图如图 21 所示 ]2[。 图 21 系统组成框图 167。 系统的主要功能及性能指标 (1) 准确计量功能。 校验时计量误差范围要求控制在 %左右，高于本科毕业设计（论文） 8 标称的 2%要求。 (2) 负荷检测控制功能。 本系统采用软件控制方式，实现对大功率电器的检测与控制。 (3) 定时开关控制功能。 可根据使用单位的作息时间实现对各房间定时送电、停电，对欠费房间自动停电。 (4) 数据库管理功能。 管理员可实时查阅各房间的用电情况，并进行用电统计与打印报表等。 本科毕业设计（论文） 9 第 3章 系统的硬件设计 167。 电能计量原理与电路设计 本系统的主要功能是分时供电和对用电量进行计量，由采样电路板完成电能信号的采样，并将其转换成脉冲信号输出给单片机数据采集处理系统，其核心芯片是 ADE7755。 本节在分析电能计量原理的基础上，确定了电路参数并对采样电路进行的设计。 167。 电能计量芯片 ADE7755 在该系统中，用一个具有脉冲输出的电能计量芯 ADE7755 循环采集 16个房间的用电量，并把 采集的电脉冲输出经光电耦合器 PS2501 送单片机进行处理。 ADE7755 是一种高准确度电能集成电路，其技术指标超过了 IEC1036的准确度， ADE7755 只在 ADC 和基准源中使用模拟电路，所有其他信号处理（如相乘和滤波）都使用数字电路，这使 ADE7755 在恶劣的环境条件下仍能保持极高的准确度和长期稳定性。 ADE7755 引脚 F1 和 F2 以较低频率形式输出有功功率平均值，能直接驱动机电式计度器或微控制器（ MUC）接口。 引脚 CF 以较高频率形式输出有功功率瞬时值，用于校验或与 MCU接口。 高准确度，支持 50Hz／ 60Hz IEC 687/1036 标准的准确度要求，在 500:1的动态范围内误差小于 %，有功功率平均值从 ADE7755 引脚 F1 和 F2 以频率方式输出，有功功率瞬时值从引脚 CF 以较高频率方式输出，能用于仪表校验。 在环境和时间变化很大的条件下，采用专用模数转换器（ ADC）和数字信号处理器（ DSP）仍保证高准确度。 片内设有电源监控电路，带有防潜动功能，基准电压 177。 8%（温度系数典型值 30ppm/oC），能为外部电路提供基准＋ 5V 单电源、低功耗（典型值 15Mw）。 167。 ADE77755 有功电量测量原理 负载上 的瞬时功率 p(t)等于负载两端的瞬时电压 v(t)与流过负载的瞬时电流 i(t)的乘积，即 p(t)＝ v(t) i(t)，当 v(t)、 i(t)随时间周期本科毕业设计（论文） 10 变化时， p(t)也是随时间周期变化的。    tVsin2t v ，      tIti sin2时，那么负载上消耗的瞬时功率 ]4[ 为        ttVItp s ins in2 （ 31） tp — 瞬时功率 V— 交流电压有效值 I— 电流有效值 φ — 电压、电流相位差 从上式可以看出，瞬时功率包含直流分量 VIcos(φ )和交流分量 VI(2ω t+φ )两部分。 在绝大多数场合关心的是负载上消耗的有功功率，有功功率 P定义为瞬时功率 p(t)在一个周期内的平均值，即      c os2c osc os1 VIdttVIdtVITP    （ 32） 为了得到有功功率分量（即直流分量），只要对瞬时功率信号进行低通滤波就行了。 图 31 ADE7755 内部结构 图 31 给出了瞬时有功功率信号如何通过对瞬时功率信号进行低通滤波来获取有功功率，这个设计方案也能正确计算非正弦电流和电压波形在不同功率因数情况下的有功功率。 所有信号处理都是由数字电路完成的，因此具有优良的温度和时间稳定性。 ADE7755 的低频输出是通过对上述有功功率信息的累计产生，即在两个 输出脉冲之间经过长时间的累加，因此输出频率正比于平均有功功率。 由于相乘后的 LPF 不是理想的滤波器，本科毕业设计（论文） 11 因此 LPF 输出的瞬时有功功率信号还包含了相当大的瞬时功率信息，即cos(2ω t)。 这个信号通过数字 — 频率转换器，随时间被积分（累加），进而产生输出频率。 如果 CF 以较高的频率输出，是因为在对瞬时有功功率进行累加完成频率转换过程中，采用较短的累加时间，这就意味着减弱了对cos(2ω t)成分的平均作用，于是部分瞬时功率信号成分通过了频率转换器。 在宿舍控电系统中， ADE7755 的输出端 CF 经光电耦合器 PS2501 连接到单片机 AT89S52 的 引脚，如图 32 所示。 图 32 ADE7755 与 单片机连接电路 频率输出 CF 端连接到了单片机的端口，单片机在内部定时器设定的积分时间内对 CF输出的脉冲计数，平均功率正比于平均频率，由下式确定： 平均功率＝平均频率＝脉冲个数／积分时间 在一个积分周期内消耗的电能为： 电能＝平均功率积分时间 ＝（脉冲个数／积分时间）积分时间＝脉冲个数 CF 频率常数的选择是根据逻辑输入 SCF 确定的，有两种选择方式，一种是 32 F1（ SCF=1），一种是 16 F1（ SCF＝ 0）。 本系统中 SCF＝ 0，所以选择 1600imp/KWh。 由于功率脉冲的周期较长，所以可在软件中用判断功率脉冲的上升沿和 下 降 沿 的 方 法 来 确 认 是 否 接 收 到 一 个 脉 冲。 脉 冲 常 数 取 为1600imp/KWh，相应用户脉冲计数单元到 160 个脉冲时，相应用户的电量存储区内容加上 度。 但当电路负荷较大时，功率脉冲较快，这就需要加快 CPU 的采样速度或降低电脉冲常数以保证不会“漏”掉脉冲。 本科毕业设计（论文） 12 167。 采样板的设计 采样板电路为电能计量的关键电路。 该电路以 ADE7755 为核心实现对公寓各房间用电的计量，并将电能转换成标准脉冲信号送到单片机处理电路。 图 33 为采样板电路图．采样板电路通过采样电阻 (锰铜合金制成 )获取的电流采样信号由芯片 6 脚输入，经过可变电阻网络的衰减后的电压采样信号由芯片 8 脚输入，两路信号在芯片内部实现电能计量累加运算，并在内部实现 A 仍转换，以脉冲方式由 2 24 脚输出供给机械计度器，由 22 脚输出经光耦隔离后经母板插座通过选通的三态门输入到单 片机的 P3． 4 脚进行数据采集与处理。 本系统工作参数设定在 1600imp／ KWh。 图 中 Rx 为精度调节电位器，通过调节电压信号达到电表精度调节。 电感L0、 L L2 等用于抑制电网干扰。 系统采用模拟地 与数字地分离接地方式，通过电感 L0 实现直流共地并阻隔交流干扰 ]6][5[。 图 33 采样板电路图 以 BH3023 为控制芯片的开关控制电路实现对各房间的自动开关控制，其核心器件是磁保持继电器及其驱动电路芯片 BH3023。 磁保持继电器区别于普通继电器的特点在于继电器一经触发即可保持开启与关断关态，触发信号撤消后继电器状态不变，因而无需保持触发信号．驱动芯片 BH3023较采用分立晶体管驱动电路具有线路简洁、可靠的优点，因而在电能计量系统中被广泛采用。 来自单片机 、 的开、关控制信号经光电隔离本科毕业设计（论文） 13 送至 BH3023 的输入端 B、 A，经输出端 QA、 OB 控制继电器的通、断，从而实现对房间电源的开、关控制。 电阻 R2 R30 即是光耦电路的输出电阻，也是驱动电路 BH3023 的输入电阻。 图 34 开关控制电路 167。 单片机板的设计 167。 单片机的选择 采用单片机对反映电能的脉冲进行采样和数据处理，使电量的计算更加精确。 因此单片机技术促进了电测领域向智能化方向发展。 目前， CPU的发展应用趋于多样化，主要可分为 8 位机和 16位机两种， 8 位单片机的应用占主流，根据本系统的特点及功能要求，选用了 一种低功耗、低价格、高性能的 CMOS8 位微处理器－ AT89S52[7][8] ，该 CPU 典型的特征是： 1) 与 MCS51单片机产品兼容。 2) 8KB 可通过 SPI 接口下载的闪存。 3) 内。