一款用电负荷控制器的设计

【摘要】本文应用2051单片机设计了一款带有显示与报警功能的单相用电负荷控制器，电路软、硬件结合，具体成本低、功能强的特点，对于规范用电、安全用电领域有着广泛的应用。

【关键词】单相；负荷；控制器；设计

随着人们生活水平的不断提高，各种用电器已经成为我们生活中不可或缺的组成部分。但不当使用电器，特别是大功率电器极易引发事故。据权威部门统计，我国每年半数以上的火灾都是不当用电所致。尤其在诸如集体宿舍等一些人员密集的场所，同时也是使用电器较为集中的区域，稍有不慎就会酿成大祸。

现有的用电负荷控制原理是将检测到的电流信号与设定值进行比较，如果检测值超过设定值，则直接驱动机构动作，从而断开电路，但此刻若有电脑等重要设备在工作，就会丢失重要数据甚至会损坏硬件设备。为了弥补这些不足，本人设计了一款基于89C2051单片机的用电负荷控制器，电路将测得信号送单片机处理，并由单片机输出相应控制信号，电路不但可以实现功率的实时显示，而且设有一定时间的报警提醒功能，其间用户可据此做出相应调整，及时切断大功率电器，从而避免断电的发生，若在规定警告时间内仍未切断违章电器，则系统会启动动作机构，切断电源，从而保证了安全。改进后，电路功能更加可靠，经过一段时间的实地使用，效果较好。

一、电路原理

如图1所示，电路主要由信号检测电路、比较控制电路、报警电路、驱动电路、功率显示电路及电源等部分组成。

（一）信号检测电路，如附图4所示，信号检测电路主要由电流互感器L1、整流二极管D5、D6、电容C3及电位器RP1所组成。用户电流经互感器L1，输出相应的感应电压，感应电压与用户电流呈一定的比例关系。经二极管D5、D6整流及电容C3滤波后，通过电位器RP1的调节，即可输出一定幅值的感应电压信号。

（二）比较控制电路，如附图4所示，比较控制电路主要以单片机IC2 89C2

051及其附属电路、IC4模拟选择器4051及分压电阻R6~R14所组成。由于89C2051内部即有一个内置比较器，如图2所示，其P1.1为比较器“－”端，P1.0为“+”端，P3.7为输出端；IC4（CD4051）为一模拟选择开关，电路在单片机的控制下，通过依次改变地址端A0~A2的数值，可以分别选择Y0~Y7与其输出端的1脚相连，而由R6~R14构成的分压电路，分别为Y0~Y7提供多个电压值，送至比较器的“－”端作为比较的基准电压值；前级的感应电压值送至比较器“+”端经逐次比较后，即可判断出当前的功率数值。

（三）功率显示电路，如附图4所示，功率显示电路主要由74HC138、发光二极管LED1~LED7、限流电阻R15~R21及单片机所组成；由于89C2051的I/O端口数量有限，故本电路中仅使用了89C2051的P1.5~Ｐ1.7三个I/O口分别送至74HC138 A0~A2地址端，经138译码后输出相应信号，通过点亮LED的个数从而反映出功率的大小。本电路的设计中为了进一步简化程序，输出端并未按Y0~Y7的顺序进行排列，如图3所示设计中将相邻的两组数值仅相差一个值，如Y4（100）与Y6（110）二次在程序只需将A1的值由“0”变为“1”即可，同样“Y6（110）”变为“Y2（010）”也只要改变A2的值；此外在输出方式上，尽管138每次仅能输出一个值，如需多个LED同时点亮可由程序依次扫描输出，比如要点亮4个LED即Y4、Y6、Y2、Y3，则可由程序按顺序从P1.5~Ｐ1.7输出100、110、010、011四组信号，并分别延时一定的时间，由于单片机的执行速度很快，所以基本看不出有闪烁，而只是4个LED同时点亮。

（四）报警电路，报警电路包括单片机89C2051的P3.5口、三极管Q1、电阻R2、R3、发光二极管LED0及蜂鸣器SP；若当前功率经比较超过设定值后，单片机P3.5口将输出一个控制信号，Q1导通，发光二极管LED0和蜂鸣器SP接通，发出声光报警信号，随着时间的延续，若功率仍超过设定值，P3.5口输出的信号频率会逐步变化，声音会越来越急促，提醒用户及时关断违规电器，如若还继续超负荷运行，则会在报警一定时间后断开电源，直至管理员复位后恢复供电。有了报警功能就可以对用户做出善意的提醒，避免突然断电对电脑数据等重要资源的破坏。

（五）驱动电路，驱动电路包括单片机89C2051的P3.7口、三极管Q2、电阻R4、R5所组成；若当前功率经比较超过设定值且报警超过一定时间后，则会由P3.7口输出一个控制信号，三极管Q2导通，驱动执行机构继电器KM1动作，继电器KM1的触点连接的供电线路中，从而切断供电电路，断开电源。

（六）其他，电路电源部分主要由二极管D1~Ｄ4、电容C1、C2及集成电路17805所组成；经整流、滤波及稳压集成电路7805为整个控制器提供5V的工作电压。

二、程序流程

如图5所示，程序初始化后，即在单片机控制下将检测到的电信号依次与各个基准电压进行比较，并将实时的功率值通过LED显示出来，若测得的功率超过了设定值，就启动定时声光报警，且随着时间的延续输出的报警信号频率越来越高，声音也越来越急促，起到较好的警示作用，此时若关断违规电器，电流减小至规定值则报警解除，电路恢复正常，否则到延时时间，若电流仍超过设定值就切断供电。程序会反复对用户参数进行检测、判断，由于单片机运行速度较快，所以执行实时性较好，动作迅速。

三、安装调试

本装置以89C2051单片机为核心，软、硬件相结合，电路简单，按图安装后，可按实际需要，调整电位器RP1，使电路达到设定功率值即报警，其他部分基本无需调整。

设计中充分利用2051内置的比较器，使得整个系统具有较强的控制功能，且性价比较高。可广泛应用于大专院校、企事业单位等各类需进行用电负荷控制的场合，对违规用电有较好的警示与提醒作用。与现有技术相比具有电路简单可靠、动作迅速，智能度高、管理简单的优点，对程序稍作修改就可以实现远程集中控制，是一种理想的低压用电负荷控制装置。经多单位一段时间使用后，反响较好。

参考文献

[1]谢彪.单相低压用电负荷控制器[P].ZL 20102

0022538,2010,11,24.

[2]王月志,赵跃,潘娟.电力负荷控制技术[J].东北电力技术,2003(03).

作者简介：谢彪（1974—），男，江苏扬州人，硕士，无锡科技职业学院尚德光伏学院讲师。