大功率电器智能识别与安全用电控制器的设计Word格式.docx
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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。
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：
①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。
②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。
③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:
①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。
②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。
③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。
④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。
⑤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[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（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，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
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（ElectronicIndustryAssociation）于1962年制定并于1969年最后一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±
2V～±
6V，接收器可以检测到200mV的输入信号电平。
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
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。
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（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）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AT89C51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：
①与MCS-51兼容②4K字节可编程闪烁存储器③寿命：
1000写/擦循环④数据保留时间：
10年⑤全静态工作：
0Hz-24Hz⑥三级程序存储器锁定⑦128*8位内部RAM⑧32可编程I/O线⑨两个16位定时器/计数器⑩片内振荡器和时钟电路
图3.4AT89C2051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
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（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，/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12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/OCLOCK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3.5TLC2543管脚功能
（2）MSB（D11位）或LSB（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：
①AIN0—AIN10：
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。
②CS：
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。
③DATAI：
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位用于选择输出数据的长度和格式。
④DATAO：
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。
⑤EOC：
转换结束
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