大功率電器智能識(shí)別與安全用電控制器的設(shè)計(jì)

大功率電器智能識(shí)別與安全用電控制器的設(shè)計(jì)大功率電器智能識(shí)別與安全用電控制器設(shè)計(jì)大功率電器智能識(shí)別與安全用電控制器的設(shè)計(jì)目 錄摘要································ⅠAbstract·······························Ⅱ第1章緒論···························11.1用電管理的意義························11.2用電管理的發(fā)展及前景·····················21.3課題的來源及主要研究內(nèi)容···················41.3.1課題來源························41.3.2主要研究內(nèi)容······················4第2章系統(tǒng)硬件的介紹及元件的選擇·················52.1系統(tǒng)的主要組成························52.2系統(tǒng)及各主要模塊的介紹····················62.2.1數(shù)據(jù)檢測模塊······················62.2.2控制模塊························62.2.3繼電器執(zhí)行模塊·····················72.2.4中繼模塊························7第3章系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)·······················83.1數(shù)據(jù)檢測模塊的設(shè)計(jì)······················83.2控制模塊的設(shè)計(jì)························93.2.1單片機(jī)的介紹及選擇··················93.2.2控制模塊的設(shè)計(jì)····················123.2.3時(shí)鐘與復(fù)位電路····················143.3繼電器執(zhí)行模塊························153.3.1光電耦合器的介紹····················153.3.2光電耦合電路······················163.3.3繼電器電路的設(shè)計(jì)····················163.4中繼模塊的設(shè)計(jì)························163.4.1模塊總線標(biāo)準(zhǔn)的確定···················173.4.2系統(tǒng)使用的MAX485芯片介紹···············173.4.3多機(jī)通信························183.5電源電路設(shè)計(jì)·························21大功率電器智能識(shí)別與安全用電控制器的設(shè)計(jì)3.6斷電保護(hù)電路·························24第4章大功率負(fù)載智能識(shí)別算法···················274.1傅立葉變換法·························274.2小波變換法··························294.3本系統(tǒng)采用的算法·······················30第5章系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)························315.1主程序算法分析························315.2程序流程···························325.2.1主程序流程·······················335.2.2初始化子程序······················335.2.3A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖··················345.2.4差值比較算法子程序流程圖················355.2.5減法子程序流程圖····················365.2.6比較子程序流程圖····················375.2.7通信子程序了流程圖···················385.2.8控制子程序流程圖····················39結(jié)束語······························40參考文獻(xiàn)······························41致謝·······························42附錄系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)總圖·····················43大功率電器智能識(shí)別與安全用電控制器的設(shè)計(jì)第1章 緒論隨著高等教育的普及，高校的擴(kuò)招，在校學(xué)生人數(shù)增長的激增，尤其是伴隨著學(xué)生生活條件的不斷改善，越來越多的電器，如電腦、電視機(jī)、熱水器、飲水機(jī)等正逐步走進(jìn)學(xué)生公寓，這就要求對(duì)學(xué)生開放用電，而且高校后勤的社會(huì)化也勢(shì)在必行；目前各高校都在進(jìn)行后勤社會(huì)化改革，急需采用高科技手段加強(qiáng)用電管理?，F(xiàn)在國內(nèi)已有多家公司開發(fā)、生產(chǎn)學(xué)生公寓用電智能管理控制系統(tǒng)，隨著該項(xiàng)技術(shù)的不斷成熟及公寓管理水平的不斷提高，該產(chǎn)品將有廣闊的市場空間。1.1 用電管理的意義用電智能管理系統(tǒng)是電量的自動(dòng)計(jì)量及管理發(fā)展的趨勢(shì)，它將促進(jìn)電力系統(tǒng)的潛能得到最大限度的發(fā)揮?；诂F(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、微電子技術(shù)及模式識(shí)別技術(shù)，一種全新概念的智能計(jì)量及管理信息網(wǎng)絡(luò)急待完善和提高。該計(jì)量管理信息網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)等，以智能芯片(如CPU)為核心，將全電子式智能計(jì)量與通信控制單元有機(jī)結(jié)合起來，由此構(gòu)成的集群式供電智能管理系統(tǒng)可基本覆蓋用電管理部門對(duì)用戶電能計(jì)量裝置要求的所有功能，并可實(shí)現(xiàn)智能化的自動(dòng)故障診斷。我國高校中普遍存在用電管理落后、電力資源嚴(yán)重浪費(fèi)的問題，安全隱患日益突出。長期以來，我國高校對(duì)校辦公區(qū)和學(xué)生公寓普遍實(shí)施免費(fèi)電量供應(yīng)，有的還對(duì)學(xué)生公寓進(jìn)行了限流定時(shí)的供電管理方法，但在用電安全和用電節(jié)約上存在著諸多矛盾和隱患，并且不利于校后勤部門有效管理。因此，現(xiàn)有大部分地區(qū)的高校已經(jīng)采用或即將采用開放用電、超額收費(fèi)的辦法。這樣即解決了供電與用電之間的矛盾，同時(shí)也減輕了學(xué)校支付高額電費(fèi)的負(fù)擔(dān)。但是實(shí)施用電收費(fèi)管理，一方面必將帶來大量的人工抄表統(tǒng)計(jì)收費(fèi)工作，而傳統(tǒng)抄表方式時(shí)效性差、統(tǒng)計(jì)工作量大、交費(fèi)手續(xù)極為繁瑣、容易產(chǎn)生錯(cuò)抄、漏抄和估抄等現(xiàn)象。此外， 由于用電的放開又使得電爐子和熱得快等大功率用電器大量進(jìn)入學(xué)生公寓。由于學(xué)生公寓是人口密集、用電負(fù)載類型多樣的場所。當(dāng)使用以上大功率的電器設(shè)備時(shí)，很容易引起火災(zāi)等事故，直接威脅同學(xué)們的人身安全和學(xué)院的財(cái)產(chǎn)，并且給學(xué)校帶來負(fù)面的社會(huì)影響。供電與用電之問的矛后日益突出，傳統(tǒng)的電量計(jì)量管理系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足高校后勤管理數(shù)字化的要求，建立智能配電管理系統(tǒng)，成為大勢(shì)所趨[1]。管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)公寓的集中監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)學(xué)生公寓各房間用電量自動(dòng)檢測計(jì)量、超預(yù)置電量自動(dòng)斷電、非法用電自動(dòng)識(shí)別、短路、過流保護(hù)、欠費(fèi)自動(dòng)提示等功能，可使公寓用電管理自動(dòng)化、智能化，提高公寓管理水平，實(shí)現(xiàn)安全、節(jié)能、增效。大功率電器智能識(shí)別與安全用電控制器的設(shè)計(jì)1.2 用電管理的發(fā)展及前景隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通訊技術(shù)的發(fā)展，人們己研制出全電子式智能計(jì)量系統(tǒng)，在計(jì)量方式上采用了遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)管理信息網(wǎng)絡(luò)，基本實(shí)現(xiàn)了計(jì)量的自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)化，但是以往的研究都沒有涉及負(fù)載類型的識(shí)別問題。因此，對(duì)負(fù)載類型識(shí)別的研究，有助于填補(bǔ)這一空白。目前，國內(nèi)外研究負(fù)載模式識(shí)別的人較少。但也取得了一定的成果，主要是以下幾個(gè)方面：①利用微處理器通過軟件進(jìn)行快速逆變換器負(fù)載性質(zhì)判別與負(fù)載參數(shù)估算的方法，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無差拍控制逆變換器的輸出進(jìn)行精確控制。②對(duì)智能交通系統(tǒng)中的圖像處理、模式識(shí)別和智能控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的研究并將這些技術(shù)融合到車牌識(shí)別、車道檢測和跟蹤、車型識(shí)別系統(tǒng)的具體研究中。③用小波尺度譜和相位譜對(duì)一些典型的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了分析研究。其他的還有如利用負(fù)載測量系統(tǒng)進(jìn)行用戶負(fù)載識(shí)別的方法，介紹如何運(yùn)用采樣理論進(jìn)行采樣，還考慮了周圍環(huán)境對(duì)測試結(jié)果的影響。這些研究雖然簡單的對(duì)負(fù)載參數(shù)進(jìn)行了估算，但是，這些工作沒有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，因此工作量大、效率低，不適合實(shí)時(shí)控制的需要。為更好地滿足計(jì)算及判別的自動(dòng)化，應(yīng)用了波形識(shí)別的概念，但在實(shí)用性、實(shí)時(shí)性等方面有各自的缺點(diǎn):①雖然討淪了對(duì)波形的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣并與相應(yīng)的特征值進(jìn)行對(duì)比，以判斷設(shè)備的工作情況，但對(duì)整個(gè)波形的特征并未加以利用。②利用窗函數(shù)對(duì)檢測波形處理后經(jīng)短時(shí)傅立葉變換或小波變換獲得特征值由此建立二維時(shí)頻域空間，利用子空間投影方法進(jìn)行波形分析。但此方法中需要最優(yōu)選擇_維窗函數(shù)的參數(shù)，不便于波形的自動(dòng)、快速分析。③利用波形的瞬時(shí)值和頻譜分析與電路的工作狀態(tài)建立聯(lián)系，然后用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)記憶這種映射關(guān)系，并通過應(yīng)用進(jìn)行了對(duì)比認(rèn)為頻譜分析比波形瞬時(shí)值更適合在電力電子電路檢測中應(yīng)用。 但它所能檢測的故障類別比較少，阻礙了此方法在負(fù)載類型識(shí)別中的應(yīng)用。④利用DSP按照傅立葉變換、小波分析等算法分析了測試信號(hào)的特征，并經(jīng)過比對(duì)確定系統(tǒng)工作狀態(tài)，但沒有建立系統(tǒng)自動(dòng)比對(duì)方法。⑤根據(jù)波形自動(dòng)分析的需要，將典型波形進(jìn)行傅立葉變換，所得數(shù)據(jù)形成波形模式，繼而形成典型波形空間。然后利用空間模式識(shí)別方法，把測試波形模式與典型波形空間中的模式進(jìn)行比較，按離差度給出測試波形與典型波形的匹配程度，從而確定測試波形類型，但當(dāng)測試波形發(fā)生畸變時(shí)，權(quán)值矢量比較難選擇，并且由于典型波形模式的限制，此方法的泛化能力較差 [2]。對(duì)于系統(tǒng)涉及到的通信方式，它的選擇直接關(guān)系到系統(tǒng)的造價(jià)、工程量和維修量，甚至關(guān)系到系統(tǒng)的成敗。自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)的通訊方式包括雙絞線通訊、光纜通訊、電話線通訊、電力線載波通訊、無線通訊、衛(wèi)星通訊和有線電視通訊、蜂窩通訊、紅外通訊等多種方式。中國儀器儀表學(xué)會(huì)電磁測量信息處理儀器分會(huì)對(duì)自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)的幾種通訊介大功率電器智能識(shí)別與安全用電控制器的設(shè)計(jì)質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。通過對(duì)用電管理系統(tǒng)的深入研究，我們發(fā)現(xiàn)可以在用電管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)整個(gè)公寓，甚至整個(gè)小區(qū)的智能化管理。目前已經(jīng)有了許多類似的管理系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到樓宇自動(dòng)化中，而且現(xiàn)行的許多智能住宅小區(qū)也實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程抄表、煤氣、用水管理及自動(dòng)保安報(bào)警等服務(wù)，可見智能管理日后必將成為以后樓宇建設(shè)的普遍標(biāo)準(zhǔn)。智能小區(qū)是在智能化大樓的基本含義中擴(kuò)展和延伸出來的，它通過對(duì)小區(qū)建筑群四個(gè)基本要素(結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、服務(wù)、管理以及它們之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián))的優(yōu)化考慮，提供一個(gè)投資合理，又擁有高效率、舒適、溫馨、便利以及安全的居住環(huán)境。由于“智能化”是一個(gè)相對(duì)的概念，“智能化”技術(shù)本身也正在不斷地發(fā)展、完善、直至成熟，因此智能小區(qū)智能化是一個(gè)過程，它應(yīng)當(dāng)隨著智能化技術(shù)的發(fā)展和人們需求的不斷增長而增長?？偟膩碚f，智能小區(qū)是利用現(xiàn)代4C(即計(jì)算機(jī)、通訊與網(wǎng)絡(luò)、自控、IC卡)技術(shù)，通過有效的傳輸網(wǎng)絡(luò)，將多元信息服務(wù)與管理、物業(yè)管理與安防、住宅智能化系統(tǒng)集成，為住宅小區(qū)的服務(wù)與管理提供高技術(shù)的智能化手段，以期實(shí)現(xiàn)快捷高效的超值服務(wù)與管理，提供安全舒適家居環(huán)境。系統(tǒng)不僅要實(shí)現(xiàn)對(duì)小區(qū)的住戶管理、信息查詢，而且實(shí)現(xiàn)小區(qū)的自動(dòng)抄表系統(tǒng)。小區(qū)用戶水、電、煤氣三表輸出的脈沖信息由智能控制器讀出，再通過Lon網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)叫^(qū)的管理中心，管理中心讀出三表讀數(shù)，并打印出來。先進(jìn)的可以與銀行連接，定期通過銀行系統(tǒng)扣費(fèi)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表與自動(dòng)扣費(fèi)結(jié)合。此外，在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，通過擴(kuò)展，可以實(shí)現(xiàn)用電營業(yè)管理系統(tǒng)。代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工方式的用電管理，這種管理方式存在著許多缺點(diǎn) ,如：效率低、保密性差,另外時(shí)間一長,將產(chǎn)生大量的文件和數(shù)據(jù),這對(duì)于查找、更新和維護(hù)都帶來了不少的困難。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提高,計(jì)算機(jī)科學(xué)日漸成熟,其強(qiáng)大的功能已為人們深刻認(rèn)識(shí)，因此有必要進(jìn)行計(jì)算機(jī)管理。他不但具有傳統(tǒng)用電管理的優(yōu)點(diǎn)，還有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：提供多種客戶服務(wù)和服務(wù)項(xiàng)目，以提高優(yōu)質(zhì)服務(wù)水平。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的一致性。實(shí)現(xiàn)管理流程的必要約束。實(shí)現(xiàn)主要業(yè)務(wù)的質(zhì)量控制提高管理的效率。1.3 課題的來源及主要研究內(nèi)容大功率電器智能識(shí)別與安全用電控制器的設(shè)計(jì)1.3.1 課題來源本課題應(yīng)學(xué)校學(xué)生公寓的建設(shè)需要， 對(duì)學(xué)生宿舍的用電管理一直以來就存在許多問題進(jìn)行解決。目前很多學(xué)生喜歡用電熱杯、熱得快甚至電爐之類的一些大功率電器，容易引發(fā)安全事故。而且市場上有不少產(chǎn)品的質(zhì)量、安全性很難得到保證。對(duì)于這些電器的使用應(yīng)加以限制，保護(hù)學(xué)生的生命財(cái)產(chǎn)安全。同時(shí)，一些學(xué)生節(jié)約用電的意識(shí)淡薄，這樣往往容易造成一些電能的不必要浪費(fèi)。高效的電能管理能減少電能的浪費(fèi)。1.3.2 主要研究內(nèi)容本研究課題將在以下幾個(gè)方面展開工作 :集群式供電智能管理系統(tǒng)的下位機(jī)軟件編程。下位機(jī)的軟件程序包括與上位機(jī)串口通信、單片機(jī)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)保存等工作。對(duì)用電過程中的負(fù)載類型進(jìn)行識(shí)別。一般情況下，電壓波形為正弦波，即標(biāo)準(zhǔn)電壓;當(dāng)一些學(xué)生公寓由于年代久遠(yuǎn)，供電設(shè)備和線路老化，線路容量不足時(shí)，會(huì)使電壓波形產(chǎn)生畸變，成為非正弦波，即削頂電壓。本課題要實(shí)現(xiàn)在以上兩種電壓波形下負(fù)載類型的識(shí)別。 其目的就是限制大功率性負(fù)載(如電爐子、熱水器等)。但允許使用計(jì)算機(jī)負(fù)載，可以根據(jù)要求設(shè)定限制允許使用的計(jì)算機(jī)功率的值(一般設(shè)定為500W),當(dāng)檢測到用戶使用非法電器時(shí)，將立即斷電，一段時(shí)間后，恢復(fù)供電，如繼續(xù)使用，將再次斷電，并記錄。大功率電器智能識(shí)別與安全用電控制器的設(shè)計(jì)第2章 系統(tǒng)的組成及功能介紹2.1 系統(tǒng)的主要組成如圖2.1所示，整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)由上位計(jì)算機(jī)、中繼器模塊、數(shù)據(jù)檢測模塊、控制模塊以及繼電器執(zhí)行模塊等幾部分組成。其中數(shù)據(jù)檢測模塊主要完成對(duì)原始數(shù)據(jù)的采集，經(jīng)過整流濾波，信號(hào)調(diào)理后，通過 A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后送到控制模塊中的單片機(jī)進(jìn)行分析處理，判斷是否學(xué)生宿舍使用了大功率電器；并將分析結(jié)果送到繼電器執(zhí)行模塊。而繼電器執(zhí)行模塊則主要是執(zhí)行單片機(jī)送過來的控制命令：通斷電。中繼器模塊則是數(shù)據(jù)檢測及控制模塊和上位計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞的橋梁；上位計(jì)算機(jī)則主要是人性化的顯示各用電參數(shù)，并通過它進(jìn)行數(shù)據(jù)的調(diào)用和控制。串行卡1上位機(jī)串行卡N中繼模塊1數(shù)據(jù)檢測 數(shù)據(jù)檢測及控制模塊1 及控制模塊N中繼模塊N數(shù)據(jù)檢測 數(shù)據(jù)檢測及控制模塊1 及控制模塊N圖2.1 系統(tǒng)總體的框圖大功率電器智能識(shí)別與安全用電控制器的設(shè)計(jì)2.2 系統(tǒng)及各主要模塊的介紹首先本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功率智能控制器是接在房間回路的主干線上。 通過電流互感器采集主電路中的電流信號(hào)，經(jīng)過整流、濾波以及信號(hào)調(diào)理，送到A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC2543轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后送到單片機(jī)中，根據(jù)編制好的程序進(jìn)行分析，處理。其中程序一般要具有以下特點(diǎn)：首先根據(jù)功率單個(gè)最小禁用電器接入時(shí)的功率，來設(shè)定單個(gè)電器的上限值（一般單個(gè)功率都不大于300W）。由于常規(guī)小功率電器接入時(shí)，電流的瞬間變化量將不會(huì)超過設(shè)定值，所以電路能正常供電。但是當(dāng)有單個(gè)功率在設(shè)定值以上的電器接入時(shí)，瞬時(shí)電流的變化量將超過允許使用單個(gè)電器的上限值，單片機(jī)主控器將記憶該值。為了防止由于沖擊電流或電網(wǎng)干擾等原因產(chǎn)生的誤動(dòng)作，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)將連續(xù)采樣N次，通過進(jìn)一步的比較和分判斷，確保一旦有大功率電器接入，立即進(jìn)行跳閘停電操作。通過設(shè)置總功率上限值，一方面可限制總用電功率，另一方面可實(shí)現(xiàn)用電安全保護(hù)。該控制器還可以配合其他控制器來設(shè)置觸電、過載、短路等保護(hù)功能，更加有效的防范了一些用電安全事故的發(fā)生，確保學(xué)生的用電安全。2.2.1 數(shù)據(jù)檢測模塊數(shù)據(jù)檢測模塊包括電流互感器、 電壓形成放大電路、整流濾波電路和信號(hào)調(diào)理電路。該控制器采用的是由簡單的電流負(fù)感器采樣，經(jīng)橋式整流、濾波后再經(jīng)過一個(gè)簡單的限幅保護(hù)電路直接將線性的電壓信號(hào)送至 A/D轉(zhuǎn)換器。其限幅保護(hù)電路主要是用來保護(hù) A/D芯片，2.2.2 控制模塊控制模塊主要由A/D轉(zhuǎn)換器，單片機(jī)，時(shí)鐘電路和復(fù)位電路組成。 A/D轉(zhuǎn)換器主要是進(jìn)行模數(shù)的轉(zhuǎn)換。單片機(jī)主要實(shí)現(xiàn)對(duì) A/D轉(zhuǎn)換器輸入的信號(hào)進(jìn)行分析、處理，其中系統(tǒng)的算法就是在這里完成的。它是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。時(shí)鐘電路和復(fù)位電路，顧名思義，分別是提供時(shí)鐘周期和進(jìn)行復(fù)位的。2.2.3 繼電器執(zhí)行模塊繼電器執(zhí)行模塊是光電耦合器，三極管以及繼電器等組成的。當(dāng)控制信號(hào)從單片機(jī)出來后，先經(jīng)過光電耦合器進(jìn)行強(qiáng)弱電的隔離， 而后又經(jīng)三級(jí)管放大來驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作。通過繼電器的斷和閘來實(shí)現(xiàn)房間的通斷電。大功率電器智能識(shí)別與安全用電控制器的設(shè)計(jì)2.2.4 中繼模塊中繼模塊主要是為了實(shí)現(xiàn)眾多單片機(jī)和上位機(jī)之間的通信。 考慮到傳輸距離和可靠性等因素，故決定在單片機(jī)和中繼模塊之間采用RS485總線進(jìn)行傳輸。然后通過中繼模塊內(nèi)的RS485和RS232轉(zhuǎn)換器將RS485成RS232標(biāo)準(zhǔn)，和上位機(jī)進(jìn)行通信。其中兩種標(biāo)準(zhǔn)分別如下：RS232是美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA（ElectronicIndustryAssociation）于1962年制定并于1969年最后一次修訂而成的一種串行總線的物理接口標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了串行傳輸中，主控摸板與從屬模塊間的物理連線線路的機(jī)械、電氣、功能和過程等特性雙端都必須遵守的共同約定。 RS232的標(biāo)準(zhǔn)總線為25線，不過在實(shí)際應(yīng)用中并非 25條線全都用到，如果只有一個(gè)終端，刪去未定義的和專用與同步傳輸?shù)男盘?hào)線，RS232中常用的信號(hào)線只有9條。一般使用上的計(jì)算機(jī)都是用9針插座作為異步通訊的連接器[3]。RS485是一種電氣標(biāo)準(zhǔn)，而不是象RS232那樣既是物理標(biāo)準(zhǔn)又是電氣標(biāo)準(zhǔn)。RS485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，無論是發(fā)送還是接收數(shù)據(jù)，均用兩條線傳輸雙端（差分）信號(hào)。該標(biāo)準(zhǔn)允許驅(qū)動(dòng)器（發(fā)送端）輸出為±2V～±6V，接收器可以檢測到 200mV的輸入信號(hào)電平。RS485是半雙工，在某一時(shí)刻發(fā)送另一時(shí)刻接收，當(dāng)用于多即互連時(shí)，可以節(jié)省信號(hào)線，便于高速遠(yuǎn)距離傳送[3]。大功率電器智能識(shí)別與安全用電控制器的設(shè)計(jì)第3章系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1 數(shù)據(jù)檢測模塊的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)檢測模塊包括電流互感器、電壓形成放大電路、整流濾波電路和信號(hào)調(diào)理電路。該控制器采用的是由簡單的電流負(fù)感器采樣，經(jīng)橋式整流、濾波后再經(jīng)過一個(gè)簡單的限幅保護(hù)電路直接將線性的電壓信號(hào)送至 A/D轉(zhuǎn)換器。其限幅保護(hù)電路主要是用來保護(hù) A/D芯片。數(shù)據(jù)檢測模塊如圖 3.1所示。電流互感器

電壓形成放大電路

整流濾波電路

信號(hào)調(diào)理電路

限幅保護(hù)電路圖3.1 數(shù)據(jù)檢測模塊本模塊電路的核心部件是電流互感器，它實(shí)時(shí)的采集著目標(biāo)房間的電流瞬時(shí)變化。電流互感器是將一次回路的大電流成正比的變換為二次小電流以供給測量儀器、儀表、繼電保護(hù)及其他類似電器。電流互感器的基本電路如圖 3.2所示。電流互感器的一次繞組和二次繞組饒?jiān)谕粋€(gè)磁路閉合的鐵心上。如果一次繞組帶電而二次繞IpIs組開路，則互感器成為一個(gè)帶鐵心的電抗器。一次繞組二次繞組Zb一次饒組中的電壓降等于鐵心磁通在該繞組中引起的電動(dòng)勢(shì)，鐵心磁通也在二次繞組中感應(yīng)N1N2出相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)。如果二次繞組回路通過一個(gè)阻抗形成回路，則二次回路中將產(chǎn)生一個(gè)電流，圖3.2電流互感器基本電路電流在鐵心中產(chǎn)生的磁通趨向于抵消一次繞組Ip—一次電流；Is—二次電流；電流產(chǎn)生的磁通。忽略誤差時(shí)，二次回路電流N1—一次繞組；N2—二次繞組；與一次回路電流之比等于一次繞組匝數(shù)與二Zp—負(fù)荷阻抗次繞組匝數(shù)之比。電流互感器的用途是實(shí)現(xiàn)被測電流值的變換，與普通變壓器不同的是其輸出容量很小。一般不超過數(shù)十伏安，供給電子儀器或數(shù)字保護(hù)的互感器，輸出功率可能低到豪瓦級(jí)。一組電流互感器通常有多個(gè)鐵心，即具有多個(gè)二次繞組，提供不同的用途。中壓（如10kv級(jí)）的某些類型電流互感器，可能只有1-3個(gè)二次繞組。而超高壓的電流互感器的二次繞組可能多達(dá)6-8個(gè)。大功率電器智能識(shí)別與安全用電控制器的設(shè)計(jì)電流互感器的一次繞組通常串聯(lián)與被測量的一次電路中， 二次繞組通過導(dǎo)線或電纜接儀表及繼電保護(hù)等二次設(shè)備。電流互感器二次電流在正常運(yùn)行及規(guī)定的故障條件下，應(yīng)與一次電流成正比，其比值和相位誤差不超過規(guī)定值。電流互感器的規(guī)定一次電流和額定電流是作為互感器性能基準(zhǔn)的一次電流和二次電流。電流互感器按其用途和性能特點(diǎn)分為兩大類：一類是測量用互感器，主要在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，將相應(yīng)電路的電流變換供給測量儀表，積分儀表和其他類似電器，用于運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、記錄和電能計(jì)量等用途。另一類是保護(hù)用互感器，主要在電力系統(tǒng)非正常運(yùn)行和故障狀態(tài)下，將相應(yīng)電路的電流變換供給繼電器保護(hù)裝置和其他類似電器，以便啟動(dòng)有關(guān)設(shè)備清除故障，也可以實(shí)現(xiàn)故障監(jiān)視和故障記錄等 [4]。測量用和保護(hù)用兩類電流互感器的工作范圍和性能差別很大，一般不能共用。但可以組裝在一組電流互感器內(nèi)，由不同的鐵心和二次繞組實(shí)現(xiàn)測量和保護(hù)功能。電流互感器的用途是實(shí)現(xiàn)被測電值的變換，與普通變壓器不同的是其輸出容量很小。一般不超過數(shù)十伏安，供給電子儀器或數(shù)字保護(hù)的互感器，輸出功率可能低到毫安級(jí)。系統(tǒng)所用電路如圖 3.3所示：1模擬量輸出+42限幅電阻5.1K2uF220V3圖3.3 電流互感器及檢測電路3.2 控制模塊的設(shè)計(jì)3.2.1 單片機(jī)的介紹及選擇AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造， 與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。如圖3.4所示：大功率電器智能識(shí)別與安全用電控制器的設(shè)計(jì)(1) 主要特性：①與MCS-51兼容

②4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器

③壽命：1000寫/擦循環(huán)

④數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年 ⑤全靜態(tài)工作：128*8位內(nèi)部RAM ⑧32可編程I/O線

0Hz-24Hz ⑥三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 ⑦⑨兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 ⑩片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路(2) 管腳說明 ：VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一 次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1口被外部 圖3.4 AT89C2051引腳下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口。如表所示：各管腳的備選功能P3.0RXD（串行輸入口）大功率電器智能識(shí)別與安全用電控制器的設(shè)計(jì)P3.1TXD（串行輸出口）P3.2/INT0（外部中斷0）P3.3/INT1（外部中斷1）P3.4T0（記時(shí)器0外部輸入）P3.5T1（記時(shí)器1外部輸入）P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（ 0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式 1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在 FLASH編程期間，此引腳也用于施加 12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。振蕩器特性：XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件， XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。芯片擦除：整個(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可大功率電器智能識(shí)別與安全用電控制器的設(shè)計(jì)選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。3.2.2 控制模塊的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)檢測模塊采集到的目標(biāo)房間電流變化的模擬量經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換送給單片機(jī)，采用12位串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543。TLC2543是有11個(gè)模擬量輸入通道的 12位開關(guān)電容逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器，具有轉(zhuǎn)換速度快、穩(wěn)定性好、與單片機(jī)接口簡單，且性價(jià)比好等優(yōu)點(diǎn)。可通過一個(gè)三態(tài)的串行輸出端與主處理器或其他外圍串行高速傳輸數(shù)據(jù)。該器件片內(nèi)含有一個(gè) 14通道模擬開關(guān)，可選擇 11路模擬量輸入中的任意一個(gè)或三個(gè)內(nèi)部自測電壓中的一個(gè)。片內(nèi)產(chǎn)生轉(zhuǎn)換時(shí)鐘并由片 I/OCLOCK同步。在允許的工作溫度范圍內(nèi) A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間小于10us。片內(nèi)還設(shè)有采樣——保持電路。器件的基準(zhǔn)電壓有外部電路提供。其 A/D轉(zhuǎn)換輸出數(shù)據(jù)的長度和格式可編程為以下幾種方式：單極性或雙極性輸出（有符號(hào)的雙極性，對(duì)應(yīng)與所加基準(zhǔn)電壓的1/2）。MSB（D11位）或LSB（DO位）作前導(dǎo)輸出?？勺冚敵鰯?shù)據(jù)長度（8位、12位、16位）。

TLC25431A0VCC20219A1EOC318A2I/OCLOCK417A3DATAINPUT516A4DATAOUT615A5CS714A6REF+813A7REF-912A8A101011GNDA9圖3.5TLC2543管腳功能TLC2543有20個(gè)引腳，多種封裝形式，其管腳排列如圖 3.5所示。管腳功能及說明如下：AIN0—AIN10：11個(gè)模擬輸入端，輸入電壓范圍：0。3--（Vcc+0.3V）。對(duì)4.1MHZ的I/O時(shí)鐘，驅(qū)動(dòng)源阻抗必須小于或等于 50歐。②CS：片選端。CS的下降沿，將復(fù)位內(nèi)部計(jì)數(shù)器，并控制和使用 DATAO、DATAI和CLOCK；CS的上升沿，將在一個(gè)設(shè)置時(shí)間內(nèi)禁止DATAI和CLOCK信號(hào)。DATAI：串行數(shù)據(jù)輸入端，8位控制字以MSB為前導(dǎo)從該端輸入。前4位串行地址選擇下一個(gè)即將被轉(zhuǎn)換的模擬輸入或測試電壓；后4位用于選擇輸出數(shù)據(jù)的長度和格式。④DATAO：用于A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出的三態(tài)串行輸出端。DATAO在CS為高電平時(shí)處于高阻狀態(tài)，而當(dāng)CS為低電平時(shí)可輸出數(shù)據(jù)。當(dāng)CS有效時(shí)，CLOCK的下降沿將上一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果的各位從DATAO端依次移出。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出。在I/O周期的最后一個(gè)CLOCK下降沿后，EOC從高電平變?yōu)榈碗娖剑⒈３值碗娖街钡睫D(zhuǎn)換完成及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備傳輸。大功率電器智能識(shí)別與安全用電控制器的設(shè)計(jì)CLOCK：輸入/輸出時(shí)鐘端。CLOCK接收串行輸入并完成以下功能：在CLOCK的前八個(gè)上升沿，將八個(gè)輸入數(shù)據(jù)位移入輸入數(shù)據(jù)寄存器，其中前4位為模擬通道地址；CLOCK的第四個(gè)下降沿開始對(duì)所選通道信號(hào)進(jìn)行采樣；CLOCK的下降沿將前一次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)的其余位依次移出DATAO端；在I/O周期CLOCK的最后一個(gè)下降沿使EOC變低并開始A/D轉(zhuǎn)換。REF+：正基準(zhǔn)電壓端。基準(zhǔn)電壓的正端（通常為Vcc）被加到REF+。最大的輸入電壓范圍取決于加在本端與加在REF-端的電壓差。⑧REF-：負(fù)基準(zhǔn)電壓端，即基準(zhǔn)電壓的低端。⑨Vcc：正電源端。通常接+5V，GND為電源接地端。其工作特性圖如圖3.6所示：圖3.6TLC2543 工作特性大功率電器智能識(shí)別與安全用電控制器的設(shè)計(jì)TLC2543與單片的接口電路如圖 3.7所示。+5VVCCVCCP1.3DATAOUTP1.5I/OP1.4ADDRESSP1.2CSATC892051TLC1543GNDGND圖3.7TLC2543與單片機(jī)接口電路系統(tǒng)中我們選用AT89C2051單片機(jī)。該芯片的功能與MCS-51系列單片機(jī)完全兼容，并且還具有程序加密等功能，物美價(jià)廉，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。從上節(jié)管腳說明可看出，AT89C2051沒有提供外部擴(kuò)展存儲(chǔ)所需的地址鎖存和讀寫控制信號(hào)。因此，利用AT89C2051構(gòu)成的單片應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，不能象AT89C51那樣擴(kuò)展存儲(chǔ)器等設(shè)備，可以根據(jù)情況與I2C或SPI串行總線設(shè)備接口。系統(tǒng)中各I/O管腳功能分配見表3.1：表3.1系統(tǒng)I/O管腳功能表接出接入功能接出接入功能P1.0發(fā)光二級(jí)管工作指示燈P3.0485RO接收輸入P1.1485DE*RE收發(fā)控制P3.1485DI發(fā)送輸出P1.2A/DCS端片選信號(hào)P1.5A/DDINPUT數(shù)據(jù)輸出P1.3A/DI/OCLK脈沖信號(hào)P1.6A/DEOC轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸入P1.4A/DDOUT數(shù)據(jù)輸入P1.7光耦合器繼電器4N25驅(qū)動(dòng)信號(hào)3.2.3 時(shí)鐘與復(fù)位電路單片機(jī)工作的時(shí)間基準(zhǔn)是由時(shí)鐘電路提供的。 在單片機(jī)的XTAL1和XTAL2兩個(gè)管腳，接一只晶振及兩只電容就構(gòu)成了單片機(jī)的時(shí)鐘電路，如圖 3.8所示。單片機(jī)的復(fù)位方式有上電自動(dòng)復(fù)位和手工復(fù)位兩種，圖 3.9所示是51系列單片機(jī)常用的上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位組合電路，只要 VCC上升時(shí)間不超過 1ms，它們都能很好地工作。大功率電器智能識(shí)別與安全用電控制器的設(shè)計(jì)C122pFY112MHZC222PF

VCCR1200+C322uF1AT89C2051201AT89C205120RST/VPPVCCRST/VPPVCC219219P3.0P1.7P3.0P1.7318318P3.1P1.6P3.1P1.6417417XTAL2P1.5R2XTAL2P1.55165166XTAL1P1.4151K6XTAL1P1.415P3.2P1.3P3.2P1.3714714P3.3P1.2P3.3P1.2813813P3.4P1.1P3.4P1.1912912P3.5P1.0P3.5P1.010111011GNDP3.7GNDP3.7圖3.8 時(shí)鐘電路 圖3.9 復(fù)位電路3.3 繼電器執(zhí)行模塊3.3.1 光電耦合器的介紹光電耦合器是一種把電子信號(hào)轉(zhuǎn)換成為光學(xué)信號(hào)， 然后又回復(fù)電子信號(hào)的半導(dǎo)體器件。當(dāng)電流移向電耦合器的輸入面（圖 3.10），光學(xué)信號(hào)由發(fā)光二極管輸出 。輸出面的光學(xué)感應(yīng)器察覺之，同時(shí)電流移動(dòng)。圖3.10 電耦合器的操作原理圖3.11 電耦合器當(dāng)超過原定水平的電流輸入電耦合器的初級(jí)面，次級(jí)面則接地，以及 0V輸入微型電腦。大功率電器智能識(shí)別與安全用電控制器的設(shè)計(jì)敬請(qǐng)留意，由於銜接電耦合器初級(jí)面和次級(jí)面的電流供應(yīng)有異，噪音可 被過濾，同時(shí)避免干擾信號(hào)的傳送。3.3.2 光電耦合電路在本單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，需驅(qū)動(dòng)繼電器工作，為了防止電器干擾信號(hào)從前向和后向通道進(jìn)入系統(tǒng)，在接口處設(shè)置了光電耦合器，以改善單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的工作環(huán)境，電路如圖3.12所示。VCCVCCK1D11R3390U0FUR4Q0P1.7R51K4N2510A1K圖3.12 光電耦合及繼電器驅(qū)動(dòng)電路3.3.3 繼電器電路的設(shè)計(jì)繼電器電路是整個(gè)模塊的核心部分，其電路圖如圖 3.12所示，當(dāng)系統(tǒng)檢測到房間使用了大功率電器，或者當(dāng)上位機(jī)發(fā)出斷電信號(hào)時(shí)，光電耦合器不工作，沒有放大電流產(chǎn)生，三極管沒有放大電流的產(chǎn)生，是繼電器吸和的常閉觸點(diǎn)斷開，常開觸點(diǎn)閉合，房間斷電。3.4 中繼模塊的設(shè)計(jì)在用電管理系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)、指令的通訊是不可替代的部分，是整個(gè)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，必須具有良好的通訊準(zhǔn)確性、抗衰減性。系統(tǒng)中的通訊即包括主控計(jì)算機(jī)與單片機(jī)之間的通訊。大功率電器智能識(shí)別與安全用電控制器的設(shè)計(jì)3.4.1 模塊總線標(biāo)準(zhǔn)的確定在自動(dòng)化領(lǐng)域，隨著分布式控制系統(tǒng)的發(fā)展，迫切需要一種總線能適合遠(yuǎn)距離的數(shù)字通信。在RS-422標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，EIA研究出了一種支持多節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)距離和接收高靈敏度的RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)。RS-485標(biāo)準(zhǔn)采有用平衡式發(fā)送，差分式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來驅(qū)動(dòng)總線， 具體規(guī)格要求：接收器的輸入電阻RIN≥12kΩ驅(qū)動(dòng)器能輸出±7V的共模電壓輸入端的電容≤50pF在節(jié)點(diǎn)數(shù)為32個(gè)，配置了120Ω的終端電阻的情況下，驅(qū)動(dòng)器至少還能輸出電壓1.5V（終端電阻的大小與所用雙絞線的參數(shù)有關(guān)）接收器的輸入靈敏度為200mV（即（V+）-（V-）≥0.2V，表示信號(hào)“0”；（V+）-（V-）≤-0.2V，表示信號(hào)“1”）因?yàn)镽S-485的遠(yuǎn)距離、多節(jié)點(diǎn)（32個(gè)）以及傳輸線成本低的特性，使得EIARS-485成為各種應(yīng)用系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x標(biāo)準(zhǔn)。其中影響RS-485總線通訊速度和通信可靠性的三個(gè)因素：1、在通信電纜中的信號(hào)反射；2、在通訊電纜中的信號(hào)衰減；3、在通訊電纜中的純阻負(fù)載3.4.2 系統(tǒng)使用的MAX485芯片介紹MAX485接口芯片是Maxim公司的一種RS485芯片。采用單一電源+5V工作，額定電流為300μA，采用半雙工通訊方式。它完成將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS485電平的功能。其引腳結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。從圖中可以看出,MAX485芯片的結(jié)構(gòu)和引腳都非常簡單 ,內(nèi)部含有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅(qū)動(dòng)器的輸入端，與單片機(jī)連接時(shí)只需分別與單片機(jī)的 RXD和TXD相連即可；/RE和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，當(dāng)/RE為邏輯0時(shí)，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng) DE為邏輯1時(shí)，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因?yàn)镸AX485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機(jī)的一個(gè)管腳控制這兩個(gè)引腳即可；A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號(hào)端，當(dāng)A引腳的電平高于B時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1；當(dāng)A的電平低于B端時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。在與單片機(jī)連接時(shí)接線非常簡單。只需要一個(gè)信號(hào)控制MAX485的接收和發(fā)送即可。同時(shí)將A和B端之間加匹配電阻，一般可選100Ω的電阻。標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換的具體做法是先利用MAX232將RS232標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為TTL電平，再利用MAX485將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS485標(biāo)準(zhǔn)。圖3.13為接口轉(zhuǎn)換器的電路圖。大功率電器智能識(shí)別與安全用電控制器的設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)RXDTXD

MAX202VCC1C1+VCC16MAX485VCC21518V+GND314ROVCCC1-T1OUTRS4854C2+R1IN1327網(wǎng)絡(luò)接口512REA1C2-R1OUT611362V-T1IN710DEBT2OUTT2INCON28945R2INR2OUTDIGND圖3.13 中繼器電路圖3.4.3 多機(jī)通信通信過程的協(xié)議要根據(jù)不同的應(yīng)用場合， 來制定不同的協(xié)議，有些協(xié)議是很復(fù)雜的。在設(shè)計(jì)中我們規(guī)定了如下幾條簡單的協(xié)議 [5]：①系統(tǒng)中允許接有255臺(tái)從機(jī)，它們的地址分別是 00H～FFH。②地址FFH是對(duì)所有從機(jī)都起作用的一條控制命令：命令各從機(jī)恢復(fù) SM=2的狀態(tài)③主機(jī)發(fā)出的控制命令代碼為：00H：要求從機(jī)接收數(shù)據(jù)塊01H：要求從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)塊其他：非法命令④數(shù)據(jù)塊長度：16個(gè)字節(jié)⑤從機(jī)狀態(tài)格式為：D7D6D5D4D3D2D1D0ERR00000TRDYRRDY其中：若ERR=1，表示從機(jī)接收到非法命令若TRDY=1，表示從機(jī)發(fā)送準(zhǔn)備就緒若RRDY=1，表示從機(jī)接收準(zhǔn)備就緒下面我們給出了串行通信的程序框圖，主程序部分是以子程序的發(fā)式給出，要進(jìn)行串行通信時(shí)，可以直接調(diào)用這個(gè)子程序。主機(jī)在接收或發(fā)送完一個(gè)數(shù)據(jù)塊后可返回主程序，完成其他任務(wù)。從機(jī)部分以串行口中斷服務(wù)程序的發(fā)式給出，若從機(jī)為做好接收或發(fā)送數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，就從中斷程序中返回，在主程序中做好準(zhǔn)備。故主機(jī)在這種情況下不能簡單地等待從機(jī)準(zhǔn)備就緒，而要重新與從機(jī)聯(lián)絡(luò)，使從機(jī)再次進(jìn)入串行口中斷 [7]。圖3.14多機(jī)通信主機(jī)程序流程圖，圖 3.15多機(jī)通信從機(jī)程序流程圖。大功率電器智能識(shí)別與安全用電控制器的設(shè)計(jì)子程序入口串行口初始化發(fā)送地址幀從機(jī)應(yīng)答否否是符合應(yīng)答地址相符否否命令從機(jī)復(fù)位 發(fā)送命令幀從機(jī)應(yīng)答否否命令正確否"00" "01"命令分類否從機(jī)發(fā)送準(zhǔn)備就緒否從機(jī)接收準(zhǔn)備就緒否就緒就緒發(fā)送數(shù)據(jù)塊接收數(shù)據(jù)塊返回圖3.14 多機(jī)通信主機(jī)程序流程圖大功率電器智能識(shí)別與安全用電控制器的設(shè)計(jì)中斷保護(hù)現(xiàn)場不符合地址符合否符合發(fā)回地址接收下一幀N是命令幀嗎Y非法命令 "01"命令分類N N從機(jī)接收準(zhǔn)備就緒嗎TextRRDY=O送機(jī)主RRDY=1送機(jī)主TRDY=O送機(jī)主 接收數(shù)據(jù)幀

從機(jī)接收準(zhǔn)備就緒嗎YTRDY=1送機(jī)主發(fā)送數(shù)據(jù)幀N 接收完否YSM2=1恢現(xiàn)復(fù)場返回

N

發(fā)送完否Y圖3.15 多機(jī)通信從機(jī)程序流程圖大功率電器智能識(shí)別與安全用電控制器的設(shè)計(jì)3.5 電源電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的功率識(shí)別控制器直接接入房間的220V交流電網(wǎng)中，給單片機(jī)提供電源時(shí)需進(jìn)行整流和穩(wěn)壓處理，因控制器還需驅(qū)動(dòng)繼電器電源的設(shè)計(jì)分兩部分。一部分輸出+5V給單片供電，一部分輸出+12V給繼電器供電，具體電路如圖3.16所示。圖3.16電源電路MC78XX是常用的線性穩(wěn)壓器系列，它的封裝格式一般為 TO-220。MC78XX的XX即表明了輸出電壓。這種器件的輸出電流高達(dá) 1A，而靜態(tài)電流在 5mA和8mA之間。MC78XX元件的另外一個(gè)特性是超載和短路保護(hù)。如果要輸出負(fù)電壓，就用 MC79XX穩(wěn)壓器，其用法和MC78XX類似。7800系列的集成穩(wěn)壓器廣泛應(yīng)用于各種整流和電路板電源上。其穩(wěn)壓輸出電壓從+5V～+24V有七個(gè)檔次；加散熱裝置后其額定電流可以達(dá)到 1.5A.穩(wěn)壓器內(nèi)部具有過流、過熱和安全工作區(qū)保護(hù)電路，一般不會(huì)因過載而損壞。一般在電路中加上電容用于抑止過壓和波紋或改善負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。為保證穩(wěn)壓器能正常工作，對(duì)輸入直流電壓也有要求，一般要求輸入直流電壓比輸出直流電壓高出 2～3V，不宜高出太多，高出太多使穩(wěn)壓器功耗過大，易損壞穩(wěn)壓器。整流二極管 D1和D2用來保證電路整流的進(jìn)一步可靠。兩個(gè)發(fā)光二極管用來監(jiān)視兩個(gè)電源的工作情況。電源參數(shù)計(jì)算與元件的選擇：通過查閱電工手冊(cè)，我們找到小功率整流電源的電量關(guān)系如表 3.2表3.2小功率整流電源的電量表電路名稱單相橋式輸出直流電阻或感性負(fù)載0.9U2電壓Uz有電容空載1.41U2濾波負(fù)載1.1U2大功率電器智能識(shí)別與安全用電控制器的設(shè)計(jì)整流變壓器二次側(cè)電壓有效值U2整流變壓器二次側(cè)電流有效值整流變壓器二次側(cè)容量P2整流變壓器一次側(cè)容量P1

電阻或感性負(fù)載1.11Uz有電容空載0.707Uz濾波負(fù)載0.91Uz電阻負(fù)載1.11IzI2無限大電感負(fù)載Iz電阻負(fù)載1.23UzIz無限大電感負(fù)載1.11UzIz電阻負(fù)載1.11UzIz無限大電感負(fù)載1.23UzIz下面，我們先計(jì)算+12V電源的參數(shù)。當(dāng)要求輸出+12V的電壓時(shí)，穩(wěn)壓芯片 MC7812輸入端的電壓設(shè)為+14V，橋路經(jīng)過一個(gè)整流二極管即為穩(wěn)壓芯片MC7812輸入端的電壓+14V，所以橋路輸出直流電壓Uz為14.7V。由此可以求得整流變壓器二次側(cè)電壓有效值U2=0.91Uz=0.91*14.7=13.38V我們?cè)O(shè)輸出直流電流為 Iz=1A，所以整流變壓器二次側(cè)電流有效值I2=1.11Iz=1.11*1=1.11A （按電阻負(fù)載估算）所以變壓器一次側(cè)和二次側(cè)容量P1=P2=1.23*14.7*1=18.08（伏安）同理可以求得+5V電源的參數(shù)為U2 ′=0.91*7.7=7.01VI2 ′=1.11*1=1.11AP1 ′=P2′=1.23*7.7*1=9.47 （伏安）變壓器的總功率 P=18.08+9.47=27.55 （伏安）確定變壓器型號(hào):本電源電路采用變壓器變壓后， 再運(yùn)用橋式整流電路將電網(wǎng)和 UPS提供的交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓。在選擇變壓器型號(hào)和橋式整流電路時(shí)需要進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。通過查閱電工手冊(cè)，我們找到小功率整流電源的電量關(guān)系見表 3.3大功率電器智能識(shí)別與安全用電控制器的設(shè)計(jì)表3.3小功率整流電源的電量表電路名稱單相橋式輸出直流電阻或感性負(fù)載0.9U2電壓Uz有電容空載1.41U2濾波負(fù)載1.1U2整流變壓器電阻或感性負(fù)載1.11Uz二次側(cè)電壓有電容空載0.707Uz有效值U2濾波負(fù)載0.91Uz整流變壓器二電阻負(fù)載1.11Iz次側(cè)電流有效值I2無限大電感負(fù)載Iz整流變壓器電阻負(fù)載1.23UzIz二次側(cè)容量P2無限大電感負(fù)載1.11UzIz整流變壓器電阻負(fù)載1.11UzIz一次側(cè)容量P1無限大電感負(fù)載1.23UzIz下面，我們先計(jì)算+12V電源的參數(shù)。當(dāng)要求輸出+12V的電壓時(shí)，穩(wěn)壓芯片MC7812輸入端的電壓設(shè)為+14V，橋路經(jīng)過一個(gè)整流二極管即為穩(wěn)壓芯片MC7812輸入端的電壓+14V，所以橋路輸出直流電壓Uz為14.7V。由此可以求得整流變壓器二次側(cè)電壓有效值U2=0.91Uz=0.91*14.7=13.38V我們?cè)O(shè)輸出直流電流為 Iz=1A，所以整流變壓器二次側(cè)電流有效值I2=1.11Iz=1.11*1=1.11A （按電阻負(fù)載估算）所以變壓器一次側(cè)和二次側(cè)容量P1=P2=1.23*14.7*1=18.08（伏安）同理可以求得+5V電源的參數(shù)為U2′=0.91*7.7=7.01VI2 ′=1.11*1=1.11AP 1′=P2′=1.23*7.7*1=9.47 （伏安）變壓器的總功率 P=18.08+9.47=27.55 （伏安）設(shè)變壓器的原邊和副邊電壓分別為 U1和U2,電流分別I1和I2,匝數(shù)為W1和W2。所以，根據(jù)變壓器原理有大功率電器智能識(shí)別與安全用電控制器的設(shè)計(jì)U1/U2=W1/W2I1/I2=W2/W1在確定線圈匝數(shù)時(shí)，要先計(jì)算每匝電壓

Et=4.44fBmSt*10

-8（伏/匝）式中： Bm—鐵芯柱內(nèi)磁通密度；對(duì)冷軋鋼片 Bm取1300～1500高斯，熱冷軋鋼片 Bm取1000～1300高斯，容量小Bm取小值，容量大取大值；Ps為容量；f為50Hz。我們根據(jù)電工手冊(cè)選擇St=32√Ps/2Et=1.2 （伏/匝）計(jì)算繞組匝數(shù) W=Uxa/Et式中：W—一次側(cè)或二次側(cè)繞組匝數(shù)；Uxa —一次側(cè)或二次側(cè)空載相電壓。所以 二次側(cè)繞組匝數(shù)n1=U2/Et=12n2=U2 ′/Et=5最后我們選用額定功率為 30W，高壓側(cè)可承受 220V電壓的變壓器。二極管選用可承受 50V電壓，額定電流為 2A的二極管。穩(wěn)壓芯片采用摩托羅拉公司生產(chǎn)的MC7812和MC7805。3.6 斷電保護(hù)電路為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性可在單片機(jī)外圍電路中增加斷電保護(hù)電路，可選用X2045多功能芯片，其介紹如下 :X2045是Xicor公司研制開發(fā)的高性價(jià)比的具有串行外圍設(shè)備通信接口 SPI的集成芯片。它集上電復(fù)位、看門狗定時(shí)器、電源電壓監(jiān)控和串行 E2PROM為一身，大大簡化了應(yīng)用系統(tǒng)的硬件成本，降低了功耗，性能穩(wěn)定可靠，是智能儀表系統(tǒng)中的理想器件。(1)X2045

的特性①具有串行外圍設(shè)備通信接口SPI，與單片機(jī)接口簡單，使用方便。②具有可編程的看門狗定時(shí)器。③低VCC檢測：直至VCC=1V復(fù)位信號(hào)有效，高電平有效復(fù)位。2⑤為低功耗CMOS，等待電流10uA；工作電流3mA；1MHz時(shí)鐘頻率；寬電源電壓范圍。2⑦具有片內(nèi)偶然性寫保護(hù)：商店和掉電保護(hù)電路、寫鎖存、寫保護(hù)管腳。⑧ESD保護(hù)所有管腳均為 2000大功率電器智能識(shí)別與安全用電控制器的設(shè)計(jì)(2)X2045管腳及功能X2045芯片的管腳封裝形式為 8管腳小型DIP或8引腳SOIC封裝，或14管腳TSSOP封裝。各管腳主要功能如下：①片選信號(hào)輸入腳（CS）：低電平有效。當(dāng)CS=0時(shí)，X2045被選通。該腳電平的變化將復(fù)位看門狗定時(shí)器。②串行輸出腳（SO）：X2045內(nèi)部的數(shù)據(jù)由此腳輸出，在串行時(shí)鐘的下降沿同步輸出數(shù)據(jù)。E2PROM的寫保護(hù)輸入腳（WP）：WP為低電平“0”時(shí)，向X2045寫數(shù)據(jù)被禁止，其他功能不受影響。④電源地腳（VSS）。⑤串行輸入腳（SI）：所有的操作碼、儲(chǔ)存地址及及要寫入的數(shù)據(jù)均通過此腳輸入，在串行時(shí)鐘的上聲沿將數(shù)據(jù)鎖定。⑥串行輸入時(shí)鐘腳（SCK）。⑦復(fù)位信號(hào)輸出腳（RESET）：高電平有效，注意是漏極開路輸出。⑧電源輸入腳（VCC）：X2045有4.5～5.5V、2.7～5.5V兩種供電電壓的芯片。(3)X2045的操作指令X2045操作指令有8條，見下表3.4。該表中所有的指令、地址及數(shù)據(jù)都以高位在前的方式傳送。其中，讀和寫指令的位3包含了高地址位A8。當(dāng)發(fā)出WREN，WRDI及RDSR命令時(shí)，不必發(fā)送字節(jié)或數(shù)據(jù)。表3.4X2045的指令集表序號(hào)指令名稱指令碼功能1WREN00000110（06H）置位寫使能腳寄存器（允許E2PROM寫）2WEDI00000100（04H）復(fù)位寫使能腳寄存器（禁止E2PROM寫）3RDSR00000101（05H）讀狀態(tài)寄存器4WRSR00000001（01H）寫狀態(tài)寄存器5READ00000011（03H）讀E2PROM，地址＜256600001011（0BH）讀E2PROM，地址＞2567WRITE00000010(02H)寫E2PROM，地址＜256800001010(0AH)寫E2PROM，地址＜256X2045的內(nèi)部寄存器功能及設(shè)置①寫使能所存器：X2045內(nèi)部有一個(gè)寫使能所存器，在進(jìn)行寫操作時(shí)，寫使能所存器必須被設(shè)置（SET），寫周期完成以后，該所存器被自動(dòng)復(fù)位。RREN指令可以設(shè)置所存器，而REDI指令起復(fù)位所存器的作用。如果WP便為低電平，所存器也被復(fù)位。②狀態(tài)寄存器：X2045內(nèi)部有一個(gè)狀態(tài)寄存器，在任何時(shí)候都可以讀狀態(tài)寄存器， 即使大功率電器智能識(shí)別與安全用電控制器的設(shè)計(jì)在寫周期也如此。RDSR指令提供對(duì)狀態(tài)寄存器的訪問。狀態(tài)奇存器格式如下；D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0/ / WD1 WD0 BL1 BL0 WEL WIPWIP（WriteInprocess）位：“正在寫”標(biāo)志位，WIP位是只讀的。當(dāng)WIP=1時(shí)，表示寫操作正在進(jìn)行，在寫期間，所有其他位全置為“ 1”；當(dāng)WIP=0時(shí)，沒有寫操作。WEL（WriteEnableLatch）位：“寫使能所存”標(biāo)志位，表示“寫使能”所存器的狀態(tài)。WEL位是只讀的，它由WREN指令置位（WEL=1），有WRDI指令或成功的完成了寫周期后復(fù)位（WEL=0）。BL0、BL1（BlockProtect）位：E2PROM塊保護(hù)地址選擇位，即設(shè)置 BL0、BL1的值不同時(shí)，可以改變“塊保護(hù)”的保護(hù)范圍。BL0、BL1的值與塊保護(hù)地址關(guān)系見表3.5表3.5塊地址保護(hù)范圍與看門狗定時(shí)周期BL0 BL1 被保護(hù)列陣的地址范圍 WD1 WD0 看門狗定時(shí)周期/ms0 0 無 0 0 14000 1 180H～1FFH 0 1 6001 0 100H～1FFH 1 0 2001 1 000H～1FFH 1 1 禁止（3）X2045與單片機(jī)的接口當(dāng)片機(jī)與X2045的連接很簡單，P1.0～P1.3分別與X2045的SCK、SI、SO、CS管腳相連，控制數(shù)據(jù)的輸入與輸出。單片機(jī)的 RST與X2045的RST復(fù)位端連接，只要 VCC下降到低于檢測電平時(shí)，RST就變成高電平，并保持高電平直到高于檢測電平為止，即X2045監(jiān)視總線。如果在看門狗定時(shí)器預(yù)置的時(shí)間內(nèi)沒有總線活動(dòng)，它將提供復(fù)位信號(hào)輸出。當(dāng)WP保持高電平時(shí)，所有的功能包括E2PROM的寫操作都正常；在CS變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，WP變?yōu)榈碗娖綄⒅袛鄬?duì)X2045的寫操作。如果內(nèi)部寫周期已經(jīng)開始，WP變?yōu)榈碗娖綄⒉挥绊憣懖僮?。通常WP接高電平。第4章 大功率負(fù)載的智能識(shí)別算法大功率電器智能識(shí)別與安全用電控制器的設(shè)計(jì)通過分析，我們知道大功率負(fù)載的算法是通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)的，和傳統(tǒng)的繼電保護(hù)不同，它們是直接將模塊信號(hào)引入保護(hù)裝置，而程序則主要通過不同電器的幅值、相位、比率等等的一些波形特征來進(jìn)行判別。在對(duì)用電過程中負(fù)載類型進(jìn)行識(shí)別時(shí)，我們大體分為以下幾個(gè)步驟:首先，根據(jù)采樣定律選擇采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)并采集各種負(fù)載類型用電時(shí)的參數(shù)。其次，對(duì)各種負(fù)載的波形在時(shí)域進(jìn)行分析。根據(jù)電壓與電流的相位關(guān)系、波形峰、谷幅值及斜率等特征對(duì)負(fù)載波形進(jìn)行分析，得到負(fù)載波形的特征參數(shù)。最后，對(duì)各種負(fù)載的波形在頻域進(jìn)行分析。一般有 3種方法：傅立葉變換法，小波分析，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。其中比較典型的有傅立葉變換法和小波分析的方法。4.1 傅立葉變換法傅立葉變換法主要是通過在頻域上對(duì)負(fù)載的波形進(jìn)行 FFT變換，獲取波形特征，得到不同負(fù)載波形各頻率的幅值和相位， 作為特征參數(shù)，完成用電過程中負(fù)載類型的識(shí)別。其中傅立葉變換的公式為:()ew()dt（4.1）FWft傅立葉逆變換的公式為:f(t)1ewF(w)dw（4.2）2式(4.l)和式(4.2)形成傅立葉變換對(duì)，對(duì)信號(hào)f（t）實(shí)施分解和綜合。假定被采樣的模擬信號(hào)是一個(gè)周期性時(shí)間函數(shù)，根據(jù)傅氏級(jí)數(shù)的概念，可將此周期函數(shù)分解為不衰減的直流分量和各整次諧波分量，其表達(dá)式為x(t) (ansinn1t bncosn1t) (4.3)n0如果要從信號(hào)x(t)中求出某次諧波分量，依據(jù)三角函數(shù)的正交性可知an2T1tdttx(t)sinn0(4.4)2Tbn1tdttx(t)cosn0當(dāng)n=1時(shí)，所求分量是基波分量，即x1(t)a1sin1tb1cos1t(4.5)假設(shè)x(t)是電流信號(hào)的基波分量，則x(t)又可表示為將上式展開，可得：i1 2I1sin 1tcos1 2I1cos1tsin 1 （4.6）比較式(4.6)與式(4.5)，可以得到大功率電器智能識(shí)別與安全用電控制器的設(shè)計(jì)a12I1cos1（4.7）b12I1sin1于是，根據(jù)a1、b1可以求出基波分量的有效值和初相角I1

a12 b122 （4.8）1b1a1 tga1相應(yīng)地，根據(jù)an、bn也可以求出各次諧波的有效值和相角Inan2bn22（4.9）antg1bnan從以上分析可見，傅氏算法具有濾波作用。欲從信號(hào)中求出某次諧波分量的幅值和相位，只要用與待求信號(hào)頻率相同的正弦函數(shù)與信號(hào)相乘后在一個(gè)周期內(nèi)積分求出an(稱為虛部分量系數(shù))，用與待求信號(hào)頻率相同的余弦函數(shù)與信號(hào)相乘后在一個(gè)周期內(nèi)積分求出bn(稱為實(shí)部分量系數(shù))，然后于燦試(4.9)即可求出該諧波分量的幅值和相角[6]。在計(jì)算機(jī)中，式(4.9)的積分是用采樣信號(hào)與對(duì)應(yīng)濾波系數(shù)相乘后求和的方法來實(shí)現(xiàn)的。以I1代表電流信號(hào)的虛部分量系數(shù)，IR代表電流信號(hào)的實(shí)部分量系數(shù)，可得：I12Ni(k)sink2nTk1N（4.10）1(iNIR02i(k)cosk2niN)Tk1N于是，該次諧波的幅值和相位為I12IR2In2antg1IRI1當(dāng)n=1時(shí)，即為基波的幅值和相角，為簡化運(yùn)算，采用傅氏算法時(shí)，N一般取12。在實(shí)際負(fù)載識(shí)別過程中，由于學(xué)生公寓電器類型多樣，直接對(duì)各種電器負(fù)載的功率進(jìn)行識(shí)別比較困難，因此可轉(zhuǎn)而識(shí)別計(jì)算機(jī)的功率，再從總功率中減去計(jì)算機(jī)的功率所得到的功率就是包含日光燈、白熾燈及違章電器等負(fù)載的功率。因?yàn)槿展鉄簟谉霟舻鹊墓β瘦^小，因此可設(shè)定一閥值，當(dāng)非計(jì)算機(jī)的功率大于這一閥值時(shí)，即認(rèn)為是違章用大功率電器智能識(shí)別與安全用電控制器的設(shè)計(jì)電。計(jì)算出負(fù)載用電時(shí)的總功率、其中所包含的計(jì)算機(jī)功率和非計(jì)算機(jī)的功率，誤差不超過20%，滿足工作要求。此種方法的不足是對(duì)下位機(jī)硬件的要求較高，必須保證電壓和電流的采樣數(shù)據(jù)是對(duì)應(yīng)的整周期數(shù)據(jù)。4.2小波變換法直接從原始樣本來進(jìn)行分類是無目的的，這是由于對(duì)分類來說，重要的不是一個(gè)模式的完整描述，而是導(dǎo)致區(qū)別不同類別模式的那些“選擇性”信息的提取，也就是說，特征提取的主要目的就是盡可能集中表現(xiàn)顯著類別差異的模式信息。另一個(gè)目的則是盡可能縮小數(shù)據(jù)集，以提高識(shí)別率，減少計(jì)算量。目前.，小波分析己經(jīng)廣泛地應(yīng)用于信號(hào)處理、地震勘探、語音識(shí)別與合成、機(jī)械故障診斷與監(jiān)控等科技領(lǐng)域。小波分析可以從多分辨率分析及濾波器組的概念上進(jìn)行解釋，通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行多層小波分解，來提取信號(hào)的特征。小波分析可以看成用基本頻率為v(-)的帶通濾波器在不同尺度(也稱為層)a下對(duì)信號(hào)做濾波。在某級(jí)尺度下將信號(hào)分解成細(xì)節(jié)分量和概貌分量，在更高一級(jí)小波變換時(shí)，又將上一層的概貌分量分解成頻率成分更低的概貌分量和細(xì)節(jié)分量。這樣，隨著尺度的增大，信號(hào)中越來越多的高頻成分被提取出來，其中也包括高頻噪聲，而剩余的概貌分量則主要包含了信號(hào)中的低頻成分。由負(fù)載的電壓和電流信號(hào)的波形可推測，電壓和電流信號(hào)是由幾個(gè)不同頻率的正弦信號(hào)所組成，因此可以采樣小波變換來進(jìn)行負(fù)載識(shí)別。對(duì)負(fù)載的電流信號(hào)做5層Dmever小波分解，計(jì)算各負(fù)載電流值的平方和、細(xì)節(jié)部分第5層的能量以及概貌部分與細(xì)節(jié)部分第5層的能量的比值，根據(jù)這些特征值識(shí)別出大功率阻性負(fù)載與計(jì)算機(jī)。因此利用小波變換方法可識(shí)別用電負(fù)載中是否含有計(jì)算機(jī)負(fù)載、是單純的計(jì)算機(jī)負(fù)載還是計(jì)算機(jī)與其它電器的混合負(fù)載，還可以更進(jìn)一步的識(shí)別出計(jì)算機(jī)的臺(tái)數(shù)。但是不能區(qū)分是正弦電壓還是非正弦電壓，需要通過觀察電壓和電流的波形得到電壓的工作狀態(tài)。4.3 本系統(tǒng)采用的算法采用傅立葉算法或小波分析算法時(shí)，計(jì)算量龐大，對(duì)處理器要求較高，在誤差要求不是很高的場合可以采用差值比較的算法。通過試驗(yàn)比較，一般小功率的電器，其使用時(shí)電流波形比較接近正弦函數(shù)，但像計(jì)算機(jī)一類的功率稍大的電器，其電流波形變化比較顯著，兩者的波形比較見下圖：大功率電器智能識(shí)別與安全用電控制器的設(shè)計(jì)圖4.1 白熾燈的波形 圖4.2 計(jì)算機(jī)的波形我們可以檢測其在出現(xiàn)突變值后的電流變化，如出現(xiàn)一個(gè)極大值之后的一段時(shí)間連續(xù)出現(xiàn)大值則可判斷其為大功率負(fù)載，而普通電器的電流變化較平緩，在一些情況下雖然也可能出現(xiàn)電流的跳變，但干擾過去以后，其電流的變化又恢復(fù)平緩變化。在本系統(tǒng)中，我們通過電流互感器和其外圍電路的參數(shù)選擇，使 A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果與負(fù)載功率的大小形成每增加一個(gè)二進(jìn)制單位對(duì)應(yīng)負(fù)載增加1W的對(duì)應(yīng)。假設(shè)單個(gè)電器的最大限定值為300W，算法步驟如下：系統(tǒng)軟件每20mS對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行1次采樣，每次A/D轉(zhuǎn)換后的值都與前次值求差，如果差值達(dá)到300W則將大值標(biāo)志位記1，并將上次A/D轉(zhuǎn)換的電流數(shù)據(jù)做為暫時(shí)設(shè)定值，繼續(xù)采樣電流的數(shù)據(jù)。接下來的A/D轉(zhuǎn)換值如果大于暫時(shí)設(shè)定值，則將計(jì)數(shù)器加1，若在0.1秒內(nèi)計(jì)數(shù)器的值達(dá)到上限設(shè)定值，則判斷目標(biāo)房間使用了大功率電器，計(jì)數(shù)器和大值標(biāo)志位清零，驅(qū)動(dòng)繼電器斷電；若在0.1秒內(nèi)計(jì)數(shù)器的值沒有達(dá)到上限設(shè)定值，則其電流變化可能為干擾信號(hào)，計(jì)數(shù)器和大值標(biāo)志位清零，重新監(jiān)聽電流的變化。為了讓功率限定值可以方便的更改，在系統(tǒng)開始時(shí)，從外部輸入一電壓信號(hào)，單片機(jī)讀取該值后將該值作為電流跳變的基準(zhǔn)差值（系統(tǒng)中 0-5V對(duì)應(yīng)0-800W的功率變化）。大功率電器智能識(shí)別與安全用電控制器的設(shè)計(jì)第5章 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)5.1主程序算法分析程序開始前，調(diào)用延時(shí)1秒子程序，使程序有足夠的時(shí)間躲過