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作者：兰州商学院 张文君 郭俊文 王毓行

指导教师：彭会萍 曹晓军

　　作品简介

　　一、开发背景

　　传统的电源插座无法实时监测用电设备的电流、电压值，因此常常当电源跳电后才发现用电设备吃电过重，或者在电源不正常时不能保证重要的用电设备正常工作。因此，我们设计的“远程智能供电管理装置”整合了电流、电压、工作环境温湿度实时监测，一组干接点输入(DI)及二组干接点输出(DO)、可远程控制等功能，让MIS人员能在第一时间得知设备的使用状况，并在远端通过网络处理相关问题，解决用电问题，减少企业损失，同时也节省MIS人员时间。本产品可用于机房机柜设备监控及管理、机关单位计算机中心、网络设备电源监控、其他重要用电设备监控。

　　二、结构说明

　　“远程智能供电管理装置”由上位机和智能插座组成。其中上位机可以有两种方式：一种是PC机，另一种是ARM，并在ARM中内置网站，通过浏览器远程控制。智能插座由六个模块组成：以STC单片机为核心的中央控制模块、用电流电压、温湿度传感器采集数据的数据采集模块、LCD显示模块、继电器控制各路的通断的开关模块、通过串口通信发送和接受数据的通信模块，以及给该系统供电的电源模块。

　　三、功能和使用说明

　　①实时显示各支路的电压、电流值、装置内部温湿度;

　　②可将实时电压值、各个支路电流值、各路通电状态、装置内部温湿度的值送到上位机;

　　③可通过将PC机作为上位机直接管理或通过浏览器远程管理该智能供电装置。如重新设置的电压上限、每路电流上限、总电流上限、温湿度上限，各路开启时间延时，以及各路通电的优先级;

　　④自动关闭电流超出设定值的支路，并提示用户检查用电设备是否正常;

　　⑤在总电流过大的情况下，按照设定的优先级关闭部分用电设备，以保证优先级高的设备正常工作;

　　⑥在温湿度或电压失常时，自动关闭开关，并提示用户检查外部电路。

　　四、作品特色

　　① 实时监测用电设备的电流、电压、环境温湿度等信息;

　　② 本系统可以通过PC机直接控制，也可以在ARM中内置网站，支持Http/Https通过浏览器远程开关、实时监测并设置用电参数，代替人员亲临现场;

　　③ 其中智能插座是一款7路强电管理器，每路可独立承担3A负载，总电流21A;

　　④ 电源不正常时确保重要用电设备正常工作，即对用电设备设定了优先级;

　　⑤ 过载时自动切断电源;

　　平台选型说明

　　一、中央控制模块

　　采用宏晶公司最新STC15系列IAP15F2K61S2 芯片。STC15F2K60S2单片机是STC生产的单时钟，机器周期为1T的单片机，是高速、高可靠、低功耗、超强抗干扰的新一代单片机，采用第八代加密技术，加密性超强，指令代码完全兼容传统的8051，但相同频率下，速度快约8-12倍。而且，STC15F2K60S2内部集成高精度R/C时钟，温飘约1%左右，5MHz~35MHz宽范围可设置，可彻底省掉外部昂贵的晶振，内部集成高可复位电路，8级可选复位门槛电压，即可完全省掉外部复位电路。3路CCP/PWM/PCA,8路高速10位A/D转换，每秒30万次，内置2K字节大容量SRAM，两组高速异步串行通信端口UART1、UART2，可在5组管脚之间切换，分时复用可作5组串口使用，1组高速同步串行端口SPI，针对多串行口通信、电机控制、强干扰场合。

　　二、数据采集模块

　　1、电压传感器

　　该模块适用于单相工频交流电压测量，模块具有较高准确度。该模块稳定性高功耗小，采用了厚盎司覆铜的优质PCB板为电路基板，保证了电路的稳定和电器性能的安全。可测的交流上限电压为250V，单片机AD口最大能测定5VDC，那么我把0-250V量化为0-5V，这个比例是50:1。模块输出是直接接到继电器一类的设备上就可以直接使用，无需做处理。但是要想接到单片机或者ADC数字系统中最好加一级滤波防止工频干扰。这样出来的信号非常稳定，极大避免了工频干扰。

　　2、电流传感器

　　ACS712 电流传感器。该器件具有精确的低偏置线性霍尔传感器电路，且其铜制的电流路径靠近晶片的表面。通过该铜制电流路径施加的电流能够生成可被集成霍尔 IC 感应并转化为成比例电压的磁场。通过将磁性信号靠近霍尔传感器，实现器件精确度优化。精确的成比例电压由稳定斩波型低偏置 BiCMOS 霍尔 IC 提供，该 IC 出厂时已进行精确度编程。当通过用作电流感测通路的主要铜制电流路径的电流不断上升时，器件的输出具有正斜率 (>VIOUT(Q))。该传导通路的内电阻通常是 mΩ，具有较低的功率损耗。

　　3、温湿度传感器

　　温湿度传感器SHT11将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上。该芯片包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件。这两个敏感元件分别将湿度和温度转换成电信号，该电信号首先进入微弱信号放大器进行放大;然后进入一个14位的A/D转换器;最后经过二线串行数字接口输出数字信号。SHT11在出厂前，都会在恒湿或恒温环境巾进行校准，校准系数存储在校准寄存器中;在测量过程中，校准系数会自动校准来自传感器的信号。

　　三、显示模块

　　考虑到单片机端口的节约，以及显示的明确性，选择了串行1602LCD模块，以便真实无误的显示电压、电流、温湿度所测得的值。

　　四、开关模块

　　以弱电控制强电，我们选用双路光耦隔离继电器模块，完全可以达到我们的安全需求。

　　五、通信模块

　　通信模块选用RS232标准作为通信的标准，有两种方式与上位机相连。一种是直接连接PC机，一种是将ARM作为上位机，并在ARM中内置网站，用户可以通过浏览器远程控制。

　　设计说明

　　一、系统总体设计

　　“远程智能供电管理装置”由两大部分组成：上位机和智能插座。

　　图1是智能插座，由六个模块组成：以STC单片机为核心的控制模块，用电流电压、温湿度传感器采集数据的数据采集模块，LCD显示的显示模块，用继电器控制各路的通断的开关模块，通过串口通信发送和接受数据的通信模块。

　　图2是整个系统的监控示意图。每个上位机可以控制4个智能插座，每个智能插座可以有7路强电输出。上位机有两种，一种是通过PC机串口直接控制，另一种是以ARM作为上位机，在其中内置网站，并可以通过浏览器远程监控智能插座上用电设备的实时电流、电压，环境的温湿度，远程断电，当电源不正常时，可以根据预先设定的优先级关闭优先级较低的用电设备，以保证优先级高的重要设备的正常工作。

　　二、各个模块的设计

　　1、中央控制模块的设计

　　中央控制芯片选用STC15系列IAP15F2K61S2 。其内置的8路高速10位/D转换可将电压、电流传感器采集到的模拟量转化为数字量。串行通信端口可以和上位机通信。

　　2、数据采集模块的设计

　　(1)电压传感器的驱动设计

　　由于电压传感器输出会受到工频干扰，所以需要加一级滤波电路，这样输出的信号非常稳定，极大避免了工频干扰。电路图如下：

　　由于电压传感器输出是实际电压的1/50,所以只需要测得的电压值×50就可以得到电压的实际值。但是，由于与器件特性，所测电压的有效值为100V—240V。

　　(2)电流传感器的驱动设计

　　ACS712 电流传感器。是一款可检测-20—20A的电流传感器，其感应电流与输出电压的关系图如下：

　　所以其所测电流实际值 = ( 输出电压×10-25 )A。

　　(3)温湿度传感器的驱动设计

　　温湿度传感器SHT11将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上。只需要通过时序，读出其测得的值即可。

　　3、显示模块的设计

　　根据需要显示的参数，我们选择LCD1602液晶作为参数的显示窗口。

　　4、开关模块的设计

　　开关模块是用了两路的光耦隔离继电器，只需要给其高电平或低电平就可以控制其是否闭合。用以控制某些用电设备的开关。

　　5、通信模块的设计

　　通信模块主要是实现单片机和上位机的数据交换，选取RS232建立通信。

　　6、电源模块的设计

　　由于该系统的供电需要一个5V和一个24V的电源。

　　5V稳压电源模块电路图如下：

　　24V稳压电源模块电路图如下：

　　三、程序的设计

　　1、主程序的设计

　　串口通信的程序设计(流程图如下)

　　2、系统主程序流程图如下图所示。

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