基于单片机的智能断电保护装置的设计

袁训庚 王天伟 刘传熙 盖新春 杨新军 王玉芳

摘要：随着社会的发展和进步，电力和电器给人们的生产生活都带来了极大的方便，但因为人们用电不当而引发的安全事故也越来越多，浪费电或使电路长期过负荷运行的现象也越来越多。为了更好的解决上述现象，设计一种基于STC89C52单片机的智能断电保护装置，该装置以单片机为控制核心，以相关电子电路及传感器为辅，利用人体红外传感器检测有无人在，并利用相关传感器检测电器是否工作，当办公室 、教室、学生寝室内无人，且电器尚未断电时，会自动切断电源，起到节能和断电保护的作用。

关键词：智能；断电保护；STC89C52单片机；红外传感器；电流检测

0 引言

电能给人们的生产生活都带来了极大的方便，但因为人们用电不当而引发的安全事故也越来越多，在我们大学的宿舍中就常常出现人走灯不灭，插排不拔，空调电扇不关，乱扯电线，随意使用大功率电器等现象，每年仅大学宿舍因用电不当所产生的安全事故就已不在少数，为了节约用电，也为了尽可能地减少这类事故的发生，所以设计制作一个可以便捷使用的智能断电保护装置将会有效的解决这些问题。

1 智能断电装置的发展现状

目前国内外的自动断电装置主要是应用于某一种用电器的智能开关，或者是应用于某电路过载后的自动断电或定时断电等。既可以检测有无用电人员又可以智能断电的装置却很少见，所以，当前对电路进行智能通断在国内的研究还有一些空缺，而且可以投入到我们日常生活中使用的产品也是少之又少。我们的智能断电保护装置将红外人体感应模块和电路检测系统相结合既可以智能化的对一整个电路进行通断，又可以对电路进行检测保护，而且将这些系统整合起来使用使其更加便捷，在很大程度上弥补该研究方向的一些不足。

2 硬件组成

2.1硬件设计方案

本装置由单片机为中央处理器、红外人体感应模块、电路检测模块、自动通断控制模块组成。

本装置首先利用红外感应器对房间进行扫描检测，当检测到房间内没有人时，红外感应器将信号送至单片机，单片机接受该信号并控制检测模块运作，对电路电流进行检测，若一段时间内电路负载电流与设置的标准电流相差较大，则判定此时寝室内无人且有电器在工作，此时检测模块将信号发送至单片机，单片机启动自动断电装置，从而实现在寝室内无人的情况下进行断电。

其结构简图如图2-1所示：

图2-1智能断电保护装置硬件组成框图

2.2各模块设计

2.2.1单片机

此装置我们选择了STC89C52作为控制芯片，STC89C52具有以下特点：具有功能强大的位操作指令，I/O口均可按位寻址，8k Bytes Flash片内程序存储器，256bytes的随机存取数据储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，片内时钟振荡器。对于本装置的使用完全足够，而且51单片机的价格非常低廉。除此之外STC89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

STC89C52单片机管脚分布如图2-2所示：

图2-2 STC89C52单片机管脚图

2.2.2人体检测单元

本装置的红外人体检测模块采用的是HC-SR501人体感应模块，此模块是基于红外线技术的自动控制模块，采用德国原装进口LHI778 探头设计，灵敏度高，可靠性强，超低电压工作模式，测量范围在3-5米之间可调，感应延时时间在0.5s-300s之间可调，人进入其感应范围内，输出高电平；人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。可调节光敏控制，在温度升高时也有一定的温度补偿，使用起来可适应大部分室内场所。

H
C-SR501红外人体感应模块原理图如图2-3所示：

图2-3 HC-SR501人体感应模块原理图

2.2.3电流检测单元

本
装置的电流检测模块采用的是AC检测传感器，通过一个交流互感器与本单元相连接达到检测交流电流的作用，本模块主要由一个桥式整流滤波电路和运算放大器组成，结构原理图如图2-4所示：

图2-4 AC电流检测模块原理图

电流检测模块最大可接220V/10A的负载，响应时间小于50毫秒，具有过流模拟信号输出、点评信号输出两种方式，采样电流转换模拟信号输出，可接 ADC，TTL 电平信号输出，可接单片机 IO 口控制，操作方便而且性能稳定。

2.2.4模数转换模块

方案1：采用ADC0832芯片，ADC0832为8位分辨率 A/D 转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在 0~5V 之间。芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。

方案2：采用ADC0809芯片，可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。地址锁存与译码电路完成对A、B、C3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连。

两模块的差别在于ADC0832芯片为串行通信芯片，ADC0809为并行通信芯片，前者电路连接简单，但编程比较繁复，后者电路连接比较复杂，但编程较为简洁。两者各有利弊但都可以实现所需功能。所以两方案皆可选用。

ADDC0832和ADC0809芯片顶视图如图2-5所示：

图2-5 ADC0832及ADC0809芯片顶视图

2.2.5报警模块

报警模块我们采用无源蜂鸣器，因为无源蜂鸣器不可以像有源蜂鸣器一样直接通过高低电平来进行控制，需要通过接一个放大电路来对蜂鸣器进行控制，ULN2003芯片是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN 达林顿管组成，且每对达林顿都接有一个2.7K的串联电阻，则在使用时我们可以使用芯片中的一组管脚来实现对蜂鸣器的驱动。

蜂鸣器结构图及ULN2003D芯片如图2-6所示：

图2-6 蜂鸣器及ULN2003芯片

3 软件设计

首先由红外人体感应传感器作为整个装置的“开关”，根据适用场合不同决定由一个或多个红外人体传感器作用，并根据红外人体传感器检测的结果为判定装置运行方式的条件，红外传感器将感应到的人体释放的红外线转换成微弱的电信号, 送至传感信号处理集成电路，然后信号传送给单片机，单片机接收信号判断装置接下来是需要的工作方式，以此来达到室内无人断电的功能。

3.1软件工作流程

本装置以51单片机为核心处理器，接受各模块的反馈，控制各模块的工作。通过各个传感器和各个模块对所需信息进行收集，把信息交给单片机处理，再由单片机根据所接收到的信息和参数判断接下来的工作方式。首先，系统进行初始化，红外热释电传感器工作，检测室内是否有人，电流检测装置启动，当红外热释电传感器反馈为室内无人时，电流检测的数据反馈回单片机，与“无人时标准值”进行对比，判定此时应当切断电路电源，还是此时需要待机。当红外热释电传感器反馈为室内有人时，电流检测的数据反馈给单片机，与“预设电路额定负载值接近值”进行对比，判定此时是否有超载危险，如有超载危险则蜂鸣器接收信号报警，一小段时间后切断电路电源，若无超载危险则装置待机。

软件流程图如图3-1所示：

图3-1 智能断电保护装置软件流程图

3.2软件程序的编写

程序的编写我们使用的是ARM公司发布的Keil μVision4，Keil μVision4软件简单易操作，在使用C语言或汇编语言对单片机进行编程时都有着非常优越的性能。系统的总体结构，主程序采用死循环结构，在其中调用了子程序，延时子程序，A/D转换子程序。首先，对单片机内部部件和扩展模块进行初始工作状态设定，还有对初值的设定，单片机片选A/D转换器，然后发出信号启动A/D转换。如果有，则立即启动信号采集，对A/D转换器的数据输出口送来的数值进行存储，数据处理完之后，在主程序内对预设初值进行对比，根据条件的不同判断当前状态是否需要断电。

4调试

4.1调试方案

首先将所要检测的电路通过互感器与本装置相连接，用继电器模块串入电路系统中，当无负载时记录此时该电路电流值，将此值设为标准值，在接入负载后，实验人员逐步把负载加到接近预设额定值，装置报警并断电；将负载切断一部分后重新启动设备，实验人员离开装置的检测范围，一定时间后回来电路断电，则装置实际可用。

4.2测试结果

通过测试，该装置实际可用，在检测结果为无人时，有负载则会切断电源；在检测结果为有人时，可以在负载过高时报警并切断电源。

从测试的结果来看该装置可以实现所需功能，各个模块运行较为稳定，能够完成所需要的功能，成本低，达到了预期的目标。

结语：本装置的创新点是成本低、简便、易操作，既可有效节约电能，延长电器设备和电路的寿命，又可防止因用电不当而引发一些安全事故。它可以用于大多数的办公场地、教室以及学生寝室等等，安装调试方便。通过一些测试，只要传感器安装的位置合适，在正常条件下，装置能可靠地工作，达到断电保护的目的。

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