摘要：安全用电一直是供电部门和用电管理必须首要考虑的问题，也是一个关系到千家万户生命财产安全的重大问题。为确保线路安全运行，有必要对用电负荷的电压、电流、功率进行监测和控制，确保用电安全。本文设计的安全用电负荷控制器是以单片机AT89C51RB2为主控芯片，设计模块包括电压电流互感器、交流电压电流真有效值芯片采集、零电平电压比较器、与门和单片机的定时器测量电路的功率因数角等模块。本控制器的主要功能是实时监测线路中用电器的各项主要参数，并对过压、过流、功率超限等超载的线路状态给予切除负载并提供声光报警，以便有关部门对线路故障及时处理并恢复供电。
关键词：安全用电；控制器；单片机；真有效
在日常生活中，超负荷使用电器，或发生短路造成空开跳闸，熔断器熔断，严重的造成导线或电缆烧毁引发火灾，给人民群众生命财产造成巨大损失，这已有过多次案例和惨痛的教训。安全用电控制器就是基于安全、智能用电而设计，它可以有效的避免用户负荷过大给造成线路的，避免事故的发生。早期的用电负荷控制器是将检测到的电流信号与设定值进行比较，如果这个检测值超过设定值，则直接断开相应的电路。这对于用户的感性负载可能会造成正常工作状态下负荷由于启动电流超过控制器限制而无法使用。随着计算机技术的发展,现在的用电负荷控制器设计更加智能化,它可以有效的识别负载的类型，避免控制器的误动作。
用电负荷控制起源于国外，国内的研究也取得了很大的进展。2011年第14期《电子世界》上谢彪发表的《一款用电负荷控制器的设计》一文介绍了用89C2051单片机为控制核心，设计了一款有显示和报警功能的单相用电负荷控制器，它可以用在集体宿舍等场合，有效避免用电超负荷。
本课题基于单片机设计了一款用电负荷控制器，该设备具有成本低、操作方便、参数设置灵活的特点，可用于学生宿舍等集体宿舍场合的用电管理。它不仅可以监测线路电压、电流是否符合设定参数，在过负荷时它还可以及时断开电路并发出报警信号，保证线路的运行安全。
随着国家智能电网的建设[1]，用电控制也越来越智能化、信息化，用户的用电信息（负载变化情况、用电量变化情况等）也会逐步上传到供电部门，为供电部门的合理调度提供决策依据。安全用电这不仅可以节约人力、物力，而且会在一定程度上提高供电的可靠性，保证电网的安全运行，避免大面积的拉闸限电对人们的生产和生活带来不利的影响。
安全用电控制器的优点主要有以下几个方面：
1.能实时监测用电线路的数据，随时处理负荷不正常电路；
2.能全天候监测用电线路的情况，在很大程度上提高了用户的用电安全性；
3.监测线路安全用电，既省人力，也省财力。
本课题设计的用电负荷控制器以单片机做为主控芯片，通过检测用电器的工作电流与设定的电流值进行比较，实现用电负荷的控制和处理。如果检测到的电流值超过设定的电流值，则发出声光报警信号，并延时一段时间后驱动继电器断开电路，以保证线路安全。该控制器可以实时显示线路的电压、电流、有功功率等和继电器工作状态等信息，并具有超限报警和自动断电功能。
主要技术指标：检测线路电流≤AC16A,精度1％；检测线路电压≤AC300V，精度1％；延时断电时间0～60秒。设定的参数掉电不丢失。
系统整体框图如下：
图1-1 系统整体框图
系统具体硬件电路有：由电压、电流互感器、交流变直流模块、16位A/D转换模块组成的电压和电流的采集模块，由互感器、正弦波变方波电路和单片机的T2定时器组成的电压与电流的相位差采集模块，用4个按键和与门实现的电压、电流、功率的限值设定及继电器的断电延时时间的设定模块，用EEPROM芯片24C02C实现的电压、电流、功率的上限值和继电器的断电延时时间的存储模块，显示所测和所设定的电压、电流、功率值及延时时间和继电器状态的12864液晶显示模块，以及电压、电流、功率的超限报警和保护电路。
用电线路中的电压和电流属于高电压、大电流，先用电压互感器和电流互感器把这些高电压和大电流转换为测试回路易于接受的低电压和小电流。一方面，系统使用真有效值芯片AD736把幅值较小的正弦波信号变成它的真有效值直流信号，单片机通过A/D采集真有效值芯片输出的电压和电流，并显示在12864液晶屏幕上。另一方面，用过零比较器把互感器输出的两路幅值较小的正弦波（方便起见，电流通过一个阻值较小的电阻转换成电压来测量）整成方波，再把这两路电压通过一个与门74LS08接到单片机的一个I/O口，在单片机T2定时器的定时时间内测定这个I/O口输入的方波的高电平的时间和周期，时间与波形的对应关系如下图1-2，然后单片机通过软件利用公式（1-1）来计算电压与电流相位差。当相位差等于0时，说明电压与电流同相位，负载是纯阻性的；当相位差小于 /2时，负载是感性或容性的。由于日常生活中使用的电器多是感性负载，所以设计中不讨论容性负载。
参考文献
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作者简介：赵建平（1964.05-），男，江苏宜兴人，本科学历，工程师，银川能源学院教师，研究方向:无线电技术。
论文作者:赵建平
论文发表刊物:《知识-力量》2019年9月31期
论文发表时间:2019/7/16
标签：电流论文; 电压论文; 控制器论文; 单片机论文; 线路论文; 电路论文; 负载论文; 《知识-力量》2019年9月31期论文;