大功率电器智能识别与安全用电控制器的设计

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1、天 津 大 学 网 络 教 育 学 院专科毕业论文题目：大功率电器智能识别与安全用电控制器的设计完成期限：2016年1月8日 至 2016年4月20日学习中心：嘉兴专业名称：电气自动化技术学生姓名：计建国学生学号：132092433052指导教师：李娜娜编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第47页 共48页大功率电器智能识别与安全用电控制器的设计第1章 绪论随着高等教育的普及，高校的扩招，在校学生人数增长的激增，尤其是伴随着学生生活条件的不断改善，越来越多的电器，如电脑、电视机、热水器、饮水机等正逐步走进学生公寓，这就要求对学生开放用电，而且高校后勤的社会化也势在

2、必行；目前各高校都在进行后勤社会化改革，急需采用高科技手段加强用电管理。现在国内已有多家公司开发、生产学生公寓用电智能管理控制系统，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。1.1 用电管理的意义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，一种全新概念的智能计量及管理信息网络急待完善和提高。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CPU)为核心，将全电子式智能计量与通信控制单元有机结合起来，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用

3、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诊断。我国高校中普遍存在用电管理落后、电力资源严重浪费的问题，安全隐患日益突出。长期以来，我国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间的矛盾，同时也减轻了学校支付高额电费的负担。但是实施用电收费管理，一方面必将带来大量的人工抄表统计收费工作，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

4、等现象。此外， 由于用电的放开又使得电炉子和热得快等大功率用电器大量进入学生公寓。由于学生公寓是人口密集、用电负载类型多样的场所。当使用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。供电与用电之问的矛后日益突出，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，建立智能配电管理系统，成为大势所趋1。管理系统可以实现对整个公寓的集中监控，可实现学生公寓各房间用电量自动检测计量、超预置电量自动断电、非法用电自动识别、短路、过流保护、欠费自动提示等功能，可使公寓用电管理自动化、智能化，提高公寓管理水平，实现安全、节能、增效

5、。1.2 用电管理的发展及前景随着电子技术、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智能计量系统，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。但也取得了一定的成果，主要是以下几个方面：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。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

6、别系统的具体研究中。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。其他的还有如利用负载测量系统进行用户负载识别的方法，介绍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。这些研究虽然简单的对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:虽然讨沦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，但对整个波形的特征并未加以利用。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

7、频域空间，利用子空间投影方法进行波形分析。但此方法中需要最优选择_维窗函数的参数，不便于波形的自动、快速分析。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，并通过应用进行了对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别中的应用。利用DSP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。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

8、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2。对于系统涉及到的通信方式，它的选择直接关系到系统的造价、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。通过对用电管理系统的深入研究，我们发现可以在用电管理系统的基础上实现整个公寓，甚至整个小区的智能化管

9、理。目前已经有了许多类似的管理系统已经应用到楼宇自动化中，而且现行的许多智能住宅小区也实现了远程抄表、煤气、用水管理及自动保安报警等服务，可见智能管理日后必将成为以后楼宇建设的普遍标准。 智能小区是在智能化大楼的基本含义中扩展和延伸出来的，它通过对小区建筑群四个基本要素(结构、系统、服务、管理以及它们之间的内在关联)的优化考虑，提供一个投资合理，又拥有高效率、舒适、温馨、便利以及安全的居住环境。由于“智能化”是一个相对的概念，“智能化”技术本身也正在不断地发展、完善、直至成熟，因此智能小区智能化是一个过程，它应当随着智能化技术的发展和人们需求的不断增长而增长。总的来说，智能小区是利用现代4C(

10、即计算机、通讯与网络、自控、IC卡)技术，通过有效的传输网络，将多元信息服务与管理、物业管理与安防、住宅智能化系统集成，为住宅小区的服务与管理提供高技术的智能化手段，以期实现快捷高效的超值服务与管理，提供安全舒适家居环境。系统不仅要实现对小区的住户管理、信息查询，而且实现小区的自动抄表系统。小区用户水、电、煤气三表输出的脉冲信息由智能控制器读出，再通过Lon网络传输到小区的管理中心，管理中心读出三表读数，并打印出来。先进的可以与银行连接，定期通过银行系统扣费，从而实现远程抄表与自动扣费结合。此外，在原系统的基础之上，通过扩展，可以实现用电营业管理系统。代替传统人工方式的用电管理，这种管理方式存

11、在着许多缺点,如：效率低、保密性差,另外时间一长,将产生大量的文件和数据,这对于查找、更新和维护都带来了不少的困难。随着科学技术的不断提高,计算机科学日渐成熟,其强大的功能已为人们深刻认识，因此有必要进行计算机管理。他不但具有传统用电管理的优点，还有以下几个优点：(1) 提供多种客户服务和服务项目，以提高优质服务水平。(2) 实现数据的一致性。(3) 实现管理流程的必要约束。(4) 实现主要业务的质量控制(5) 提高管理的效率。1.3 课题的来源及主要研究内容1.3.1 课题来源本课题应学校学生公寓的建设需要，对学生宿舍的用电管理一直以来就存在许多问题进行解决。目前很多学生喜欢用电热杯、热得快

12、甚至电炉之类的一些大功率电器，容易引发安全事故。而且市场上有不少产品的质量、安全性很难得到保证。对于这些电器的使用应加以限制，保护学生的生命财产安全。同时，一些学生节约用电的意识淡薄，这样往往容易造成一些电能的不必要浪费。高效的电能管理能减少电能的浪费。1.3.2 主要研究内容本研究课题将在以下几个方面展开工作:(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。(2) 对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，

13、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500W),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。第2章 系统的组成及功能介绍2.1 系统的主要组成如图2.1所示，整个设计系统由上位计算机、中继器模块、数据检测模块、控制模块以及继电器执行模块等几部分组成。其中数据检测模块主要完成对原始数据的采集，经过整流滤波，信号调理后，通过A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，然后送到控制模块中的单片

14、机进行分析处理，判断是否学生宿舍使用了大功率电器；并将分析结果送到继电器执行模块。而继电器执行模块则主要是执行单片机送过来的控制命令：通断电。中继器模块则是数据检测及控制模块和上位计算机之间进行数据传递的桥梁；上位计算机则主要是人性化的显示各用电参数，并通过它进行数据的调用和控制。图2.1 系统总体的框图2.2 系统及各主要模块的介绍首先本系统设计的功率智能控制器是接在房间回路的主干线上。通过电流互感器采集主电路中的电流信号，经过整流、滤波以及信号调理，送到A/D转换芯片TLC2543转换成数字信号，然后送到单片机中，根据编制好的程序进行分析，处理。其中程序一般要具有以下特点：首先根据功率单个

15、最小禁用电器接入时的功率，来设定单个电器的上限值（一般单个功率都不大于300W）。由于常规小功率电器接入时，电流的瞬间变化量将不会超过设定值，所以电路能正常供电。但是当有单个功率在设定值以上的电器接入时，瞬时电流的变化量将超过允许使用单个电器的上限值，单片机主控器将记忆该值。为了防止由于冲击电流或电网干扰等原因产生的误动作，在规定的时间内将连续采样N次，通过进一步的比较和分判断，确保一旦有大功率电器接入，立即进行跳闸停电操作。通过设置总功率上限值，一方面可限制总用电功率，另一方面可实现用电安全保护。该控制器还可以配合其他控制器来设置触电、过载、短路等保护功能，更加有效的防范了一些用电安全事故的

16、发生，确保学生的用电安全。2.2.1 数据检测模块数据检测模块包括电流互感器、电压形成放大电路、整流滤波电路和信号调理电路。该控制器采用的是由简单的电流负感器采样，经桥式整流、滤波后再经过一个简单的限幅保护电路直接将线性的电压信号送至A/D转换器。其限幅保护电路主要是用来保护A/D芯片，2.2.2 控制模块控制模块主要由A/D转换器，单片机，时钟电路和复位电路组成。A/D转换器主要是进行模数的转换。单片机主要实现对A/D转换器输入的信号进行分析、处理，其中系统的算法就是在这里完成的。它是整个控制系统的核心。时钟电路和复位电路，顾名思义，分别是提供时钟周期和进行复位的。2.2.3 继电器执行模块

17、继电器执行模块是光电耦合器，三极管以及继电器等组成的。当控制信号从单片机出来后，先经过光电耦合器进行强弱电的隔离，而后又经三级管放大来驱动继电器动作。通过继电器的断和闸来实现房间的通断电。2.2.4 中继模块中继模块主要是为了实现众多单片机和上位机之间的通信。考虑到传输距离和可靠性等因素，故决定在单片机和中继模块之间采用RS485总线进行传输。然后通过中继模块内的RS485和RS232转换器将RS485成RS232标准，和上位机进行通信。其中两种标准分别如下：RS232是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）于1962年制定并于1969年最后一

18、次修订而成的一种串行总线的物理接口标准，此标准规定了串行传输中，主控摸板与从属模块间的物理连线线路的机械、电气、功能和过程等特性双端都必须遵守的共同约定。RS232的标准总线为25线，不过在实际应用中并非25条线全都用到，如果只有一个终端，删去未定义的和专用与同步传输的信号线，RS232中常用的信号线只有9条。一般使用上的计算机都是用9针插座作为异步通讯的连接器3。RS485是一种电气标准，而不是象RS232那样既是物理标准又是电气标准。RS485标准规定，无论是发送还是接收数据，均用两条线传输双端（差分）信号。该标准允许驱动器（发送端）输出为2V6V，接收器可以检测到200mV的输入信号电平

19、。RS485是半双工，在某一时刻发送另一时刻接收，当用于多即互连时，可以节省信号线，便于高速远距离传送3。第3章 系统的硬件设计3.1 数据检测模块的设计数据检测模块包括电流互感器、电压形成放大电路、整流滤波电路和信号调理电路。该控制器采用的是由简单的电流负感器采样，经桥式整流、滤波后再经过一个简单的限幅保护电路直接将线性的电压信号送至A/D转换器。其限幅保护电路主要是用来保护A/D芯片。数据检测模块如图3.1所示。电流互感器电压形成放大电路整流滤波电路信号调理电路限幅保护电路图3.1 数据检测模块本模块电路的核心部件是电流互感器，它实时的采集着目标房间的电流瞬时变化。电流互感器是将一次回路的

20、大电流成正比的变换为二次小电流以供给测量仪器、仪表、继电保护及其他类似电器。电流互感器的基本电路如图3.2所示。电流互感器的一次绕组和二次绕组饶在同一个磁路闭合的铁心上。如果一次绕组带电而二次绕组开路，则互感器成为一个带铁心的电抗器。一次饶组中的电压降等于铁心磁通在该绕组中引起的电动势，铁心磁通也在二次绕组中感应出相应的电动势。如果二次绕组回路通过一个阻抗形成回路，则二次回路中将产生一个电流， 图 3.2 电流互感器基本电路电流在铁心中产生的磁通趋向于抵消一次绕组 Ip一次电流；Is二次电流； 电流产生的磁通。忽略误差时，二次回路电流 N1一次绕组；N2二次绕组；与一次回路 电流之比等于一次绕

21、组匝数与二 Zp负荷阻抗次绕组匝数之比。 电流互感器的用途是实现被测电流值的变换，与普通变压器不同的是其输出容量很小。一般不超过数十伏安，供给电子仪器或数字保护的互感器，输出功率可能低到豪瓦级。一组电流互感器通常有多个铁心，即具有多个二次绕组，提供不同的用途。中压（如10kv级）的某些类型电流互感器，可能只有1-3个二次绕组。而超高压的电流互感器的二次绕组可能多达6-8个。电流互感器的一次绕组通常串联与被测量的一次电路中，二次绕组通过导线或电缆接仪表及继电保护等二次设备。电流互感器二次电流在正常运行及规定的故障条件下，应与一次电流成正比，其比值和相位误差不超过规定值。电流互感器的规定一次电流和

22、额定电流是作为互感器性能基准的一次电流和二次电流。电流互感器按其用途和性能特点分为两大类：一类是测量用互感器，主要在电力系统正常运行时，将相应电路的电流变换供给测量仪表，积分仪表和其他类似电器，用于运行状态监视、记录和电能计量等用途。另一类是保护用互感器，主要在电力系统非正常运行和故障状态下，将相应电路的电流变换供给继电器保护装置和其他类似电器，以便启动有关设备清除故障，也可以实现故障监视和故障记录等4。测量用和保护用两类电流互感器的工作范围和性能差别很大，一般不能共用。但可以组装在一组电流互感器内，由不同的铁心和二次绕组实现测量和保护功能。电流互感器的用途是实现被测电值的变换，与普通变压器不

23、同的是其输出容量很小。一般不超过数十伏安，供给电子仪器或数字保护的互感器，输出功率可能低到毫安级。系统所用电路如图3.3所示：图 3.3 电流互感器及检测电路3.2 控制模块的设计3.2.1 单片机的介绍及选择AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89

24、C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。如图3.4所示：(1) 主要特性： 与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年 全静态工作：0Hz-24Hz 三级程序存储器锁定 128*8位内部RAM 32可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 片内振荡器和时钟电路 图3.4 AT89C2051引脚(2) 管脚说明 ： VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一 次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以

25、被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电

26、流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口。如表所示： 各管脚的备选功能 P3.0 RXD

27、（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频

28、率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时

29、，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。(3) 振荡器特性： XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 (4) 芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正

30、确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。3.2.2 控制模块的设计数据检测模块采集到的目标房间电流变化的模拟量经A/D转换送给单片机，采用12位串行A/D转换器TLC2543。TLC2543是有11个模拟量输入通道的1

31、2位开关电容逐次逼近A/D转换器，具有转换速度快、稳定性好、与单片机接口简单，且性价比好等优点。可通过一个三态的串行输出端与主处理器或其他外围串行高速传输数据。该器件片内含有一个14通道模拟开关，可选择11路模拟量输入中的任意一个或三个内部自测电压中的一个。片内产生转换时钟并由片I/O CLOCK同步。在允许的工作温度范围内A/D转换时间小于10us。片内还设有采样保持电路。器件的基准电压有外部电路提供。其A/D转换输出数据的长度和格式可编程为以下几种方式：(1) 单极性或双极性输出（有符号的双极性，对应与所加基准电压的1/2）。图3.5 TLC2543管脚功能(2) MSB（D11位）或LS

32、B（DO位）作前导输出。 (3) 可变输出数据长度（8位、12位、16位）。TLC2543有20个引脚，多种封装形式，其管脚排列如图3.5所示。管脚功能及说明如下： AIN0AIN10：11个模拟输入端，输入电压范围：0。3-（Vcc + 0.3V）。对4.1MHZ的I/O时钟，驱动源阻抗必须小于或等于50欧。 CS：片选端。CS的下降沿，将复位内部计数器，并控制和使用DATAO、DATAI和CLOCK；CS的上升沿，将在一个设置时间内禁止DATAI和CLOCK信号。 DATAI：串行数据输入端，8位控制字以MSB为前导从该端输入。前4位串行地址选择下一个即将被转换的模拟输入或测试电压；后4位

33、用于选择输出数据的长度和格式。 DATAO：用于A/D转换结果输出的三态串行输出端。DATAO在CS为高电平时处于高阻状态，而当CS为低电平时可输出数据。当CS有效时，CLOCK的下降沿将上一次的转换结果的各位从DATAO端依次移出。 EOC：转换结束信号，输出。在I/O周期的最后一个CLOCK下降沿后，EOC从高电平变为低电平，并保持低电平直到转换完成及数据准备传输。 CLOCK：输入/输出时钟端。CLOCK接收串行输入并完成以下功能：在CLOCK的前八个上升沿，将八个输入数据位移入输入数据寄存器，其中前4位为模拟通道地址；CLOCK的第四个下降沿开始对所选通道信号进行采样；CLOCK的下降

34、沿将前一次转换的数据的其余位依次移出DATAO端；在I/O周期CLOCK的最后一个下降沿使EOC变低并开始A/D转换。 REF+：正基准电压端。基准电压的正端（通常为Vcc）被加到REF+。最大的输入电压范围取决于加在本端与加在REF-端的电压差。 REF-：负基准电压端，即基准电压的低端。 Vcc：正电源端。通常接+5V，GND为电源接地端。其工作特性图如图3.6所示：图3.6 TLC2543工作特性TLC2543与单片的接口电路如图3.7所示。VCC+5VVCCP1.3DATAOUTP1.5P1.4ADDRESSI/O CLOCK P1.2CS TLC1543GNDGNDATC892051

35、图 3.7 TLC2543与单片机接口电路系统中我们选用AT89C2051单片机。该芯片的功能与MCS-51系列单片机完全兼容，并且还具有程序加密等功能，物美价廉，经济实用。从上节管脚说明可看出，AT89C2051没有提供外部扩展存储所需的地址锁存和读写控制信号。因此，利用AT89C2051构成的单片应用系统时，不能象AT89C51那样扩展存储器等设备，可以根据情况与I2C或SPI串行总线设备接口。系统中各I/O管脚功能分配见表3.1：表3.1 系统I/O管脚功能表接出接入功能接出接入功能P1.0发光二级管工作指示灯P3.0485 RO接收输入P1.1485 DE*RE收发控制P3.1485

36、DI发送输出P1.2A/D CS端片选信号P1.5A/D DINPUT数据输出P1.3A/D I/O CLK脉冲信号P1.6A/D EOC转换结束信号输入P1.4A/D DOUT数据输入P1.7光耦合器4N25继电器驱动信号3.2.3 时钟与复位电路单片机工作的时间基准是由时钟电路提供的。在单片机的XTAL1和XTAL2两个管脚，接一只晶振及两只电容就构成了单片机的时钟电路，如图3.8所示。单片机的复位方式有上电自动复位和手工复位两种，图3.9所示是51系列单片机常用的上电复位和手动复位组合电路，只要VCC上升时间不超过1ms，它们都能很好地工作。图3.8 时钟电路 图3.9 复位电路3.3

37、继电器执行模块3.3.1 光电耦合器的介绍光电耦合器是一种把电子信号转换成为光学信号，然后又回复电子信号的半导体器件。当电流移向电耦合器的输入面（图3.10），光学信号由发光二极管输出 。输出面的光学感应器察觉之，同时电流移动。 图3.10 电耦合器的操作原理图3.11 电耦合器当超过原定水平的电流输入电耦合器的初级面，次级面则接地，以及0V输入微型电脑。敬请留意，由於衔接电耦合器初级面和次级面的电流供应有异，噪音可 被过滤，同时避免干扰信号的传送。3.3.2 光电耦合电路在本单片机应用系统中，需驱动继电器工作，为了防止电器干扰信号从前向和后向通道进入系统，在接口处设置了光电耦合器，以改善单片

38、机应用系统的工作环境，电路如图3.12所示。P1.7图3.12 光电耦合及继电器驱动电路3.3.3 继电器电路的设计继电器电路是整个模块的核心部分，其电路图如图3.12所示，当系统检测到房间使用了大功率电器，或者当上位机发出断电信号时，光电耦合器不工作，没有放大电流产生，三极管没有放大电流的产生，是继电器吸和的常闭触点断开，常开触点闭合，房间断电。 3.4 中继模块的设计在用电管理系统中,数据、指令的通讯是不可替代的部分，是整个系统功能实现的关键，必须具有良好的通讯准确性、抗衰减性。系统中的通讯即包括主控计算机与单片机之间的通讯。3.4.1 模块总线标准的确定 在自动化领域，随着分布式控制系统

39、的发展，迫切需要一种总线能适合远距离的数字通信。在RS-422标准的基础上，EIA研究出了一种支持多节点、远距离和接收高灵敏度的RS-485总线标准。RS-485标准采有用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线，具体规格要求： (1) 接收器的输入电阻RIN12k(2) 驱动器能输出7V的共模电压(3) 输入端的电容50pF(4) 在节点数为32个，配置了120的终端电阻的情况下，驱动器至少还能输出电压1.5V（终端电阻的大小与所用双绞线的参数有关）(5) 接收器的输入灵敏度为200mV（即（V+）-（V-）0.2V，表示信号“0”；（V+）-（V-）-0.2V，表示信号“1”）因为RS

40、-485的远距离、多节点（32个）以及传输线成本低的特性，使得EIA RS-485成为各种应用系统中数据传输的首选标准。其中影响RS-485总线通讯速度和通信可靠性的三个因素：1、在通信电缆中的信号反射；2、在通讯电缆中的信号衰减；3、在通讯电缆中的纯阻负载3.4.2 系统使用的MAX485芯片介绍MAX485接口芯片是Maxim公司的一种RS485芯片。采用单一电源+5V工作，额定电流为300A，采用半双工通讯方式。它完成将TTL电平转换为RS485电平的功能。其引脚结构图如图1所示。从图中可以看出,MAX485芯片的结构和引脚都非常简单,内部含有一个驱动器和接收器。RO和DI端分别为接收器

41、的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可；/RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当/RE为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，器件处于发送状态，因为MAX485工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可；A端和B端分别为接收和发送的差分信号端，当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1；当A的电平低于B端时，代表发送的数据为0。在与单片机连接时接线非常简单。只需要一个信号控制MAX485的接收和发送即可。同时将A和B端之间加匹配电阻，一般可选100的电阻。标准转换的具体做法是先利用MAX232将RS232标准转化为TTL电平

42、，再利用MAX485将TTL电平转换成RS485标准。图3.13为接口转换器的电路图。图3.13 中继器电路图3.4.3 多机通信通信过程的协议要根据不同的应用场合，来制定不同的协议，有些协议是很复杂的。在设计中我们规定了如下几条简单的协议5： 系统中允许接有255台从机，它们的地址分别是00HFFH。 地址FFH是对所有从机都起作用的一条控制命令：命令各从机恢复SM=2的状态 主机发出的控制命令代码为：00H：要求从机接收数据块01H：要求从机发送数据块其他：非法命令 数据块长度：16个字节 从机状态格式为：D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0ERR00000TRDYRRDY其中：

43、若ERR=1，表示从机接收到非法命令 若TRDY=1，表示从机发送准备就绪 若RRDY=1，表示从机接收准备就绪下面我们给出了串行通信的程序框图，主程序部分是以子程序的发式给出，要进行串行通信时，可以直接调用这个子程序。主机在接收或发送完一个数据块后可返回主程序，完成其他任务。从机部分以串行口中断服务程序的发式给出，若从机为做好接收或发送数据的准备，就从中断程序中返回，在主程序中做好准备。故主机在这种情况下不能简单地等待从机准备就绪，而要重新与从机联络，使从机再次进入串行口中断7。图3.14 多机通信主机程序流程图，图3.15 多机通信从机程序流程图。图3.14 多机通信主机程序流程图图3.1

44、5 多机通信从机程序流程图3.5 电源电路设计本系统的功率识别控制器直接接入房间的220V交流电网中，给单片机提供电源时需进行整流和稳压处理，因控制器还需驱动继电器电源的设计分两部分。一部分输出+5V给单片供电，一部分输出+12V给继电器供电，具体电路如图3.16所示。图3.16 电源电路MC78XX是常用的线性稳压器系列，它的封装格式一般为TO-220。MC78XX的XX即表明了输出电压。这种器件的输出电流高达1A，而静态电流在5mA和8mA之间。MC78XX元件的另外一个特性是超载和短路保护。如果要输出负电压，就用MC79XX稳压器，其用法和MC78XX类似。7800系列的集成稳压器广泛应

45、用于各种整流和电路板电源上。其稳压输出电压从+5V+24V有七个档次；加散热装置后其额定电流可以达到1.5A.稳压器内部具有过流、过热和安全工作区保护电路，一般不会因过载而损坏。一般在电路中加上电容用于抑止过压和波纹或改善负载瞬态响应。为保证稳压器能正常工作，对输入直流电压也有要求，一般要求输入直流电压比输出直流电压高出23V，不宜高出太多，高出太多使稳压器功耗过大，易损坏稳压器。整流二极管D1和D2用来保证电路整流的进一步可靠。两个发光二极管用来监视两个电源的工作情况。电源参数计算与元件的选择：通过查阅电工手册，我们找到小功率整流电源的电量关系如表3.2表3.2 小功率整流电源的电量表电路名

46、称单相桥式输出直流电压Uz电阻或感性负载0.9 U2有电容滤波空载1.41U2负载1.1U2整流变压器二次侧电压有效值U2电阻或感性负载1.11Uz有电容滤波空载0.707Uz负载0.91Uz整流变压器二次侧电流有效值I2电阻负载1.11Iz无限大电感负载Iz整流变压器二次侧容量P2电阻负载1.23UzIz无限大电感负载1.11UzIz整流变压器一次侧容量P1电阻负载1.11UzIz无限大电感负载1.23UzIz 下面，我们先计算+12V电源的参数。当要求输出+12V的电压时，稳压芯片MC7812输入端的电压设为+14V，桥路经过一个整流二极管即为稳压芯片MC7812输入端的电压+14V，所以

47、桥路输出直流电压Uz为14.7V。由此可以求得整流变压器二次侧电压有效值 U2=0.91Uz=0.91*14.7=13.38V我们设输出直流电流为Iz=1A，所以整流变压器二次侧电流有效值I2=1.11Iz=1.11*1=1.11A （按电阻负载估算）所以变压器一次侧和二次侧容量P1=P2=1.23*14.7*1=18.08（伏安）同理可以求得+5V电源的参数为 U2=0.91*7.7=7.01V I2=1.11*1=1.11A P1=P2=1.23*7.7*1=9.47（伏安）变压器的总功率 P=18.08+9.47=27.55 （伏安）确定变压器型号:本电源电路采用变压器变压后，再运用桥式

48、整流电路将电网和UPS提供的交流电压转换为直流电压。在选择变压器型号和桥式整流电路时需要进行参数计算。通过查阅电工手册，我们找到小功率整流电源的电量关系见表3.3表3.3 小功率整流电源的电量表电路名称 单相桥式输出直流电压Uz电阻或感性负载0.9 U2有电容滤波空载1.41U2负载1.1U2整流变压器二次侧电压有效值U2电阻或感性负载1.11Uz有电容滤波空载0.707Uz负载0.91Uz整流变压器二次侧电流有效值I2电阻负载1.11Iz无限大电感负载Iz整流变压器二次侧容量P2电阻负载1.23UzIz无限大电感负载1.11UzIz整流变压器一次侧容量P1电阻负载1.11UzIz无限大电感负

49、载1.23UzIz下面，我们先计算+12V电源的参数。当要求输出+12V的电压时，稳压芯片MC7812输入端的电压设为+14V，桥路经过一个整流二极管即为稳压芯片MC7812输入端的电压+14V，所以桥路输出直流电压Uz为14.7V。由此可以求得整流变压器二次侧电压有效值 U2=0.91Uz=0.91*14.7=13.38V我们设输出直流电流为Iz=1A，所以整流变压器二次侧电流有效值I2=1.11Iz=1.11*1=1.11A （按电阻负载估算）所以变压器一次侧和二次侧容量P1=P2=1.23*14.7*1=18.08（伏安）同理可以求得+5V电源的参数为 U2=0.91*7.7=7.01V

50、 I2=1.11*1=1.11A P1=P2=1.23*7.7*1=9.47（伏安）变压器的总功率 P=18.08+9.47=27.55 （伏安）设变压器的原边和副边电压分别为U1和U2,电流分别I1和I2,匝数为W1和W2。所以，根据变压器原理有 U1/ U2= W1/ W2 I1/ I2= W2/ W1在确定线圈匝数时，要先计算每匝电压Et=4.44fBmSt *10-8（伏/匝）式中： Bm铁芯柱内磁通密度；对冷轧钢片Bm取13001500高斯，热冷轧钢片Bm取10001300高斯，容量小Bm取小值，容量大取大值；Ps为容量；f为50Hz。我们根据电工手册选择St=32Ps/2 Et=1

51、.2（伏/匝）计算绕组匝数 W=Uxa/Et式中： W一次侧或二次侧绕组匝数； Uxa一次侧或二次侧空载相电压。所以 二次侧绕组匝数n1 =U2/Et= 12 n2 =U2/Et=5 最后我们选用额定功率为30W，高压侧可承受220V电压的变压器。二极管选用可承受50V电压，额定电流为2A的二极管。稳压芯片采用摩托罗拉公司生产的MC7812和MC7805。 3.6 断电保护电路为进一步提高系统的可靠性可在单片机外围电路中增加断电保护电路，可选用X2045多功能芯片，其介绍如下:X2045是Xicor公司研制开发的高性价比的具有串行外围设备通信接口SPI的集成芯片。它集上电复位、看门狗定时器、电

52、源电压监控和串行E2PROM为一身，大大简化了应用系统的硬件成本，降低了功耗，性能稳定可靠，是智能仪表系统中的理想器件。(1) X2045的特性 具有串行外围设备通信接口SPI，与单片机接口简单，使用方便。 具有可编程的看门狗定时器。 低VCC检测：直至VCC=1V复位信号有效，高电平有效复位。 内部有512B的串行E2PROM，每个字节可写入100 000次，数据保存期为100年。 为低功耗CMOS，等待电流10uA；工作电流3mA；1MHz时钟频率；宽电源电压范围。 具有块锁定功能：可以保护1/4，1/2或所有E2PROM列阵。 具有片内偶然性写保护：商店和掉电保护电路、写锁存、写保护管脚

53、。 ESD保护所有管脚均为2000(2) X2045管脚及功能 X2045芯片的管脚封装形式为8管脚小型DIP或8引脚SOIC封装，或14管脚TSSOP封装。各管脚主要功能如下： 片选信号输入脚（CS）：低电平有效。当CS=0时，X2045被选通。该脚电平的变化将复位看门狗定时器。 串行输出脚（SO）：X2045内部的数据由此脚输出，在串行时钟的下降沿同步输出数据。 E2PROM的写保护输入脚（WP）：WP为低电平“0” 时 ，向X2045写数据被禁止，其他功能不受影响。 电源地脚（VSS）。 串行输入脚（SI）：所有的操作码、储存地址及及要写入的数据均通过此脚输入，在串行时钟的上声沿将数据锁

54、定。 串行输入时钟脚（SCK）。 复位信号输出脚（RESET）：高电平有效，注意是漏极开路输出。 电源输入脚（VCC）：X2045有4.55.5V、2.75.5V两种供电电压的芯片。(3) X2045的操作指令X2045操作指令有8条，见下表3.4。该表中所有的指令、地址及数据都以高位在前的方式传送。其中，读和写指令的位3包含了高地址位A8。当发出WREN，WRDI及RDSR命令时，不必发送字节或数据。表3.4 X2045的指令集表序号指令名称指令码功能1WREN0000 0110 （06H）置位写使能脚寄存器（允许E2PROM写）2WEDI0000 0100 （04H）复位写使能脚寄存器（禁

55、止E2PROM写）3RDSR0000 0101 （05H）读状态寄存器4WRSR0000 0001 （01H）写状态寄存器56READ0000 0011 （03H）0000 1011 （0BH）读E2PROM，地址256读E2PROM，地址25678WRITE 0000 0010 (02H) 0000 1010 (0AH)写E2PROM，地址256写E2PROM，地址256(4) X2045的内部寄存器功能及设置 写使能所存器：X2045内部有一个写使能所存器，在进行写操作时，写使能所存器必须被设置（SET），写周期完成以后，该所存器被自动复位。RREN指令可以设置所存器，而REDI指令起复位

56、所存器的作用。如果WP便为低电平，所存器也被复位。 状态寄存器：X2045内部有一个状态寄存器，在任何时候都可以读状态寄存器，即使在写周期也如此。RDSR指令提供对状态寄存器的访问。状态奇存器格式如下；D7D6D5D4D3D2D1D0/WD1WD0 BL1 BL0WELWIPWIP（Write Inprocess）位：“正在写”标志位，WIP位是只读的。当WIP=1时，表示写操作正在进行，在写期间，所有其他位全置为“1”；当WIP=0时，没有写操作。WEL（Write Enable Latch）位：“写使能所存”标志位，表示“写使能”所存器的状态。WEL位是只读的，它由WREN指令置位（WEL

57、=1），有WRDI指令或成功的完成了写周期后复位（WEL=0）。BL0、BL1（Block Protect）位：E2PROM块保护地址选择位，即设置BL0、BL1的值不同时，可以改变“块保护”的保护范围。BL0、BL1的值与块保护地址关系见表3.5表3.5 块地址保护范围与看门狗定时周期BL0 BL1被保护列阵的地址范围WD1 WD0看门狗定时周期/ms0 0无0 014000 1180H1FFH0 16001 0100H1FFH1 02001 1000H1FFH1 1禁止（3）X2045与单片机的接口 当片机与X2045的连接很简单，P1.0P1.3分别与X2045的SCK、SI、SO、CS

58、管脚相连，控制数据的输入与输出。单片机的RST与X2045的RST复位端连接，只要VCC下降到低于检测电平时，RST就变成高电平，并保持高电平直到高于检测电平为止，即X2045 监视总线。如果在看门狗定时器预置的时间内没有总线活动，它将提供复位信号输出。当WP保持高电平时，所有的功能包括E2PROM的写操作都正常；在CS变为低电平时，WP变为低电平将中断对X2045的写操作。如果内部写周期已经开始，WP变为低电平将不影响写操作。通常WP接高电平。第4章 大功率负载的智能识别算法通过分析，我们知道大功率负载的算法是通过软件编程来实现的，和传统的继电保护不同，它们是直接将模块信号引入保护装置，而程

59、序则主要通过不同电器的幅值、相位、比率等等的一些波形特征来进行判别。在对用电过程中负载类型进行识别时，我们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。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。最后，对各种负载的波形在频域进行分析。一般有3种方法：傅立叶变换法，小波分析，神经网络法。其中比较典型的有傅立叶变换法和小波分析的方法。4.1 傅立叶变换法傅立叶变换法主要是通过在频域上对负载的波形进行FFT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。其中傅立叶变换的公式为: （4.1）傅立叶逆变换的公式为: （4.2） 式(4.l)和式(4.2)形成傅立叶变换对，对信号f（t）实施分解和综合。假定被采样的模拟信号是一个周期性时间函数，根据傅氏级数的概念，可将此周期函数分解为不衰减的直流分量和各整次谐波分量，其表达式为 (4.3)如果要从信号x(t)中求出某次谐波分量，依据三角函数的正交性可知 (4.4