（通信与信息系统专业论文）公寓用电智能管理系统的研究(1).pdf

哈尔滨工业大学_ t 学硕士学位论文 摘要 随着大专院校后勤社会化改革的不断发展，学生公寓用电管理已逐步采 用付费方式，急需一种新的电能集中计量、管理、控制系统。目前，公寓用 电智能管理系统还处于发展初期，仍存在较多问题。本文在查阅大量国内外 相关文献并认真调研国内同类产品的基础上，设计并开发了一种公寓用电智 能管理系统。 本文首先对电能计量原理进行了深入分析，依系统性能指标要求确定了 系统电路参数，开发设计了系统硬件与软件。在硬件研制中主要设计了电能 采样电路、单片机数据采集处理电路、显示电路、母板电路。在采样电路设 计中，研究了一种新的精度调节方法，利用精密电位器取代传统的短路环设 计方式。各单片机子系统与上位机之间采用4 8 5 接口通信，系统中采用了1 2 c 总线接口的存储器与串行l e d 显示技术。 本文对系统软件主要功能模块的设计进行了详细的阐述，主要介绍了主 程序模块、通信模块、显示模块、计量模块、负荷检测模块等的工作流程及 系统资源分配方案。利用软件方式实现电路负荷检测是本系统设计的一个创 新点。结合实际需要，建立了简化通信协议。采用备用存储数据及软件陷阱 等方法提高系统的安全性与抗干扰能力。 公寓用电管理系统具备电能计量、负荷检测、自动开关控制、数据统 计、报表、打印等多种功能，具有很好的应用前景，市场需求潜力巨大。 关键词电能管理：智能电度表；负荷控制；r s 4 8 5 接口 堕堡堡三些查兰三兰璺圭兰竺丝兰 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ec o n t i n u ed e v e l o p i n go fu n i v e r s i t ya n dc o l l e g er e f o r mi nt h e l o g i s t i c s s e r v i c e d e p e n d i n g o nt h e s o c i a l i z a t i o n ，e l e c t r i c i t ym a n a g e m e n th a s a d o p t e dg i v i n gp a y m e n t b e f o r e u s i n ge l e c t r i c i t y i nt h es t u d e n t b o a r d i n g h o u s e t h e r e f o r eak i n do fn e we l e c t r i c p o w e rs y s t e m f o rc e n t r a l i z e d m e a s u r e m e n t ，m a n a g e m e n ta n dc o n t r o li sn e e d e du r g e n t l y a tp r e s e n t ，t h e i n t e l l i g e n tm a n a g e m e n ts y s t e mf o re l e c t r i cp o w e rm e a s u r ei nt h ea p a r t m e n ti s s t i l li nt h ei n i t i a l d e v e l o p i n gs t a g e i t h a sm a n yp r o b l e m sa l s o t h i s p a p e r e x p o u n d s t h e d e s i g n a n dd e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n t m a n a g e m e n ts y s t e m f o r e l e c t r i cp o w e rm e a s u r ei nt h ea p a r t m e n t i tw a sw o r k e do u ta f t e rl o o k e du pal o t o fi n t e r n a la n de x t e r n a lr e l a t e dt e c h n i c a ll i t e r a t u r e sa n db a s e do nt h es e r i o u s s u r v e yo f i n t e r n a ls i m i l a rp r o d u c t i o n f i r s t l y , t h ep a p e rc a r e f u l l ya n a l y s e st h ep r i n c i p l et om e a s u r ee l e c t r i cp o w e r ， t h e nd e t e r m i n e s y s t e m c i r c u i t p a r a m e t e r s ，d e v e l o p a n d d e s i g n t h e s y s t e m h a r d w a r ea n ds o f t w a r ea c c o r d i n gt ot h es y s t e mp e r f o r m a n c ei n d e x t h em a i n d e s i g np a r t s i nt h eh a r d w a r ea r e s a m p l i n g c i r c u i to fe l e c t r i c p o w e r , d a t a a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gc i r c u i to fm o n o l i t h i cc o m p u t e r ，d i s p l a yc i r c u i ta n db u s c i r c u i t i nt h ed e s i g no f s a m p l i n gc i r c u i t ，an e wd e b u g g i n gm e t h o df o ra c c u r a c y w a sd e v e l o p e d t h a ti s u s i n gp r e c i s i o nr e s i s t o rt a k e sp l a c et h et r a d i t i o n a ls h o r t c i r c u i tr i n g 4 8 5i n t e r f a c ec o m m u n i c a t i o nw a sa d o p t e db e t w e e ne a c hs u b s y s t e m o fm o n o l i t h i cc o m p u t e ra n du p p e rc o m p u t e r t h em e m o r yw i t h1 2cb u si n t e r f a c e a n ds e r i a ll e d d i s p l a yt e c h n i q u e a r ea l s oa d o p t e di nt h i ss y s t e m t h i s p a p e rd e s c r i b e st h ed e s i g na b o u tt h em a i nf u n c t i o n a lm o d u l e so f s y s t e ms o f t w a r ei ng r e a td e t a i l t h em a i ni n t r o d u c t i o ni sw o r kf l o wo fm a i n p r o g r a mm o d u l e ，c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，d i s p l a ym o d u l e ，m e a s u r e m e n tm o d u l e ， l o a d d e t e c t i n gm o d u l ea n dd i s t r i b u t i o np l a no fs y s t e mr e s o u r c e s i ti san e w c r e a t e dp o i n to f s y s t e md e s i g nt h a tu s i n gs o f t w a r et or e a l i z et h el o a dd e t e c t i n g t h es i m p l i f i e dc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o li ss e tu pb a s e do nt h ep r a c t i c a ln e e d b v u s i n gb a c k u ps t o r e dd a t a ，s o f t w a r et r a pa n do t h e rm e t h o d e s ，t h ea n t i i n t e r f e r e n c e a b i l i t ya n ds a f e t yo f t h es y s t e mi si n c r e a s e d i i 堕堑鎏三些查兰2 ：兰堡圭兰堡篁兰 t h e i n t e l l i g e n tm a n a g e m e n ts y s t e m f o re l e c t r i c p o w e r m e a s u r ei nt h e a p a r t m e n th a sm a n yf u n c t i o n s ，s u c ha se l e c t r i cp o w e rm e a s u r e m e n t ，l o a dt e s t i n g ， a u t o s w i t c hc o n t r o l ，d a t as t a t i s t i c ，d a t as t a t e m e n t ，p r i n t i n ga n de t c i th a sg o o d a n d a p p l i e df o r e g r o u n d t h ep o t e n t i a lm a r k e t n e e d si se n o r m o u s k e y w o r d se l e c t r i c i t ym a n a g e m e n t ；i n t e l l i g e n tk w hm e t e r ；l o a dc o n t r o l r $ 4 8 5i n t e r f a c e - 1 1 i 哈尔滨丁业大学工学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 本课题为应用性研究课题，来源于辽宁信息职业技术学院大学生公寓用电 管理由无偿使用向计量收费改革而开发设计的智能型公寓用电管理系统。 1 1 1 公寓用电智能管理系统简介 基于大专院校后勤社会化改革的需要，学生公寓用电管理已逐步采用付费 方式，急需一种新的电能集中计量管理系统。本课题研制的公寓用电智能管理 系统采用了先进的电能计量芯片，是一种先进的集中式电能计量系统，具有电 能计量、负荷检测、数据统计、报表、打印等多种功能。公寓用电智能管理系 统属于新一代电能计量管理设备，它与传统的分立式电能计量设备，如机械式 电度表、i c 卡式电度表有根本的区别。机械式电度表和i c 卡式电度表也可以集 中的形式安装，但这仅仅是形式上的集中，实际上仍然是许多块分立式电度表 在独立工作。而集中式电能计量管理系统却不是这样，该系统是针对学生集体 公寓特点研制开发的，具有分路计量功能的一体化独立设备，同时还具有传统 电能计量设备所不具有的负荷检测、控制功能和统计分析功能，是适用于诸 如学生公寓专用的集中管理模式。 1 1 2 公寓用电管理系统课题开发的意义 面对时代的发展，校园学习与生活的内容也变得丰富多彩起来，电脑、电视 机等电器越来越多地走进了学生的日常生活。学校对学生集体公寓采取的限量 限时的供电方式己越来越不适应。近年来国家教委总结了各高校的管理经验， 对学生用电管理提出了两个新的理念：预收费和即时用电管理，即实行先收费 再用电的管理理念，并让后勤管理人员能适时地、有效地了解学生的用电情况 并进行控制。 学生集体公寓用电商品化的首要原因和目的是为学生提供一个符合时代发 展的学习与生活环境，而今天公寓服务的商业化方向使它更趋必要。近年来， 随着高校扩招，在校学生人数增长较快，用电量也同期增长，后勤开始进行社 堕堑堡三些盔兰三耋鎏圭兰堡鎏耋 会化改革，急需采用高科技手段加强用电管理。采用用电集中管理具有简洁、 可靠、成本低的特点，将产生较好的经济效益与社会效益。依测算，该项目实 施后，每年可节约用电1 5 的经费；采用这套系统，公寓用电状况可以在一台 计算机上反映出来，而且随时各查，节省了人力、物力，为学生宿舍用电管理 提供了科学的管理方法，使管理更严谨，增强人们的科学管理意识；对非正常 用电，系统将自动报警，对超额用电实时自动断电，可基本杜绝违章电器的使 用，消除火灾隐患；以往由于学生公寓无偿供电，使很多宿舍的开关失去作 用，不熄灯现象严重，不仅造成了很大的浪费，而且对提高学生公寓整体管理 水平增加了难度。采用此系统后，随手关灯将成为学生的自觉意识，较好地杜 绝了浪费现象。由此可见，公寓用电智能管理系统的开发应用既有效地提高了 经济效益，也有效地加强了高校电量、电费、用电安全管理弘j 。 1 2 国内外研究概况、水平和发展趋势 本系统采用的电能转换芯片是由a d i 公司生产的a d e 7 7 5 5 口】，该芯片具 有计量准确、可靠性高、价格便宜等优点，在国内外得到广泛的应用【4 】。目前 我国已能生产具有自主知识产权的电能计量芯片，如珠海炬力集成电路设计有 限公司推出一款融a d c 与d s p 于一体的三相多功能电能计量芯片a t t 7 0 2 2 ： 上海贝岭公司生产单相防窃电计量芯片b l 0 9 5 1 ，具有外围电路简单、精度 高、稳定性好等特点。它具有两个电流采样端，分别采样火线和零线电流，当 电流误差超过1 2 5 时。表明有窃电行为或错误接线，f a u l t 发出指示信 号，并按照两个电流中大的一个电流值计量：c r y s t a l 公司最新推出了带有 串行接口的单相双向功率电能计量集成电路芯片c s 5 4 6 0 ，与目前在电子式电 度表应用中广泛使用的a d 7 7 5 5 相比较，该芯片增加了片内看门狗定时器 ( w a t c hd o gt i m e r ) ，具有更加安全可靠的特点【”。 公寓用电智能管理系统的主要功能就是对电能进行计量。电能的计量已经 历了不断改变、提高的过程【6 】。由传统的单户机械式电能表发展成单户电子式 电能表；由单户电子式电能表发展成多户集中式电能计量系统：由单费率电能 表发展成分时段复费率电能表；由现场抄表方式发展成多种方式的远程抄表【”， 如网络抄表、电力线载波抄表【8 1 、红外抄表等。 欧、美、东南亚等国家早在九十年代初就提出了对公寓进行智能化管理的 想法，并得到了广泛的发展与应用 9 1 。现国内已有公司开发、生产类似产品 ”u j 。目前实现该系统有多种方案：i c 卡查询、电脑集中查询、柜体自动显示 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 查询、电力线载波传输信息等【“1 ，各种方案都有优缺点【l ”。普通i c 卡查询方 式具有灵活、方便的特点，但系统可靠性、安全性较差，易发生接触性故障且 具有易受攻击的弱点【1 3 】：若采用光电式i c 卡将较好解决这些不足。随着校园 网的日益普及，用电卡将与其它卡并在一起实现校园一卡通。本系统采用电脑 集中查询与柜体查询相结合的方式，具有安全、可靠、方便的特点。在系统硬 件设计中，本系统利用电位器代替了通常采用的短路线进行精度调节，具有调 试方便、性能稳定的优点。每个房间均设计独立的采样电路，尽管成本略有增 加，但测试精度及工作稳定性得到增强。市场上现有产品均提供负荷检测控制 功能，但均是采用硬件电路实现的。本系统研制了一种利用软件实现用电负荷 检测的方法，具有成本低、使用灵活、性能可靠的优点。随着校园网的建设同 趋普遍，公寓用电管理系统正与网络技术紧密结合i l ，向着利用网络查询、 购电方式发展i l ”，用户可在网上完成购电与电量查询。目前，公寓用电管理 系统正向着高精度、高可靠性、操作更加方便发展。随着该项技术的不断成熟 及公寓管理水平的不断提高，该产品将有广阔的市场空间【l 。 1 3 主要研究内容 本文对公寓用电智能管理系统的硬件与软件进行了研究与开发。 1 3 1 硬件电路设计 在硬件电路设计中主要设计了采样电路、单片机数据处理电路、显示板电 路、母板电路。采样电路主要实现对电能信号的采样，同时进行a d 转换，为 单片机提供数字电能采样信号，同时利用该电路实现对相应房间的开、关控 制。单片机数据采集处理电路是系统的核心电路，主要实现系统控制、数据处 理、数据通信、数据保存等功能。设计时采用高可靠微处理器芯片 a t 8 9 s 5 2 ( 1 内置看门狗) 作为控制器，利用1 2 c 总线接e l 的e 2 p r o m 作数据存储 器，解决数据掉电保持问题并节省单片机口线资源，采用4 8 5 芯片实现网络联 接，由开关电源对单片机系统供电，以提高电源的稳定性。显示电路用以显示 各房间用电信息。该电路由1 2 位l e d 数码管动态巡回显示1 6 个房间用电信 息。为节省单片机口线资源，显示电路采用串行接口方式。母板电路主要实现 一个单片机子系统内各种控制信息与数据信息的传输，采用总线方式进行1 6 个房间信息传输与控制。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 3 2 软件设计 系统软件由上位机软件与下位机软件两部分组成。上位机软件采用高级语 言v i s u a lb a s i c 编制，主要完成系统参数设置、通讯、查询、登录、打印等功 能1 1 7 j 。下位机软件采用汇编语言编制，主要完成通信、计量、显示、负荷控制 等功能。在软件设计中根据国家电力通信标准设计了简明通信协议，并研制了 一种利用软件方式实现负荷检测控制的方法。 本人负责系统总体设计及调试，承担了系统硬件电路设计及下位机软件设 计。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第2 章系统基本构成与性能指标 2 1 系统构成框图 该系统主要由电量采样板( a d 7 7 5 5 ) 、单片机数据采集处理板、用电量显示 板、微机数据库管理控制等组成，见图2 - 1 。 图2 - 1 系统构成框图 1 。电置采样板 电量采样板核心电路是由a d 7 7 5 5 组成的电能模数转换电路，它能将通 过采样电阻( 锰铜合金制成) 获取的电流采样信号与电压采样信号在芯片内部实 现电能计量累加运算，并在内部实现a d 转换，以脉冲方式输出供给机械计度 器及单片机数据处理使用【1 9 1 。输出脉冲频率通常可设定为1 6 0 0 i m p k w h 或 3 2 0 0 i m p k w h ，本系统采用c f 输出为1 6 0 0 i m p k w h 供单片机进行计量处理 2 0 l 。电量采样板上另一部分电路是磁保持继电器控制电路，磁保持继电器用于 负载开关、控制，采用正、负脉冲信号进行开、关驱动。驱动电路可用晶体管 堕堑堡三些查主三兰罂圭耋堡丝三 电路实现，亦可用专用集成芯片实现，本系统采用集成电路b h 3 0 2 3 实现继电 器驱动【2 l 】。 2 单片机数据采集处理板 单片机数据采集处理板采用卡式结构插在母板上，巡回采集处理1 6 个采 样板( 对应1 6 个房间) 的用电量数据，并可实现对各房间电源的通断控制。为保 证掉电后数据不丢失，采用e 2 p r o m 实现电量等数据保存。存储器采用1 2 c 总 线芯片2 4 l c l 6 b ，可节省单片机口线，简化电路结构及节约成本。利用 7 5 l b c l 8 4 芯片实现4 8 5 通信接口，采用带屏蔽双绞线连结微机进行数据传 输。 3 显示板电路 本系统采用1 2 位l e d 显示器( 房问号3 位、剩余电量3 位、用电量6 位) 通过联线安置于控制柜面板上，利用三片7 4 h c 5 9 5 a 芯片实现1 2 位串行l e d 显示。 4 母板电路 母板电路主要实现1 6 个房间电量数据及开关控制信号与单片机系统的通 信联系。设计时利用一片译码器7 4 h c l 5 4 通过对三态门7 4 4 2 5 的选通控制实 现对1 6 个房间用电量的巡检；利用两片模拟开关c d 4 0 6 7 实现对1 6 个房间磁 保持继电器的开、关控制。 s 微机数据库管理控制系统 各单片机子系统通过4 8 5 协议与微机实现串行通信。本系统利用微机实现 各房间用电量的集中管理与控制，系统软件采用v b 设计，主要完成如下功 能： ( 1 ) 系统参数设置。设置电费单价、设置( 修改) 房间基础用电量、设置瞬时 电量最高限值、设置月累计电量最大限值、设置电费交费告警限值等。 ( 2 ) 通讯功能。主要实现对各房间巡检、电源通断、各种数据( 基础电量、 购买电量等) 传送。 ( 3 ) 查询功能。可进行房间电量、欠费告警、超限用电、欠费关断等各种查 询。采用覆盖式数据记录，即一个月结束后，只保留最后一天的记录。用电信 息以月为单位，保留6 个月，以同为单位，保留一个月。 ( 4 ) 登录功能。实现交费登录、入住登录、退房登录等。 ( 5 ) 打印功能。打印交费收据、总交费及电量、查询结果等。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 2 系统主要技术指标 供电电源：三相3 8 0 v 分路输出电源：2 2 0 v ( 5 0 h z ) 管理房间数：4 9 0 额定电流：5 ( 4 0 ) a 分路最大功耗：o 5 w 脉冲常数：1 6 0 0 i m p k w h 精度等级：2 级 使用环境温度：一2 0 + 6 0 机壳绝缘电阻：5 m n 使用寿命：8 1 0 年 2 3 系统主要功能 在制定系统总体方案时，根据用户要求对方案进行了总体优化，力求使系 统功能实用、性能稳定、具有较高的性价比。 1 准确计量功能 校验时计量误差范围要求控制在o 4 左右，高于标称的2 要求。 2 负荷识别控制功能 本系统采用软件控制方式，实现对用电器的识别与控制。对于使用电热器 类用电器，系统可自动识别，并通过短暂停电予以警告，然后恢复送电；若继 续使用该类用电器，则再次停电并不再恢复，需管理员处理后视情节决定是否 送电。 3 定时开关控制功能 利用此系统可根据使用单位的作息时间实现对各房间定时送电、停电，对 欠费房间自动停电。 4 数据库管理功能 管理员可在学生入住时收取一定的予存电费，并可实时查阅各房问的用电 情况，并及时给予欠费提示；利用数据统计功能实现每月的用电统计并打印报 表，数据准确、详实，操作简单快捷。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 4 主要结构特点 系统结构设计方案主要侧重于使用维护方便，性能可靠稳定，主要具有以 下特点。 1 采用插卡式结构 每个房间使用一块电量采样板，一个单片机板巡回检测十六个房间用电 量，通过一个显示板电路将所测电量在柜体面板实现动态巡回显示。将1 6 个 电量采样板、一个单片机板、一个显示板均插在一块母板上。 2 采用总线方式的母板结构 系统中每个单片机板检测1 6 个房间用电量。1 6 个采样板a d 转换后的数 字信号通过一条数据线传至单片机板，可以减弱各信号问的干扰；采用电能信 号先a d 转换后传输的方式，尽管增加了一些成本( 增加a d 7 7 5 5 数量) ，但系 统可靠性与计量精度将得到提高【2 3 l 。 3 柜体电置显示查询方式 通过一台电脑实现系统控制与管理，可防止通过网络攻击；通过柜体上显 示器实现电量显示与查询，较i c 卡式查询系统更不易被人为破坏【2 。 2 5 本章小结 本章首先介绍了公寓用电智能管理系统的组成，并对系统各组成部分功能 作了简要说明，对系统主要技术指标、性能及结构特点亦作了简要介绍。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第3 章系统硬件设计 本章将详细介绍公寓用电智能管理系统的各部分硬件电路工作原理并对主 要芯片原理与应用作以介绍。 3 1 电能计量原理与电路设计 本系统的主要功能是对用电量进行计量，由采样电路板完成电能信号的采 样2 5 1 ，并将其转换成脉冲信号输出给单片机数据采集处理系统，其核心芯片是 a d 7 7 5 5 t 2 6 1 ，本节在分析电能计量原理的基础上，确定了电路参数并对采样电 路进行的设计。 3 1 1 电能计量芯片a d 7 7 5 5 a d 7 7 5 5 是一种高准确度电能测量集成电路1 2 ”。该芯片内部只在a d c 和 基准源中使用模拟电路，所有其它信号处理都使用数字电路，这使a d 7 7 5 5 在 恶劣的环境下仍能保持极高的准确度和长期稳定性。芯片引脚f 1 和f 2 以较低 频率形式输出有功功率平均值，能直接驱动机电式计度器或与微控制器( m c u ) 接口。引脚c f 以较高频率形式输出有功功率瞬时值，用于校验或与m c u 接 口。该芯片被广泛应用于电子电能表等各种电能计量类仪表与系统中 2 8 】。 a d 7 7 5 5 有2 4 脚d i p 和s s o p 两种封装p 1 ，图3 1 为a d 7 7 5 5 引脚图，表3 1 为各引脚功能。 图3 1 a d 7 7 5 5 引脚图 窒堡堡三些奎兰三兰罂圭兰篁鎏圭 表3 - 1a d 7 7 5 5 引脚功能 引脚号符号说明 数字电源引脚。正常工作电压为5 v 士5 ，该引脚应使 l d v d d 用l o 沁电容并联1 0 0 n f 瓷介电容进行去耦 2 氏c f d c 高通滤波器选通引脚。接高电平 模拟电源引脚。正常工作电压为5 v 士5 ，该引脚应使 3 a v d d 用l o 妒电容并联l o o n f 瓷介电容进行去耦 4 ，1 9n c不连接 通道1 ( 电流通道) 的正、负模拟输入引脚。正常t 作最大 5 6v i p 。v i n 信号电平为土4 7 0 m v 。两引脚相对于a g n d 的最大信号电 平为：t ：l v 通道2 ( 电压通道) 的负、正模拟输入引脚。正常工作最大 7 ，8v 2 n ，v 2 p 输入电压为士1 5 6 0 m v 。两引脚相对于a g n d 的最大信号电 平为i v 9 r e s e t复位引脚，低电平有效 1 0 r e f o u t基准电压的输入、输出引脚 l la g n d a d 7 7 5 5 模拟电路的接地参考点，该引脚戍连接到印刷 电路板的模拟接地面 1 2s c f 校验频率选择。该引脚的逻辑输入电平确定c f 引脚的 输出频率 1 3 1 4s 1 ，s 0 这两个引脚的逻辑输入用来选择数字频率转换系数 1 5 1 6g 1 ，g o 这两个引脚的逻辑输入用来选择通道1 的增益。可选增 益为1 ，2 ，8 ，1 6 1 7c l k i n 外部时钟输入引脚 1 8c l k o u t 外部时钟输出引脚 2 0r e v p 当检测到负功率时( 电压、电流相位差大于9 0 度) ，该引 脚输出高电平 a d 7 7 5 5 内数字电路接地参考点。该引脚应连接到印刷 电路板的数字接地面数字接地面是所有数字电路( 如机械 2 1d g n d 或数字计度器、微控制器和l e d 显示器) 的接地参考点。 为了有效抑制噪声，模拟接地面与数字接地面只应有一点 连接 2 2c f 频率校验输出端。其输出频率反映瞬时有功功率的大 小，常用于仪表校验。可送至微处理器用于电能计量 低频逻辑输出引脚，其输出频率反映平均有功功率的大 2 3 ，2 4f 2 ，f l 小。这两个逻辑输出可以直接驱动机电式计度器或两相步 进电机 3 1 2 电能计量原理 图3 - 2 为a d 7 7 5 5 内部逻辑功能图。来自采样电路的电流信号经a d 7 7 5 5 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 v l p v l n v 2 p v 2 n a c d c d v d d d g n d 图3 - 2a d 7 7 5 5 内部功能框图 的通道i ( v 1 p 、v 1 n ) 进入内部可编程放大器p g a 放大，其增益分为l 、2 、 8 、x 1 6 四档，可由芯片g 0 、g 1 引脚设定，见表3 2 。经过衰减的电压信号 由通道2 ( v 2 n 、v 2 p ) 进入芯片内部放大器放大，然后与电流信号分别经过两个 模数转换器f a d c ) 转换成数字信号。电流通道中的高通滤波器( h p f ) 滤掉电流 信号中的直流分量，从而消除了由于电压或电流失调所造成的有功功率计算上 的误差【3o 】；两通道信号通过乘法器相乘产生瞬时功率信号；此信号经数字低通 滤波器( l p f ) 滤除其中的交流分量，得到的直流分量即为负载消耗的瞬时有功 功率；最后通过数字频率转换器将瞬时有功功率信号进行一段时间的累计、 求均值，进而获得平均有功功率 3 q 。 表3 - 2 通道1 增益控制 g 1g o g ( 增益) 最大差动信号 0o1 士4 7 0 m v 0l2i 2 3 5 m v l08+ 6 0 m v l11 6+ 3 0 m v 设输入到a d 7 7 5 5 内部乘法器的电压信号为 0 ) = v c o s 国t ( 3 1 ) 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 输入到a d 7 7 5 5 内部乘法器的电流信号为： i ( t ) = i c o s c o t 瞬时功率为： p ( f ) = v ( f ) f i t ) = 掣 1 s ( 2 a ，t ) ) 瞬时功率通过低通滤波器后可得到其直流分量即有功功率为： j p ：型 ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) 若输入电压电流信号为非正弦波，则利用付利叶变换可将其表示为各次谐 波和的形式： v ( ，) = + 2 xs i n ( h c o t + a ) v ( r ) ：瞬时电压。 “o ：电压平均值。 ：h 次电压谐波有效值。 瓯：h 次电压谐波相位角。 f ( f ) = o + 2 l h s i n ( h e 9 t + , f l h ) 啦) ：瞬时电流。 “o 而：电流平均值。 厶：h 次电流谐波有效值。 尻：h 次电流谐波相位角。 ( 3 - 5 ) ( 3 6 ) 由公式( 3 5 ) 和公式( 3 6 ) ，有功功率p 可以用它们的基波有功功率p 。和诣 波有功功率尸h 之和来表示。 户2p l + r ( 3 7 ) 其中 鼻= 1 1c o s 矾 妒l = 口l 一届 堕丝篁三些查兰三兰竺圭兰竺鎏兰 只= k ， c o s 丸= 口 一 通过以上分析知： 平均功率= 平均频率 = 脉冲个数积分时间 在一个积分周期内消耗的电能为： 电能一平均功率积分时间 = ( 脉冲个数积分时间) 积分时间= 脉冲个数 从管脚f 1 、f 2 输出的低频脉冲信号频率与此平均有功功率成正比，从管 脚c f 输出的高频脉冲频率正比于瞬时有功功率【3 2 1 ，该信号可作为微处理器的 输入信号以供计量【3 3 1 。输出频率与输入电压大小的关系为： f = ( 8 0 6 x 陀g f 1 4 ) 酽舰f( 3 8 ) f c f = k x f 式中： p 一引脚f 1 、砣输出的脉冲频率( h z ) 妒引脚c f 输出的脉冲频率( h z ) n 一通道1 差动输入电压有效值r v ) 圮一通道2 差动输入电压有效值( v ) g 一1 ，2 ，8 ，1 6 ，取决于p g a 的增益，由g o 、g 1 的逻辑输入电平决定 k e r 一基准电压( 2 5 + 8 ) v 一4 一由主时钟c l k i n ( 取3 5 7 9 m h z ) 分频获得，分频系数由s o 和s l 确 定，k 取决于s o 、s 1 、s c f 见表3 3 。 3 1 3 应用电路参数设计 设计参数： 线电压：2 2 0 9 l m a x = 2 0 a ，i b = 5 a 计度器：1 0 0 i m p k w h 仪表常数：1 6 0 0 i m p k w h 分流器阻值：3 5 0 v n 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 0 0 i m p h = 1 0 0 3 6 0 0 s = 0 0 2 7 7 7 7h z 在i b = 5 a 条件下校表，此时功耗为： 5 a 2 2 0 v = 1 1 k w i b 条件下f l 、f 2 的频率为： f = 1 1x 0 0 2 7 7 7 7 = 0 0 3 0 5 5 5 5h z i b 条件下分流器两端电压为： v 1 = 5 a 3 5 0 m q = 1 7 5 m v 表3 - 3 c f 的最高输出频率 s c fs os l f 1 4 足 分频系数 1oo1 71 2 82 2 0001 76 42 1 101 3 46 42 2 ” o013 43 22 删 1l06 83 22 1 010 6 81 62 1 1l11 3 61 62 01l1 3 62 0 4 82 1 5 依经验，器件参数设定见表3 - 4 ，故 g = 1 6 f 1 - 4 = 6 8h z 由式( 3 8 ) 可求得通道2 电压： 0 0 3 0 5 5 5h z = f 8 0 6 1 7 5 m v 2 x1 6 6 8h z ) 2 5 2 p 2 = 1 2 4 4 5 m v 因此，为了校验这块电表需要将线电压衰减到1 2 4 4 5 m v ，可以此作为确 定电阻衰减网络参数的标准。 表3 _ 4 器件参数设定表 1 4 哈尔滨工业大学工学硕上学位论文 3 1 4 采样板电路设计 采样板电路为电能计量的关键电路。该电路以a d 7 7 5 5 为核心实现对公寓 各房间用电的计量，并将电能转换成标准脉冲信号送到单片机处理电路【3 。图 3 3 为采样板电路图f 详见附录1 ) 。采样板电路通过采样电阻( 锰铜合金制成) 获 取的电流采样信号由芯片5 、6 脚输入，经过可变电阻网络r 2 8 、r 2 7 、r 2 6 、 r 2 5 、r 2 4 、r 2 l 、r 2 0 、r 5 、r x 等衰减后的电压采样信号由芯片7 、8 脚输 入，两路信号在芯片内部实现电能计量累加运算，并在内部实现a d 转换，以 脉冲方式由2 3 、2 4 脚输出供给机械计度器，由2 2 脚输出经光耦隔离后经母板 插座通过选通的三态门输入到单片机的p 3 4 脚进行数据采集与处理。本系统 工作参数设定在1 6 0 0 i m p k w h 。图中r x 为精度调节电位器，通过调节电压信 号达到电表精度调节。电感l 0 、l 1 、l 2 等用于抑制电网干扰。系统采用模拟 地与数字地分离接地方式，通过电感l 0 实现直流共地并阻隔交流干扰。 图3 - 3 采样板电路图 以b h 3 0 2 3 为控制芯片的开关控制电路实现对各房间的自动开关控制，其 核一i i , 器件是磁保持继电器及其驱动电路芯片b h 3 0 2 3 。磁保持继电器区别于普 通继电器的特点在于继电器一经触发即可保持开启与关断关态，触发信号撤消 后继电器状态不变，因而无需保持触发信号。驱动芯片b h 3 0 2 3 较采用分立晶 堕堡堡三些当兰三兰璧圭耋丝丝三 一 体管驱动电路具有线路简洁、可靠的优点，因而在电能计量系统中被广泛采 用。来自单片机p 1 6 、p 1 7 的开、关控制信号经光电隔离送至b h 3 0 2 3 的输入 端b 、a ，经输出端q a 、q b 控制继电器的通、断，从而实现对房间电源的 开、关控制。电阻r 2 9 、r 3 0 即是光耦电路的输出电阻，也是驱动电路 b h 3 0 2 3 的输入电阻。 图3 - 4 开关控制电路图 每块采样板的电能采样电路均采用单独电源供电，以避免各采样板通过共 地造成各房间火线相联( 采样电路为火地) 产生干扰与危险。采样电路电源设计 采用交流电通过电容降压的方式整流、滤波后经稳压电路输出。由于所需电流 较小，稳压电路采用小功率的7 8 l 0 5 实现稳压，此电源仅供采样芯片a d 7 7 5 5 使用。各继电器驱动电路所需电源由1 2 v 开若电源集中供电，整个系统由四个 控制柜组成，每个控制柜使用一个1 2 v 开关电源。在此不可以将采样电路电源 地与开关电路电源地( 也是系统信号地) 混在一起。 3 2 单片机数据处理电路设计 该电路主要完成系统的各种控制功能及对电能信号进行计量，主要由 m c u 、4 8 5 通信接口及存储电路三部分组成。 3 2 1a t 8 9 s 5 2 微处理器 a t 8 9 s 5 2 是一款低能耗、高性能的8 位c m o s 微处理器【3 5 】，芯片内部具 有8 k 字节闪速存储器，允许在系统内改写或用常规非易失性存储器编程器编 程。芯片采用5 1 系列指令集并与5 l 系列单片机引脚兼容。a t 8 9 s 5 2 单片机有 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 如下特点： 与m c s 5 1 产品兼容。 具有8 k 字节可在系统编程的f l a s h 内部程序存储器，可写擦1 0 0 0 次。 4 o v 5 5 v 的工作电压范围。 全静态操作：0h z 2 4 m h z 。 三级程序存储器加密。 2 5 6 字节内部r a m 。 3 2 根可编程i o 线。 三个1 6 位定时器计数器。 8 个中断源。 全双工异步串行通信通道。 低功耗空闲和掉电方式。 通过中断中止掉电方式。 看门狗定时器。 两个数据指针。 掉电标志。 1 a t 8 9 s 5 2 引脚功能 图3 5 为a t 8 9 s 5 2 单片机总体结构框图，各引脚功能如下： ( 1 ) v c c 电源。 ( 2 ) g n d ：地线。 ( 3 ) p 0 口是一个8 位漏极开路的双向i oe 1 。作为输出口时，每个引脚可 吸入8 个t t l 输入。当把1 写入p o 口的引脚时，该引脚可作为高阻输 入。当访问外部程序存储器和数据存储器时，p o 口也可作为复用的低8 位地 址、数据总线。在此状态下，p o 口有内部上拉电阻。p o 口也在f l a s h 编程 时，接收代码字节，而在程序校验期间，输出代码字节。在程序校验期间，需 要外部上拉电路。 ( 4 ) p 1 口是一个具有内部上拉电路的8 位双向v o 口。p 1 口的输出缓冲器 能够输入输出4 个t t l 输入。当对p 1 口的引脚写“l ”时，它被内部上拉电 路拉高，并能作输入使用。作为输入时，由于内部上拉电路的作用，由外部拉 低的p 1 口引脚将放出电流。此外，p 1 ，0 、p 1 1 还可分别作为定时器计数器2 的外部计数输入和触发输入，p 1 口在f l a s h 编程和校验时还用于接收低8 位地 址字节，见表3 5 。 哈尔滨工业大学工学硕_ 上学位论文 图3 - 5 芯片内部框图 ( 5 ) p 2 口是一个具有内部上拉电路的8 位双向i o 口，p 2 口的输出缓冲器 能够输入输出4 个t t l 输入。当对p 2 口的引脚写“1 ”时，它们被内部上拉 电路拉高，并能作为输入使用。作为输入时，由于内部上拉电路的作用，由外 部拉低的p 2 口引脚将放出电流。当访问外部程序存储器及使用1 6 位地址的数 据存储器( m o v x d p t r ) 时，p 2i s l 输出高8 位地址。在这种情况下，当置 “1 ”时，p 21 5 1 使用强大的内部上拉电路。当访问使用8 位地址的外部数据存 哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 f 1 诸器( m o v x m ) 时，p 2 口输出p 2 口锁存器的内容。在f l a s h 编程及程序校 验期间，p 2 口也接收8 位地址及一些控制信号。 表3 - 5p l 口替换功能表 口引脚替换功能 p 1 o t 2 ( 外部计数脉冲输入至定时器，计数器2 ) 时钟输出 p 1 1 t 2 e x ( 定时器，计数器2 捕获重装载触发和方向控制1 p 1 5 m o s i ( 用于在系统编程) p 1 6 m i s o ( 用于在系统编程) p l ，7 s c k ( 用于在系统编程) ( 6 ) p 3 口是一个具有内部上拉电路的8 位双向w o 口，p 3 口的输出缓冲器 能够输入输出4 个t t l 输入。当对p 3 口的引脚写“l ”时，它们被内部上拉 电路拉高，并能作为输入使用。作为输入时，由于内部上拉电路的作用，由外 部拉低的p 3 口引脚将放出电流。p 3 口也提供a t 8 9 s 5 2 各种专用功能，见表 3 6 。 表3 1 6p 3 口引脚替换功能表 口引脚替代的专用功能 p 3 0 r x d ( 串行输入口) p 3 1 t x d ( 串行输出口) p 3 2 ；z r 0 ( # b 郡中断o ) p 3 3 z n t i o i 部中断1 ) p 3 4 t o ( 定时器0 外部输入1 1 7 3 5 t l ( 定时器】外部输入1 p 3 6 w r ( 外部数据存储器写选通) p 3 7 r d ( 外部数据存储器读选通1 ( 7 ) r e s t ：复位输入。当振荡器工作时，在此引脚上出现两个周期的高电 平将使系统复位。在看门狗定时器输出时，该引脚输出9 6 个振荡周期的高电 平。特殊功能寄存器a u x r ( 地址为8 e h ) 的d i s r t o 位可用于取消该功能。 d i s r t o 的默认状态是该复位引脚高