目 錄 摘 要 Abstract 第 1 章 緒論 1 1.1 用電管理的意義 1 1.2 用電管理的發(fā)展 及前景 2 1.3 課題的來源及主要研究內(nèi)容 4 1.3.1 課題來源 4 1.3.2 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 5 2.1 系統(tǒng) 的主要組成 5 2.2 系統(tǒng)及各主要模塊的介紹 6 2.2.1 數(shù)據(jù)檢測模塊 6 2.2.2 控制模塊 6 2.2.3 繼電器執(zhí)行模塊 7 2.2.4 中繼模塊 7 第 3 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 8 3.1 數(shù)據(jù)檢測模塊的設(shè)計 8 3.2 控制模塊的設(shè)計 9 3.2.1 單片機(jī)的介紹及選擇 9 3.2.2 控制模塊的設(shè)計 12 3.2.3 時鐘與復(fù)位電路 14 3.3 繼電器執(zhí)行模塊 15 3.3.1 光電耦合器 的介紹 15 3.3.2 光電耦合電路 16 3.3.3 繼電器電路的設(shè)計 16 3.4 中繼模塊的設(shè) 計 16 3.4.1 模塊總線標(biāo)準(zhǔn)的確定 17 3.4.2 系統(tǒng)使用的 MAX485芯片介紹 17 3.4.3 多機(jī)通信 18 大功率電器智能識別與安全用電控制器設(shè)計 3.5 電源電路設(shè)計 21 3.6 斷電保護(hù)電路 24 第 4 章 大功率負(fù)載智能識別算法 27 4.1 傅立葉變換法 27 4.2 小波變換法 29 4.3 本系統(tǒng)采用的算法 30 第 5 章 系統(tǒng)程序設(shè)計 31 5.1 主程序算法分析 31 5.2 程序流程 32 5.2.1 主 程序流程 33 5.2.2 初始化子程序 33 5.2.3 A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖 34 5.2.4 差值比較算法子程序流程圖 35 5.2.5 減法子程序流程圖 36 5.2.6 比較子程序流程圖 37 5.2.7 通信子程序了流程圖 38 5.2.8 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)計總圖 43 - I - 大功率電器智能識別與安全用電控制器的設(shè)計 摘 要 ： 由于學(xué)校宿舍的用電管理和用電安全存在著眾多問題，所以我們設(shè)計了一個以單片機(jī)為核心能自動識別大功率電器并能限制其使用的智能用電控制器。介紹了系統(tǒng)的組成 、主要模塊的工作原理及程序流程圖。該控制器主要 適用于學(xué)生寢室、集體宿舍、教室、等一些集體公共場所。 當(dāng)有常規(guī)小功率電器接入時，電流的瞬間變化量將不會超過設(shè)定值，電路能正常供電。而當(dāng)有單個功率在設(shè)定值以上的電器接入時，瞬時電流的變化量將超過允許使用單個電器的上限值，單片機(jī)主控器將 切斷電源， 能有效的防范學(xué)生在宿舍內(nèi)使用大功率禁用電器，減少安全隱患節(jié)約電能。 關(guān)鍵詞：智能識別、單片機(jī)、串行 A/D、 RS485 總線 - II - Designment of High-Power Electric Appliances Intelligently Identifying and Electrical Safety Controller Abstract:Because the electrical management and safety problems widely existed in dormitories, a chip microcomputer-based intelligent electrical controller which can automatically identify high-power electric appliances was developed. With the ability of prevent using banned high-power electric appliances, this design can be applied in dormitories, classrooms, and some other public places to reduce incipient fault of safety. Besides, it needs less electric energy to run than other systems with similar function. As have routine little power electric apparatus connect fashionable, person who change can exceed the establishing value twinkling of an eye in electric current, circuit Yes to supply power normally. And as have power above electric apparatus of establishing etc. at inserting circuit , instantaneous change amount of electric current exceed limit of having used to allow, it should be worth that the one-chip computer will cut the power. This work introduced the element of this system, operating principle of its main block and flowchart of its program. Key words:intelligent identification、 chip-microcomputer、 serial A/D、 RS485 bus SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesTSelectionParbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphFoLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointse11111111111111111111111111111111lectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraphFormatLineSpaci2222222222222222222222ngLinesToPoints2SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraphFccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagra 畢業(yè)設(shè)計論文 SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesTSelectionParbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphFoLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointse11111111111111111111111111111111lectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraphFormatLineSpaci2222222222222222222222ngLinesToPoints2SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraphFccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagra - 1 - 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，這就要求對學(xué)生開放用電，而且高校后勤的社會化也勢在必行；目前各高校都在進(jìn)行后勤社會化改革，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)是電量的自動計量及管理發(fā)展的趨勢，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)及模式識別技術(shù)，一種全新概念的智能計量及管理信息網(wǎng)絡(luò)急待完善和提高。該計量管理信息網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用計算機(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用戶電能計量裝置要求的所有功能，并可實現(xiàn)智能化的自動故障診斷。 我國高校中普遍存在用電管理落后、電力資源嚴(yán)重浪費的問題，安全隱患日益突出。長期以來，我國高校對校辦公區(qū)和學(xué)生公寓普遍實施免費電量供應(yīng)，有的還對學(xué)生公寓進(jìn)行了限流定時的供電管理方法，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、超額收費的辦法。這樣即解決了供電與用電之間的矛盾，同時也減輕了學(xué)校支付高額電費的負(fù)擔(dān)。但是實施用電收費管理，一方面必將帶來大量的人工抄表統(tǒng)計收費工作，而傳統(tǒng)抄表方式時效性差、統(tǒng)計工作量大、交費手續(xù)極為繁瑣、容易產(chǎn)生錯抄、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，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)院的財產(chǎn)，并且給學(xué)校帶來負(fù)面的社會影響。供電與用電之問的矛后日益突出，傳統(tǒng)的電量計量管 - 2 - 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)，成為大勢所趨 1。 管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)對整個公寓的集中監(jiān)控，可實現(xiàn)學(xué)生公寓各房間用電量自動檢測計量、超預(yù)置電量自動斷電、非法用電自動識別、短路、過流保護(hù)、欠費自動提示等功 能，可使公寓用電管理自動化、智能化，提高公寓管理水平，實現(xiàn)安全、節(jié)能、增效。 1.2 用電管理的發(fā)展 及前景 隨著電子技術(shù)、計算機(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量系統(tǒng)，在計量方式上采用了遠(yuǎn)程計算機(jī)管理信息網(wǎng)絡(luò)，基本實現(xiàn)了計量的自動化和網(wǎng)絡(luò)化，但是以往的研究都沒有涉及負(fù)載類型的識別問題。因此，對負(fù)載類型識別的研究，有助于填補(bǔ)這一空白。 目前，國內(nèi)外研究負(fù)載模式識別的人較少。但也取得了一定的成果，主要是以下幾個方面：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，從而實現(xiàn)對無差拍控制逆變換器的輸出進(jìn)行精確控制。對智能交通系統(tǒng)中 的圖像處理、模式識別和智能控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的研究并將這些技術(shù)融合到車牌識別、車道檢測和跟蹤、車型識別系統(tǒng)的具體研究中。用小波尺度譜和相位譜對一些典型的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障振動信號進(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)載識別的方法，介紹如何運用采樣理論進(jìn)行采樣，還考慮了周圍環(huán)境對測試結(jié)果的影響。這些研究雖然簡單的對負(fù)載參數(shù)進(jìn)行了估算，但是，這些工作沒有實現(xiàn)自動化， 因此工作量大、效率低，不適合實時控制的需要。為更好地滿足計算及判別的自動化，應(yīng)用了波形識別的概念，但在實用性、實時性等方面有 各自的缺點 :雖然討淪了對波形的瞬時值進(jìn)行采樣并與相應(yīng)的特征值進(jìn)行對比，以判斷設(shè)備的工作情況，但對整個波形的特征并未加以利用。利用窗函數(shù)對檢測波形處理后經(jīng)短時傅立葉變換或小波變換獲得特征值由此建立二維時頻域空間，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、快速分析。利用波形的瞬時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)行了對比認(rèn)為頻譜分析比波形瞬時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)載類型識別中的應(yīng)用。利用 DSP按照傅立葉變換、小波分析等算法分析了測試信號的特征，并經(jīng)過比對確定系統(tǒng)工作狀態(tài)，但沒有建立系統(tǒng)自動比對方法。根據(jù)波形自動分析的需要，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SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesTSelectionParbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphFoLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointse11111111111111111111111111111111lectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraphFormatLineSpaci2222222222222222222222ngLinesToPoints2SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraphFccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagra 畢業(yè)設(shè)計論文 SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesTSelectionParbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphFoLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointse11111111111111111111111111111111lectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraphFormatLineSpaci2222222222222222222222ngLinesToPoints2SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraphFccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagra - 3 - 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，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、工程量和維修量，甚至關(guān)系到系統(tǒng)的成敗。自動計量系統(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)會電磁測量信息處理儀器分會對自動計量系統(tǒng)的幾種通訊介質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。 通過對用電管理系統(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)上實現(xiàn)整個公寓，甚至整個小區(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)用到樓宇自動化中，而且現(xiàn)行的許多智能住宅小區(qū)也實現(xiàn)了遠(yuǎn)程抄表、煤氣、用水管理及 自動保安報警等服務(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，它通過對小區(qū)建筑群四個基本要素 (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 是一個相對的概念， 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 實現(xiàn) 對 小區(qū)的住戶管理、信息查詢，而且實現(xiàn)小區(qū)的自動抄表系統(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，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表與自動扣費結(jié)合。 此外，在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，通過擴(kuò)展 ，可以 實現(xiàn)用電營業(yè)管理系統(tǒng) 。代替 傳統(tǒng)人工方式 的 用電管理 ， 這種管理方式存在著許多缺點 ,如：效率低、保密性差 ,另外時間一長 ,將產(chǎn)生大量的文件和數(shù)據(jù) ,這對于查找、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， 因此有必要進(jìn)行計算機(jī)管理。他不但具有傳統(tǒng)用電管理的優(yōu)點，還有以下幾個優(yōu)點： (1) 提供多種客戶服務(wù)和服務(wù)項目，以提高優(yōu)質(zhì)服務(wù)水平。 (2) 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的一致性。 (3) 實現(xiàn)管理流程的必要約束。 (4) 實現(xiàn)主要業(yè)務(wù)的質(zhì)量控制 - 4 - (5) 提高管理的效率。 1.3 課題的來源及主要研究內(nèi)容 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。對于這些電器的使用應(yīng)加以限制，保護(hù)學(xué)生的生命財產(chǎn)安全。 同時，一些學(xué)生節(jié)約用電的意識淡薄，這樣往往容易造成一些電能的不必要浪費。高效的電能管理能減少電能的浪費。 1.3.2 主要研究內(nèi)容 本研究課題將在以下幾個方面展開工作 : (1) 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。 (2) 對用電過程中的負(fù)載類型進(jìn)行識別。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，會使電壓波形產(chǎn)生畸變，成為非正弦波，即削頂電壓。 本課題要實現(xiàn)在以上兩種電壓波形下負(fù)載類型的識別。其目的就是限制大功率性負(fù)載 (如電爐子、熱水器等 )。但允許使用計算機(jī)負(fù)載，可以根據(jù)要求設(shè)定限制允許使用的計算機(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，將立即斷電，一段時間后，恢復(fù)供電，如繼續(xù)使用，將再次斷電，并記錄。 SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesTSelectionParbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphFoLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointse11111111111111111111111111111111lectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraphFormatLineSpaci2222222222222222222222ngLinesToPoints2SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraphFccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagra 畢業(yè)設(shè)計論文 SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesTSelectionParbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphFoLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointse11111111111111111111111111111111lectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraphFormatLineSpaci2222222222222222222222ngLinesToPoints2SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraphFccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagra - 5 - 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，整個設(shè)計系統(tǒng)由上位計算機(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原始數(shù)據(jù)的采集，經(jīng)過整流濾波，信號調(diào)理后，通過 A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，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算機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞的橋梁；上位計算機(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串行卡N數(shù)據(jù)檢測及控制模塊1數(shù)據(jù)檢測及控制模塊N中繼模塊1數(shù)據(jù)檢測及控制模塊1數(shù)據(jù)檢測及控制模塊N中繼模塊N上位機(jī) - 6 - 圖 2.1 系統(tǒng)總體的框圖 2.2 系統(tǒng)及各主要模塊的介紹 首先本系統(tǒng)設(shè)計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，經(jīng)過整流、濾波以及信號調(diào)理，送到 A/D轉(zhuǎn)換芯片 TLC2543轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，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 ：首先根據(jù)功率單個最小禁用電器接入時的功率，來設(shè)定單個電器的上限值（一般單個功率都不大于 300W）。由于常規(guī)小功率電器接入時，電流的瞬間變化量將不會超過設(shè)定值，所以電路能正常供電。但是當(dāng)有單個功率在設(shè)定值以上的電器接入時，瞬時電流的變化量將超過允許使用單個電器的上限值，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)生的誤動作，在規(guī)定的時間內(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)過一個簡單的限幅保護(hù)電路直接將線性的電壓信號送至 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)主要實現(xiàn)對 A/D轉(zhuǎn)換器輸入的信號進(jìn)行分析、處理，其中系統(tǒng)的算法就是在這里完成的。它是整個控制系統(tǒng)的核心。時鐘電路和復(fù)位電路，顧名思義，分別是提供時鐘周期和進(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)控制信號從單片機(jī)SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesTSelectionParbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphFoLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointse11111111111111111111111111111111lectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraphFormatLineSpaci2222222222222222222222ngLinesToPoints2SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraphFccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagra 畢業(yè)設(shè)計論文 SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesTSelectionParbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphFoLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointse11111111111111111111111111111111lectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraphFormatLineSpaci2222222222222222222222ngLinesToPoints2SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraphFccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagra - 7 - 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)三級管放大來驅(qū)動繼電器動作。通過繼電器的斷和閘來實現(xiàn)房間的通斷電。 2.2.4 中繼模塊 中繼模塊主要是為了實現(xiàn)眾多單片機(jī)和上位機(jī)之間的通信?？紤]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 EIA（ Electronic Industry Association）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 過在實際應(yīng)用中并非 25 條線全都用到，如果只有一個終端，刪去未定義的和專用與同步傳輸?shù)男盘柧€， RS232 中常用的信號線只有 9條。一般使用上的計算機(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。該標(biāo)準(zhǔn)允許驅(qū)動器（發(fā)送端）輸出為 2V 6V，接收器可以檢測到 200mV的輸入信號電平。 RS485是半雙工，在某一時刻發(fā)送另一時刻接收，當(dāng)用于多即互連時，可以節(jié)省信號線，便 于高速遠(yuǎn)距離傳送 3。 - 8 - 第 3 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 3.1 數(shù)據(jù)檢測模塊的設(shè)計 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)過一個簡單的限幅保護(hù)電路直接將線性的電壓信號送至 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。 本模塊電路的核心部件是電流互感器，它實時的采集著目標(biāo)房間的電流瞬時變化。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在同一個磁路閉合的鐵心上。如果一次繞組帶電而二次繞組開路，則互感器成為一個帶鐵心的電抗器。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勢，鐵心磁通也在二次繞組中感應(yīng)出相應(yīng)的電動勢。如果二次繞組回路通過一個阻抗形成回路，則二次回路中將產(chǎn)生一個電流， 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，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 電壓形成放大電路 整流濾波電路 信號調(diào)理電路 限幅保護(hù)電路 圖 3.1 數(shù)據(jù)檢測模塊 Ip Is一次繞組 二次繞組N1 N2ZbSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesTSelectionParbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphFoLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointse11111111111111111111111111111111lectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraphFormatLineSpaci2222222222222222222222ngLinesToPoints2SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraphFccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagra 畢業(yè)設(shè)計論文 SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesTSelectionParbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphFoLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointse11111111111111111111111111111111lectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraphFormatLineSpaci2222222