引言

在學校學生宿舍用電管理一直是一個難題，特別是磚木結構的學生宿舍，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的事故時有發(fā)生，給國家的財產造成了嚴重的損失，同時也對學生的生命構成了一定的威脅，本文所研究的智能限電和防火控制器能很好保障學生宿舍的用電安全，維護學校的安全穩(wěn)定工作。

1 智能限電和防火控制器的設計

1.1 系統(tǒng)的硬件設計

智能限電和防火控制器以瑞薩單片機（M3062P）為控制核心，外圍電路有電源電路、按鍵電路、繼電器驅動電路、時鐘電路、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構圖

電流采樣電路用于檢測電路電流的大小，用于過載、短路等保護等；電壓采樣電路用于檢測電路電壓的高低和頻率測量；光耦電路將傳感器接口和控制電路接口隔離；漏電采樣可能檢測線路中是否存在漏電；通信電路可能實現(xiàn)遠程24小時在線監(jiān)控；E2PROM電路可實現(xiàn)參數(shù)和故障信息的掉電保存；電源電路為整個系統(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，電壓采樣用經過互感器后用電阻采樣，再通過放大電路給單片機采樣計算有效值，再計算功率和功率因數(shù)，根據(jù)有功功率可檢測是否有純阻性負載接入，實現(xiàn)智能限電功能。漏電采樣可能檢測線路中是否存在漏電，如果單片機（M3062P）檢測到線路有漏電，當漏電電流達到設定值，單片機發(fā)出動作信號驅動繼電器全負載斷開，從而避免由漏電導致的火災的發(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點陣式液晶，其具有體積小、質量輕、超薄和可編程驅動等其他顯示無法比擬的優(yōu)點，不僅可以顯示數(shù)字、字符，還可以顯示漢字，可實現(xiàn)屏幕上下左右滾動、動畫、反轉顯示、顯示閃爍多種功能。設計采用中文圖形顯示界面，使人機界面更為友善。

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、可燃氣體探測器和1路DC24V遠程消防控制信號輸出接口和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)的測量數(shù)據(jù)通過串行總線發(fā)送到每棟宿舍的主監(jiān)控端，在監(jiān)控端可以實時了解各個宿舍的用電及安全情況。

1.1.7 電源浪涌保護電路

為了防止線路上的浪涌電壓損壞用電設備，在電源的進線端增加防雷（電源浪涌保護器）電路，即在各相線和零線分別并聯(lián)一個壓敏電阻。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)的軟件設計

主程序首先初始化主控芯片內部寄存器和工作模式，檢查存儲在E2PROM中的各項參數(shù)是否在設定的范圍內，若超出范圍或參數(shù)為空，則用缺省參數(shù)設置，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，主要實現(xiàn)電壓電流的采樣、漏電檢測以及各路傳感器輸入檢測，根據(jù)測量的結果決定是否需要執(zhí)行保護動作或報警動作。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)的安裝調試和總結

在整個系統(tǒng)設計完成后我們在調查研究的基礎上，根據(jù)學校的作息時間和允許用電功率進行了設定驗證調試，智能限電，防雷和防火控制器具有智能限電，防雷保護器和剩余電流防火保護器的全部功能，結果顯示本系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行且效果理想。

根據(jù)目前廣西很多學校的學生宿舍還存在著與我校同樣的用電安全隱患，本項目的研究及開發(fā)應用對維護學校安全穩(wěn)定具有顯著的現(xiàn)實意義和較高的推廣使用空間和應用價值。