（机械设计及理论专业论文）基于频域分析与神经网络的学生公寓电器类型识别.pdf

摘要 摘要 集群式用电智能管理系统是电量的自动计量及管理发展的趋势。学生公寓 普遍存在使用违章电器的情况，造成火灾事故频发，对个人及学校造成巨大的 损失。高校学生公寓的用电管理具有其特殊性，例如违章电器识别、超负荷判 断、定时断送电及特殊用户周电配置。本课题着重研究了学生公寓电器负载的 识别。首先采集电压和电流的信号，然后用m a t l a b 软件进行仿真分析，最 后用c 5 l 语言实现。 在对正弦电压和非正弦电压情况下学生公寓电器的负载进行识别的研究 中，使用了三种方法。 第一种方法是基于傅立叶变换理论的负载类型识别。首先对负载的电压和 电流信号进行快速傅立叶变换，得到电压和电流的各频率分量，然后利用它们 的幅值和相位的对应关系，求出总功率、计算机功率和非计算机功率的值，作 为负载识别的依据。 第二种方法是基于小波变换的负载类型识别。对负载的电流信号做5 层 d m e y e r 小波分解，计算各负载电流值的平方和、细节部分第5 层的能量以及概 貌部分与细节部分第5 层的能最的比值，根据这些特征值识别出大功率阻性负 载与计算机。 在使用b p 神经网络对负载类型进行识别时，把负载的电压和电流信号做快 速傅立叶变换后各频率分量的幅值作为训练b p 网络时的输入，把总功率和计算 机的功率的值作为网络的输出。 集群式用电智能管理系统有广阔的推广性和应用性。 关键词：智能电表，非正弦电压，波形分析，f f t ，小波变换，神经网络 a b s t r a c t a b s t r a c t i n t e l l i g e n tm a n a g e m e n ts y s t e mo fc e n t r a l i z e dp o w e ru t i l i z a t i o ni st h et r e n do f a m m e t e rd e v e l o p m e n ti nt h ef u t u r es o m eo ft h es t u d e n t su s et h ed i s a l l o w e de l e c t r i c a l a p p l i a n c e si nt h e i rd o r m i t o r i e sw h a ti st h ec a u s eo t 、f i r ea c c i d e n t t h e s ea c c i d e n t s r e s u l ti nag r e a tl o s st ot h es t u d e n t sa n dt h eu n i v e r s i t i e s t h em a n a g e m e n ts y s t e mo f p o w e ru t i l i z a t i o ni nt h ea p a r t m e n to fs t u d e n th a sa d i s t i n c tc h a r a c t e r f o re x a m p l e 、t h e s y s t e m cann o t o n l yr e c o g n i z e t h ed i s a l l o w e de l e c t r i c a la p p l i a n c e sa n dt h e h i g h - p o w e rl o a d sb u ta l s o s t a r ta n ds t o pt h ee l e c t r i c i t yt i m e l y ，b e s i d e si t c a n i n t e r c a l a t et h ee s p e c i a lc o n s u m e r t h em a i na i mo ft h ep r e s e n td i s s e r t a t i o ni st os t u d y t h er e c o g n i z i n go fe l e c t r i c a la p p l i a n c e si ns t u d e n t s d o r m i t o r i e s f i r s th ec o l l e c tt h e s i g n a l so ft h ev o l t a g ea n dt h ee l e c t r i cc u r r e n to f a l lk i n d so fl o a d s t h e nw eu s et h e m a t l a bs o f t w a r et os i m u l a t e da n da n a l y z e dt h es i g n a l s i nt h ee n d 、 ec a r r y o u tt h e s y s t e mb yc 51l a n g u a g e t h e r ea r et h r e em e t h o d so fr e c o g n i z i n gt h el o a du n d e rt h ec o n d i t i o no fs i n e 、7 0 l t a g ea n di n - s i n ev o l t a g e t h ef i r s tm e t h o di sb a s e do nf o u r i e rt r a n s f 、0 f n l i j i r s t ，t h ef a s tf o u r i e rt r a n s f o n l li s u s e dt oa n a l y z et h es i g n a l so t 。t h ev o l t a g ea n dt h ee l e c t r i cc u r r e n t w i t h h i c bw ec a n o b t a i nt h ec o m p o n e n t so ft h es i g n a l s t h e y 7a r ed i f l e r e n tf r e q u e n c y t h e n 、 eu s ct h e c o r r e s p o n d i n gr e l a t i o no f t h e i rr a n g ea n dp h a s et oc a l c u l a t et h es u n l 一p o u e r , t h ep o 、e f o fc o m p u t e r sa n do t h e rp o w e r t h ea b o v ed a t aa r et h eb a s eo fl o a dr e c o g n i z i n g t h es e c o n dm e t h o di sb a s e do nw a v e l e tt r a n s f o r m t h ew a v e l e to fd m e y e ri su s e d t od e c o m p o s et h es i g n a l so ft h ee l e c t r i cc u r r e n tf o rf i v el a y e r s t h ee n e r g yo ft h e e l e c t r i c a lc u r r e n ta n dt h ee n e r g yo ft h ef i f t hl a y e ro fd e t a i la r ec a l c u l a t e d ，t h er a t i o s a r ec a l c u l a t e dt o o ，w h i c ha r et h eb a s et ot h er e c o g n i z i n go ft h eh i g h p o w e rl o a da n d c o m p u t e r se f f e c t i v e l ya n dc o n c i s e l y t h et h i r dm e t h o di so nt h eb a s i so fn e u r a ln e t w o r kt h e o r y w et a k et h ev a l u eo f d i f f e r e n tf r e q u e n c yw h a tc o m ef r o mt h ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r mt ot h ev o l t a g ea n dt h e e l e c t r i cc u r r e n ts i g n a l sa si n p u to f t h eb pn e t w o r ka n dw et a k et h es l i m p o w e ra n dt h e a b s t r a c t p o w e ro f c o m p u t e r sa so u t p u to f t h eb pn e t w o r k i n t e l l i g e n tm a n a g e m e n ts y s t e mo fc e n t r a l i z e dp o w e ru t i l i z a t i o ni so fb e t t e r e x t e n s i v ep e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n te l e c t r i c i t ym e t e r , i n - s i n ev o l t a g e jw a v es h a p ea n a l y s i s jf f f w a v e l e tt r a n s f o r l t l n e u r a ln e t w o r k 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得石家庄铁道学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 签名：刮哼旨日期：翌! 兰，! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石家庄铁道学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：学院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：型童宣导师签名：3 签日期：三竺兰：兰：兰 、世 第一章引言 1 1 研究的意义 第一章引言 集群式用电智能管理系统是电量的自动计量及管理发展的趋势，它将促进 电力系统的潜能得到最大限度的发挥。 基于现代网络通讯技术、微电子技术及模式识别技术，一种令新概念的智能 计量及管理信息9 【) 4 络急待完善和提高。该计量管理信息网络应用计算机技术、 通讯技术等，以智能芯片( 如c p u ) 为核心，将全电子式智能汁量与通信控制单元 有机结合起柬，由此构成的集群式供电智能管理系统可基本覆盖用电管理部门 对片j 户电能计量装置要求的所有功能，并可实现智能化的自动故障渗断。 我国高校中昔遍存在用电管理落后、电力资源严重浪费的问题，安全隐患 几益突出。长期以来，我圉高校对校办公区和学生公寓普遍实施免费电量供应， 有的还对学生公寓进行了限流定时的供电管理方法，但在用电安全和用电节约 上存在着诸多矛盾和隐患，并且不利于校后勤部门有效实现成奉管理。因此， 现有大部分地区的高校已经采用或即将采用开放用电、超额收费的办法。这样 即解决了供电与用电之闻的矛盾，同时也减轻了学校支付高额电费的负担。但 是灾施用电收费管理，一方i f i j 必将带来大量的人 = 抄表统计收费j 作，而传统 抄表方式时效性差、统计工作量大、交费手续极为繁琐、容易产生错抄、漏抄 和估抄等现象。此外，由丁用电的放丌又使得电炉予和热得快等大功率崩电器 人量进入学生公寓。山于学生公寓是人口密集、用电负载类型多样的场所。当 使丑以上大功率的电器设备时，很容易引起火灾等事故，直接威胁同学们的人 身安全和学院的财产，并且给学校带来负面的社会影响。供电与用电之i r l j 的矛 盾fi 益突出，传统的电量计量管理系统远远不能满足高校后勤管理数字化的要 求，建立集群式供电智能管理系统，是电量管理数字化的迫切需要。 1 2 国内外研究动态 1 21 集群式供电智能管理系统及负载模式识别的发展概况 随着电子技术、计算机网络技术和通讯技术的发展，人们己研制出全电子式 第一章引言 智能计量的系统【i 。i ，在计量方式上采用了远程计算机管理信息网络，基本实现 了计量的自动化和网络化，但是以往的研究都没有涉及负载类型的识别问题。 因此，对负载类型识别的研究，有助于填补这一空白。 目前，国内外研究负载模式识别的人较少。陈建章和严仰光1 6 】提出了利用微 处理器通过软件进行快速逆变换器负载性质判别与负载参数估算的方法，从而 实现对无差拍控制逆变换器的输出进行精确控制。魏武17 l 对智能交通系统中的图 像处理、模式识别和智能控制技术等关键技术进行了深入的研究并将这些技术 融合到车牌识别、车道检测和跟踪、车型识别系统的具体研究中。彭志科瞄l 用小 波尺度谱和相位谱对一些典型的旋转机械故障振动信号进行了分析研究，他们 的研究为负载识别提高了一种思路。c h e n ，cs 和h w a n g j , c 等研究了利用负 载测量系统进行用户负载识别的方法，介绍了如何运用采样理论进行采样，还 考虑了周围环境对测试结果的影响。他们的研究对简单负载参数进行了估算， 但是，这些工作没有实现自动化，因此工作量大、效率低，不适合实时控制的 需要。 为更好地满足计算及判别的自动化，应用了波形识别的概念，但在实用性、 实时性等方面有各自的缺点：王立德、郭其一| | ”j 讨论了对波形的瞬时值进行采 样并与相应的特征值进行对比，以判断设备的工作情况，对整个波形的特征并 未加以利用。王俊，张守宏j 利用窗函数对检测波形处理后经短时傅立叶变换 或小波变换获得特征值由此建立二维时频域空间，利用子空闻投影方法进行波 形分析。但此方法巾需要最优选择二维窗函数的参数，不便于波形的自动、快 速分析。马皓，徐德鸿i | “利用波形的瞬时值和频谱分析与电路的工作状态建立 联系，然后用神经网络记忆这种映射关系，并通过应用进行了刘比认为频谱分 析比波形瞬时值更适合在电力电子电路检测中应用。但它所能检测的故障类别 比较少，阻碍了此方法在负载类型识射中的应用。姜新华，会玮和范征宇川利 用d s p 按照傅立叶变换、小波分析等算法分析了测试信号的特征，并经过比对 确定系统工作状态，但没有建立系统自动比对方法。董延军，范蟠果和王磊【i 4 】 根据波形自动分析的需要，将典型波形进行傅立叶变换，所得数据形成波形模 式，继而形成典型波形空间。然后利用空间模式识别方法，把测试波形模式与 典型波形空间中的模式进行比较，按离差度给出测试波形与典型波形的匹配程 度，从而确定测试波形类型，但当测试波形发生畸变时，权值矢量比较难选择， 并且由于典型波形模式的限制，此方法的泛化能力较差。 一2 一 第一章引言 1 2 ，2 自动计量系统的通信方式现状 通讯方式的选择关系到系统的造价、工程量和维修量，甚至关系到系统的 成败。自动计量系统的通讯方式包括双绞线通讯、光缆通讯、电话线通讯、电 力线载波通讯、无线通讯、卫星通讯和有线电视通讯、蜂窝通讯、红外通讯等 多种方式。中国仪器仪表学会电磁测量信息处理仪器分会对自动计量系统的几 种通讯介质进行了详细的介绍| l ”。周游和高新华j l6 】针对国内各种自动计量系统 市场竞争激烈的现状，在介绍了自动计量系统的发展概况、现状、数据特点、 网络结构及通信方法的基础上，对几种自动计量系统进行了比较，为国内供电 企业选取自动计量系统提供了一个参考。 毕兆东 l “研究出了一种利用低压电力载波技术实现电能信秘传送的远方自 动计费系统，并提出了远方抄录自动计费系统的完整开发方案。利用电力载波 技术实现公配台架下的低压用户远方计量，集中节点同主站的通讯通道可根据 现场的具体情况选择f t u 的通讯通道、1 0 k v 线路载波或电话剧，再利用局内 网络实现与各个数据共享。j o h nn e v , b u r y 和w i l l i a nm il l e r l 研究了利用电力载 波系统的多通讯协议智能远程计量系统。文章介绍了数据在低压线上的发送和 接收，以及如何在低压配电网的任意节点上得到可靠的通讯数据和提高系统性 能的方法。k r i s h n as r i d h a r a n 和n o e ln ，s c h u l zj i g 设计了用于自动计量系统的智 能信息滤波器，这个滤波器除了提高断电数据的质量外，还能阻止错误的断电 通知。岳珂娟、李宇成和刘晓霞p oj 根据集抄系统的要求，建立了计量装置信启、 管理系统和数据库。针对系统对实时数据采集的要求，信息管理系统与数据库 模块程序通过消息表对实时数据进行相应的处理，比较好地解决了上传数据的 实时性和信息管理系统不定时使用之间的矛盾。 123 通信方式的选择 在设计远程自动计量系统时，采用何种通信方式，不仪要考虑数据传输的 可靠性、工程实施的可行性、系统兼容性几可扩展性，同时还应使系统具有投 资少、见效快、应用范围广泛等特点。 1 3 研究的主要内容 本研究课题将在以下几个方面展开工作： 第一章引言 ( 1 1 集群式供电智能管理系统的下位机软件编程。下位机的软件程序包括与 上位机串口通信、单片机数据采集和数据保存等工作。 f 2 谤t 用电过程中的负载类型进行识别。 一般情况下，电压波形为正弦波，即标准电压；当一些学生公寓由于年代 久远，供电设备和线路老化，线路容量不足时，会使电压波形产生畸变，成为 非正弦波，即削顶电压。 本课题要实现在以上两种电压波形下负载类型的识别。其目的就是限制大 功率性负载( 如电炉子、热水器等) 。但允许使用计算机负载，可以根据要求设定 限制允许使用的计算机功率的值( 一般设定为5 0 0 w ) ，当检测到用户使用非法电 器时，将立即断电，一段时间后，恢复供电，如继续使用，将再次断电，并记 录。 1 ，4 采取的措施及实现方法 ( 1 ) 集群式供电智能管理系统以上位机( p c ) 为主机，下位机( 8 9 c 5 5 w d ) 为从 机，利用r s 4 8 5 总线通过串口进行通讯，软件编程时采用c 5 】语言。 为了提高编制单片机应用程序的效率，改善程序的可读性和可移植性。采 用高级语苦无疑是一种最好的选择。c 语言既有一般高级语言的特点，又能商接 对汁算机的硬件进行操作，表达和运算能力也较强，许多以前只能用汇编语言 束解决的问题现在都可以改用c 语言来解决。c 5 i 是一种专为8 0 5 i 单片机设计 的高效率c 语言编泽器符合a n s i 标准，生成的程序代码运行速度极高，所 需要的存储空间极小，完全可以和汇编语苦想媲美口i 。 远程终端单元与计量装置之州可采用双绞线方式，微机数据转换汇总通信 接口为r s 一4 8 5 。 ( 2 ) 对用电过程中负载类型进行识别时，大体分为以下几个步骤： 首先，根据采样定律选择采样点的个数并采集各种负载类型用电时的参数， 用m a t l a b 进行仿真，录入各种负载的波形。 其次，对各种负载的波形在时域进行分析。根据电压与电流的相位关系、 波形峰、谷幅值及斜率等特征对负载波形进行分析，得到负载波形的特征参数。 此方法适用于对以上特征明显的负载波形进行判断。 再次，对各种负载的波形在频域进行分析，采取了3 种识别方法： 一d 第一章引言 在频域上对负载的波形进行f f t 变换，获取波形特征，得到不同负载波 形各频率的幅值和相位，作为特征参数，完成用电过程中负载类型的识别： 在频域上对负载的波形进行小波变换来获取波形特征，得到此种负载波 形的特征参数，完成用电过程中负载类型的识别； 采用傅立叶变换提取的负载波形各频率的幅值来训练神经网络，完成用 电过程中负载类型的识别。 5 一 第二章集群式用电智能管理系统简介 第二章集群式用电智能管理系统简介 2 1 系统的组成及功能介绍 2 11 系统的组成 集群式用电智能管理系统以上位机( p c ) 为主机，下位机( 8 9 c 5 5 w d ) 为从机。 下位机及其外围电路的硬件由输入接口板、主控板、输出通道接口板三大部分 组成，系统方框图见图2 1 。 2 1 2 系统的功能介绍 图2 1 系统方框图 集群式用电智能管理系统主要用丁- 学生公寓供电，系统的丰要功能为： ( 1 ) 电量计量。下位机通过传感器对电压电流信号采样，计算出用户的 功率和用电量。 ( 2 ) 负载类型的识别。下位机根据采样信号的特征可以实现负载类型的 识别。其目的就是限制大功率性负载( 如电炉子、热水器等) 。但允许使用计算机 负载，可以根据要求设定限制允许使用的计算机功率的值( 一般设定为5 0 0 w ) ， 当检测到用户使用非法电器时，将立即断电，一段时间后，恢复供电，如继续 使用，将再次断电，并记录。 ( 3 ) 可设定系统的异常判断参数并根据负载识别的结果，在盗电、使用 6 第二章集群式用电智能管理系统简介 大功率负载时进行异常记录。 ( 4 ) 电量结算。下位机自动完成从补助电量中扣除每天用电量的工作。 如果补助电量用完，则从交费电量中扣除。若用户欠费时间超过设定天数 或所欠电费大于一定值，系统自动停电并记录。用户续交电费后，系统自 动恢复供电。每个月的补助电量不累计，换月时自动刷新。 ( 5 ) 实时功率显示。通过上位机可显示各用户的实时功率。 ( 6 ) 系统通过上位机可以设定送电断电时间及通宵供电的宿舍。 ( 7 ) 指示灯可以显示各路通断状态。 ( 8 ) 系统掉电时备用电池自动投入运行，保证重要数据不丢失。 ( 9 ) 智能柜面板液晶显示屏，可显示该柜控制的房问号及对应房间的交 费余额和补助余额。 ( 10 ) 上位机通过网络与智能柜通信，可详细显示每个用户的日用电量、 电费余额、累订用电量、用户瞬时功率、用户当前供电状态和异常汜录等 信息。 ( 1 1 ) 上位机可以对下位机完成断合继电器、校时、设定房l u j 号和设定电量配 额的工作。 ( 1 2 ) 上位机可以设定不进行计费、不进行异常判断的特殊房问。 2 2 系统主要硬件介绍 2 2 1 输入接口板 学生公寓用电管理微机系统中有三个输入接口板，其中a 相为主接口板，b 相、c 相为从接口板，每个接口板中共有1 6 路模拟信号。每个接口板的第一路 信号为电压信号，其余为电流信号。输入接口板包括传感器、信号调理等电路。 22 1 1 d v d i 一0 0 1 型卧式穿芯小型精密交流电压电流通用互感器 f 1 ) 特点： 既可作电压互感器使用，又可作电流互感器使用； 全封闭，机械和耐环境性能好，电压隔离能力强，外形美观； 卧式穿芯，印刷线路板直接焊接安装； 7 第二章集群式用电智能管理系统简介 引出脚间距按2 5 4 m m 网格排列，适应计算机布板要求； 小巧轻便，精度高，采样范围宽，应用灵活。 ( 2 ) 使用环境条件： 环境温度：一5 5 + 8 5 ； 相对湿度：温度为4 0 。c 时不大于9 0 ： 大气压力：8 6 0 - 10 6 0 m b a r ( 约为6 5 0 8 0 0 m m h g ) 。 ( 3 ) 工作频率范围：2 0 h z 2 0 k h z 。 ( 4 ) 绝缘耐热等级：b 级( 13 0 ) 。 ( 5 ) 安全特性： 绝缘电阻：常态时大于1 0 0 0 m r 2 ： 抗电强度：3 0 0 0 v m i n ( 作电压互感器用时) ； 6 0 0 0 v m i n ( 作电流互感器用时) ； 阻燃性：符合1 5 l 9 4 v o 级。 2212 模拟信号选择及调理电路 模拟信号选择用4 0 5 1 实现。c d 4 0 5 1 是一个单端8 通道多路开关，它 有三个二进制位a 、b 、c 控制输入和一个禁止输入。三个二迸制位信号 选择8 路通道中的一路导通，并连接到8 个输入中的一路到输出。 通过2 级8 选1 多路模拟丌关c d 4 0 5 l 完成从4 8 路模拟信号选择1 路模拟信号送往a d l 6 7 4 ，进行a d 转换。具体过程如下： ( 1 1 用地址线s s 0 s s l s s 2 控制u 1 1 u l3 完成第一级模拟信号的选择， 从1 6 路模拟信号中选择出2 路信号l v 0 0 l v 0 1 送往下一级4 0 5 1 。 ( 2 ) 用地址线s s 3 s s 4 s s 5 控制u 1 2 完成第二级模拟信号的选择，从第 一级4 0 5 l 输出的6 路模拟信号l v o o l v o l l v 0 2 l v 0 3 3 l v 0 4 l v 0 5 中选 择一路模拟信号送往a d l 6 7 4 。 从第二级4 0 5 1 输出的模拟信号( a d l 6 7 4 ) 经由l m 8 3 3 构成的反相比例放大 电路放大后信号送给a d l 6 7 4 。利用4 0 5 1 的导通电阻r o n = 1 2 5 q ，和r p l 构成反 相比例放大电路。调节电位器即可调节放大倍数，以校准功率。 22 2 输出通道 学生公寓用电管理微机系统中有三个输出接口板，每个接口板中共有15 路 一8 一 第二章集群式用电智能管理系统简介 继电器。输出接口板包括多路信号分配器、拉线开关和继电器驱动等电路。 2 2 2 1 拉线开关 用c d 4 0 5 1 的导通内阻12 5 q 和r 1 2 = 1 0 0 0 q 构成史密特电路，以提高电 路的抗干扰能力。两个非门构成正反馈电路，具体原理如下： f 1 ) 假如a c l 为0 ，a a l2 3 4 为5 v ，c d 4 0 5 1 的导通内阻1 2 5 f 2 和 r 12 = 1o o o q 分压，a c l = 1 0 0 0 l1 2 5 5 v = 4 v 高于7 4 h c 0 4 的阈值电压，拉线 开关反转。 ( 2 ) 假如a c l 为1 ，a a l2 3 4 为0 v ，c d 4 0 5 l 的导通内阻12 5 q 和 r 12 = 1 ( ) o o q 分压，a c l = 1 2 5 1 1 2 5 5 v = 0 5 v 低于7 4 h c 0 4 的阈值电压拉线 丌关反转。 拉线开关处的电容是为提高电路的抗干扰能力，把高频信号滤掉。但是为 了能让拉线开关可靠反转，要求程序在操作继电器时时间要大于r c 的充放电时 间常数t = r c - 1 2 5 o 0 0 6 8 0 0 - l “s ，即继电器的控制信号时间大于1 i s 即可。 22 2 2 继电器及其驱动电路 继电器为2 4 v 直流继电器，动作电流为3 0 5 0 m a 。继电器是通过达林 顿2 8 0 4 驱动的。为了防止继电器断开时产生的高压打穿2 8 0 4 ，每个继电 器旁都加了续流二极管i n 4 1 4 8 续流。为了提高供电可靠性，电路设计时 加了强制，r 关。一 ；l 计算机矸：能控制继电器，则强制丌关闭合让z k 直接 接地，强制继电器接通为用户供电。强制开关处加二极管d y l i n 4 1 4 8 组 成或门是为了使计算机能单独控制每个继电器。假如不加一檄管，如果计 算机让某个继电器接通时，则由于强制开关把所有的继电器负极短接在一 起，会使所有的继电器都接通。加二极管d y l i n 4 1 4 8 组成或门就可单独 控制每个继电器。 用地址线b d 0 b d i b d 2 选择每个4 0 5 1 中的某一个继电器用地址线 b d 3 b d 4 b d 5 经译码器13 8 译码选择是哪一片4 0 5l 有效。 223 液晶显示 为了方便用户及时了解各户的用电情况，系统设计时用液晶显示器滚动显 示房间号、交费余额和补助余额。液晶显示选用北京青云创新科技发展有限公 一o 第二章集群式用电智能管理系统简介 司带字库的液晶显示器l c m l2 6 4 z k 。此液晶屏幕为1 2 8 x 6 4 可显示四行，每行 可显示8 个汉字。字型r o m 内含8 1 9 2 个1 6 1 6 点中文字型和1 2 8 个1 6 8 半宽 的字母符号字型，另外绘图显示画面提供一个6 4 2 5 6 点的绘图区域( ( ；d r a m ) 而且内含c g r a m 提供4 组软件可编程的1 6 1 6 点阵字功能，电源操作范围 宽( 2 7 v 5 5 v ) ；低功耗设计可满足产品的省电要求同时与单片机等微控器 的接l1 界丽灵活( 三种模式并行8 位4 位串行3 线2 线) 中文液晶显示模 块可实现汉字a s c i 码点阵图形的同屏显示。 2 2 4r s 4 8 5 通讯 r s 2 3 2 虽然被广泛接受，但其数据传送的速度、范围及网络能力化能 力等方面存在着局限性。由于r s 2 3 2 只能传输l5 m 不能满足远距离传输 要求r s 4 8 5 通过对数据信号和控制信号使用差动电压克服了这些限制，因 此选用r s 4 8 5 通讯。通讯示意图如下： 厂_ i 上, r ：i 6 r l 图2 - 2 通讯示意图 2241 瑞赛特8 5 2 0 瑞赛特8 5 2 0 能让您在配有r s 2 3 2 信号转成隔离的r $ 4 2 1 及r s 4 8 5 。 他透明的将r s 2 3 2 信号转换成隔离的r s 4 2 2 或r s 4 8 5 信号。对此，你无 斋改变p c 机的任何硬件和软件。瑞赛特8 5 2 0 能让你利用标准的p c 硬件， 束轻松构件工业级的长距离通信系统，用原有的r s 2 3 2 软件实现自动数据 流向控制的r s 4 8 5 网络 r s 4 8 5 标准支持半双工通信，也就是说用两根线来进行数据的发送和 接收，握手信号如r t s ( r e q u s ，i1 os e n d ) 通常用来控制数据流的方向。 瑞赛特8 5 2 0 有一个特殊的i o 电路用来自动判断数据流的传输方向并对 其进行切换。握手信号在这里不是必须的，仅需两根导线你就可以构件一 个r s 4 8 5 网络。r s 4 8 5 的这种控制对于用户来说是完全透明的。而且对半 双工r s 2 3 2 所写的软件无需修改就可以在r s 4 8 5 网络上使用。 一1 0 一 第二章集群式用电智能管理系统简介 2 2 4 24 8 5 转t t l 为了防止通讯线路遭雷击或其他原因而产生高电压而损坏上位机及 下位机，保证上下位机的安全运行，设计4 8 5 转t t l 时加了光耦。单片机 编程时，要注意4 8 5 在切换收发状态时，一定要延时5 m s 以上，否则通讯 不成功。4 8 5 转t t l 原理，如图2 3 所示。 2 25 主控板 图2 - 34 8 5 转t t l 原理图 主控板是本系统的核心。本系统单片机选用单片机a t 8 9 c 5 5 w d ，扩展了 一片程序存储器( r o m ) e p r o m 2 7 2 5 6 和一片数据存储器( r a m ) 6 2 6 4 。为了保证 采样数据正确设有锁相环、分频电路。外围器件设有计时模块d s l3 0 2 、1 2 c 存 储器a t 2 4 c 2 5 6 、看门狗x 5 0 4 5 和a d 等。 2251 单片机( m c u ) 根据对程序大小大概估计，以及市场供应情况，选择a t m e l 公司性 能价格比较高的单片机a t 8 9 c 5 5 w d 。a t 8 9 c 5 5 w d 是一种低功耗、高性 能的c m o s 8 位微型计算机。它带有2 0 k b 可编程和擦除的只读存储器 f l a s h ( p e r o m ) 。该器件采用高密度菲易失性存储器技术制造，与工业标准 第二章集群式用电智能管理系统简介 的8 0 c 5 】和8 0 c 5 2 的指令系统及引脚是兼容的。通过通用的8 位c p u 与 f l a s h 集成在一个芯片上，8 9 c 5 5 w d 便成为一个高效的微型计算机，它应 用范围广，可解决复杂的控制问题，且成本较低。 225 2 模数转换( a d ) 模拟转换选择a n a l o gd e v i c e s 公司的1 2 位a i d ，a d l 6 7 4 。a d l 6 7 4 是一 个完整的多用途1 2 位模拟到数字的转换器，它由一个对用户透明的片内采 样保持放大器( s h a l 、1 0 v 的电压基准、时钟和对微处理器接口的三态输 出缓冲器这几个部分组成。 a d l6 7 4 与工业标准的a d 5 7 4 和a d 6 7 4 的引脚兼容，但它包含了采 样功能同时还提供了更快的转换速率，它支持了转换器在全奈奎斯特带宽 范围内的1 2 位精度。 2253 2 c 存储器( r o m ) a t 2 4 c 2 5 6 i ! c 存储器选用美国a r i m e l 公司的二线串行电擦写可编程只读存储 器a t 2 4 c 2 5 6 。a t 2 4 c 2 5 6 提供了3 2 k b 串行电擦写可编程只读存储器。 a t 2 4 c 2 5 6 允许4 个器件共用这二条串行总线。a t 2 4 c 2 5 6 非常适用于工业、 商业中要求低功耗，低电压的场合中。额定电压有5 v 、27 v 、2 5 v 、1 8 v 四种版本。 2 25 4 日历时钟芯片( d s l 3 0 2 ) 同历时钟芯片选用美国达拉斯公司的涓流充电时间芯片d s l3 0 2 主要 用来产生一个包括年、月、日、时、分、秒的时钟。涓流充电串行| = _ ；i 历时 钟芯片d s l3 0 2 系美国d a l l a s 公司生产。它可以对年、月、同、时、分、 秒进行计时，有闰年补偿功能：内部有一个3 1x8 r a m 区域，用于i 临时性 存放数据：采用三线串口与单片机进行串行通信并且可以采用突发方式， 一次传送多个字节的时钟或r a m 数据；低功耗，在2 v 时电流小于3 0 0 n a 功耗不到l m w ：工作电压范围宽达2 0 5 5 v ，有主要电源和后备电源引 脚，特别是具有对后备电源进行涓细电流充电能力。计时准确，功耗低， 体积小，并且有掉电保护功能，使用方便，性价比高。 第二章集群式用电智能管理系统简介 2 2 5 5 锁相环( c d 4 0 4 6 ) c d 4 0 4 6 b 低功耗锁相环( p l l ) 包括一个小功率、线性电压控制振荡器 ( v c o ) 和两个不同的相位比较器，- 他们有同样的信号输入放大器和同样的 比较器输入。v c o 需要一个外加电容c 1 和一个外加电阻r 1 或两个外加 电阻r l 和r 2 。电阻r l 和电容c l 决定的v c o 振荡频率范围。v c o 能够 直接或通过分频器连接到相位比较器的输入端。一个全c m o s 逻辑振幅在 v c o 的输出是可以得到的，并能直接耦合到c m o s 频率分配器上，逻辑 “0 ”加于i n h i b i t 输入使v c o 和源跟随器使能。 2 3m a t l a b 介绍及负载波形的采集 2 3 1 m a t l a b 介绍 m a t l a b 是m a t r i xl a b o r a t o r y ( 矩阵实验室1 的缩写“，是一套用于科 学工程计算的可视化高性能语言与软件环境。它集数值分析，矩阵运算， 信号处理和图形显示于一体，构成了一个界面友好的用户环境，在这个环 境中，问题与求解都能方便的用数学语言( 主要是矩阵形式) 表现出来。它 经过几十年的扩充和完善，已成为各类学科研究与工程应用的标准工具， m a t l a b 具有强大的矩阵处理功能，可以直接对矩阵进行各种复杂的运 算，非常适合需要进行大量矩阵地方，m a t l a b 被广泛应用于数学计算， 控制系统，信号处理等地方。 m a t l a b 信号处理工具箱包含了各类经典和现代的数字信号处理技 术，是一个非常优秀的算法研究与辅助设计工具，它在语音信号处理，生 物医学工程，实时控制和雷达信号处理等多个研究领域得到成功的应用。 23 2 负载波形的采集 a d 采样采用1 2 位的a d l 6 7 4 ，转换速度是1 0l as ，采样频率为6 4 0 0 h z ，采 样点个数为1 2 8 个。为了更好的表示负载信号电流波形与电压的关系，负载波 形中同时采集了电压、电流信号的波形。 第三章基本理论介绍 第三章基本理论介绍 3 1 傅立叶变换理论简介 在信号分析中，为了简化信号特征参数的提取，经常将信号从时域表示转 移到某一变换域表示，即为信号进行线性变换23 1 。傅立叶变换是时域到频域互 相转换的工具，从物理意义上讲，傅立叶变换的实质是把函数的波形分解成许 多不同频率的_ j f 弦波的叠加和【2 4 】。 311 离散傅立叶变换 离散傅立叶变换( d f t ) 开辟了频域离散化的道路，使数字信号处理也可以在 频域上采用数字运算的方法进行，大大增加了数字信号处理的灵活性，特别是 因为它有多种快速算法，统称为快速傅立叶变换，使信号的实时处理和殴备的 简化得以实现，所以，离散傅立叶变换不仅在理论卜有重要意义，而且在各种 数字信号处理中起着核心作用”1 。 3 1 1 1 周期序列的傅立叶表示离散傅立叶级数 一个周期为n 的周期序列x p ( n ) m o m ) ，对于所有”满足 x 。( ) = x 。( 十k n ) ，k 为整数， ( 3 1 ) 式中，为正整数。 周期序列_ ( ”) 在整个 = 一o c 到o 。范围内周而复始永不衰减，但仅有、 个样本值是独立的，取其中一个周期内的个样本足以表征整个序列的特 征，因此可以定义月= 0 到一l 的周期区间为k ( ”) 的主值区问，由主值区 间内n 个样本组成的有限长序列x ( ”) 成为x p ( ”) 的主值序列，即 x ( h ) = x p ( n ) r n ( 月) ( 3 2 ) 这一过程称为取主值序列，因此对于一个有限长序列 m ，= 憎畦”巍1 第三章基本理论介绍 如将其以v 为周期进行周期性延拓，则可得 ( ”) 2 互x ( n + r n )( 3 3 ) = 工( ( n ) ) 。= x ( n m o d ) 式中，f i n ) ) 。和( n m o da r 】) 均表示模运算，即取余数运算。 由于( ”) 是周期函数，所以周期序列可以像时间连续周期信号那样展 开成傅立叶级数 咄= k c o 。，t 次谐波的角频率； ，= 2 ；r a 7 基频角频率： 玑女次谐波的幅度。 2 t 考虑到c7 _ - “也是一个周期为的周期序列式( 3 4 ) 可改写为 、i：_ ( ”) = 嘶p 。i “7 ( 3 5 = 0 2 ： 将式( 3 4 ) 两边乘以f 。、“7 ，x , tn 在- c n 期中求和，有 因为 、一i x ，( 咖 n ；0 芝芝q 。净 。， ”一olk = o d 艺q 渗* ” 篓。，警 ，= t 苫。k 一- ，? , = 。m n 所以，式( 3 6 ) 成为 q ：1 n - i ( 。e - 和 显然，a k 也是- - 4 n n n ”为的周期序列，即 一1 5 一 f 3 7 ) ( 3 8 ) 4 肌 。 = 生、 q 唯 。 = = 0 数整意任 一 中式 第三章基本理论介绍 n k = o k 。n 令x 。( 女) = n a k 并代入式( 3 8 ) ，得到 4 ( ) ：艺( 咖( 3 - 9 ) 。y ( 女) 也是一个以a r 为周期的周期序列，称为周期序列一、。( n ) 的离散傅 立叶级数系数。将吒= x ，( 女) n 代a ( 3 5 ) 得 ( ”) ：1 n - i x ，( ) p ，警“( 3 - l o ) 一般称式( 3 9 ) 和( 3 1o ) 为离散傅立叶级数( d f s ) 对，式3 9 ) 称为d f s 正变换，式( 3 1 0 ) 称为d f s 反变换( i d f s ) ，爿。( ) 和x 。( ) 都是p 1 丁“的函数， 通常令 一 h 0 = e 。、 ( 3 1 1 ) 并称之为旋转因子，又因为k ，”及都为整数，使玎? 具有： 周期性 f r ? 7 = ：“、”7 - - w , ”“； 对称性 i “7 = ( ? 7 ) = 畎- h ) n = w 、k 、。”； 正交性 篙n - i 畔n 墨笔 以及当n = r m 时 缈= f 以， w 、o = 1 件2 = 一1 w = 一j 等等，上述特性为其分析与计算提供了十分方便的条件。 将( 3 - 11 ) 代入式( 3 9 ) 年f l 式( 3 一lo ) 得 v j d f s x p ( n ) = 坼( 女) = ( ) 时 ( 3 12 ) n i d f s x ，( ) 】_ 【h ) = l 爿，( 女) 町“ ( 3 - 13 ) = o 1 6 第三章基本理论介绍 由此可见，由于时域、频域的双重周期性，使d f s 和i d f