大功率電器智能識(shí)別及安全用電控制器的設(shè)計(jì)

1、天 津 大 學(xué) 網(wǎng) 絡(luò) 教 育 學(xué) 院?？飘厴I(yè)論文題目：大功率電器智能識(shí)別與安全用電控制器的設(shè)計(jì)完成期限：2016年1月8日 至 2016年4月20日學(xué)習(xí)中心：嘉興專業(yè)名稱：電氣自動(dòng)化技術(shù)學(xué)生姓名：計(jì)建國(guó)學(xué)生學(xué)號(hào)：132092433052指導(dǎo)教師：李娜娜天津大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院?？飘厴I(yè)論文大功率電器智能識(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(zhǎng)的激增，尤其是伴隨著學(xué)生生活條件的不斷改善，越來(lái)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

2、技手段加強(qiáng)用電管理?，F(xiàn)在國(guó)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(chǎng)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(lái)，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

3、障診斷。我國(guó)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(wèn)題，安全隱患日益突出。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)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(lái)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

4、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(chǎng)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(lái)負(fù)面的社會(huì)影響。供電與用電之問(wèn)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(cè)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(guò)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。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)

5、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(wèn)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(guó)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：利用微處理器通過(guò)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(wú)差拍控制逆變換器的輸出進(jìn)行精確控制。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(cè)和跟蹤、車型識(shí)別系統(tǒng)的具體研究中。用小波尺度譜和相位譜對(duì)一些典型的

6、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(cè)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(cè)試結(jié)果的影響。這些研究雖然簡(jiǎn)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):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。利用窗函數(shù)對(duì)檢測(cè)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

7、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。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(guò)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(cè)中應(yīng)用。但它所能檢測(cè)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。利用DSP按照傅立葉變換、小波分析等算法分析了測(cè)試信號(hào)的特征，并經(jīng)過(guò)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。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(cè)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(cè)試波形與典型波形的

8、匹配程度，從而確定測(cè)試波形類型，但當(dāng)測(cè)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(wú)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(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)電磁測(cè)量信息處理儀器分會(huì)對(duì)自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)的幾種通訊介質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。通過(guò)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)

9、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(lái)的，它通過(guò)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(guò)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(zhǎng)而增長(zhǎng)?？偟膩?lái)說(shuō)，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(guò)有效的

10、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(guò)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(lái)。先進(jìn)的可以與銀行連接，定期通過(guò)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(guò)擴(kuò)展，可以實(shí)現(xiàn)用電營(yíng)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(zhǎng),將

11、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(lái)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)：(1) 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。(2) 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的一致性。(3) 實(shí)現(xiàn)管理流程的必要約束。(4) 實(shí)現(xiàn)主要業(yè)務(wù)的質(zhì)量控制(5) 提高管理的效率。1.3 課題的來(lái)源及主要研究?jī)?nèi)容1.3.1 課題來(lái)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(lái)就存在許多問(wèn)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

12、市場(chǎng)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?jī)?nèi)容本研究課題將在以下幾個(gè)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(duì)用電過(guò)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

13、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(cè)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。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(cè)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(cè)模塊主要完成對(duì)原始數(shù)據(jù)的采集，經(jīng)過(guò)整流濾波，信號(hào)調(diào)理后，通過(guò)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

14、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(guò)來(lái)的控制命令：通斷電。中繼器模塊則是數(shù)據(jù)檢測(cè)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(guò)它進(jìn)行數(shù)據(jù)的調(diào)用和控制。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(jì)的功率智能控制器是接在房間回路的主干線上。通過(guò)電流互感器采集主電路中的電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)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(lái)設(shè)定單個(gè)電器的上限值（一

15、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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)設(shè)置觸電、過(guò)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(cè)模塊數(shù)

16、據(jù)檢測(cè)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(jiǎn)單的電流負(fù)感器采樣，經(jīng)橋式整流、濾波后再經(jīng)過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)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(lái)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

17、。當(dāng)控制信號(hào)從單片機(jī)出來(lái)后，先經(jīng)過(guò)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(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作。通過(guò)繼電器的斷和閘來(lái)實(shí)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(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(guò)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(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)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

18、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(guò)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(guò)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(wú)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(cè)到200mV的輸入信號(hào)電平。RS485是半雙工，在某一

19、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。第3章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1 數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)檢測(cè)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(jiǎn)單的電流負(fù)感器采樣，經(jīng)橋式整流、濾波后再經(jīng)過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)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(lái)保護(hù)A/D芯片。數(shù)據(jù)檢測(cè)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(cè)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

20、流以供給測(cè)量?jī)x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組開路，則互感器成為一個(gè)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(dòng)勢(shì)，鐵心磁通也在二次繞組中感應(yīng)出相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)。如果二次繞組回路通過(guò)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

21、組匝數(shù)之比。 電流互感器的用途是實(shí)現(xiàn)被測(cè)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(guò)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)。電流互感器的一次繞組通常串聯(lián)與被測(cè)量的一次電路中，二次繞組通過(guò)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(guò)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)

22、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(cè)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(cè)量?jī)x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(cè)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(cè)量和保護(hù)功能。電流互感器的用途是實(shí)現(xiàn)被測(cè)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

23、超過(guò)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：圖 3.3 電流互感器及檢測(cè)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（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）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

24、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：(1) 主要特性： 與MCS-51 兼容 4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 壽命：1000寫/擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年 全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 128*8位內(nèi)部RAM 32可編程I/O線 兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 圖3.4 AT89C2051引腳(2) 管腳說(shuō)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。

25、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。

26、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 P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 T

27、XD（串行輸出口） P3.2 /INT0（外部中斷0） P3.3 /INT1（外部中斷1） P3.4 T0（記時(shí)器0外部輸入） P3.5 T1（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(wèn)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

28、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(guò)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(wú)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(wèn)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RESE

29、T；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(lái)自反向振蕩器的輸出。(3) 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(guò)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(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 (4) 芯片擦除：整個(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過(guò)正確的控制信號(hào)組合，并保持AL

30、E管腳處于低電平10ms 來(lái)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(cè)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)

31、換器，具有轉(zhuǎn)換速度快、穩(wěn)定性好、與單片機(jī)接口簡(jiǎn)單，且性價(jià)比好等優(yōu)點(diǎn)?？赏ㄟ^(guò)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(cè)電壓中的一個(gè)。片內(nèi)產(chǎn)生轉(zhuǎn)換時(shí)鐘并由片I/O CLOCK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(zhǎng)度和格式可編程為以下幾種方式：(1) 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）。圖3.5 TLC2543管腳功能(2) MSB（D11位）或LSB（DO位）作前導(dǎo)輸出。 (

32、3) 可變輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（8位、12位、16位）。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(shuō)明如下： AIN0AIN10：11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。 CS：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(cè)試電壓；后4位用于選擇輸出數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度和格式

33、。 DATAO：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?，并保持低電平直到轉(zhuǎn)換完成及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備傳輸。 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

34、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?；鶞?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。 REF-：負(fù)基準(zhǔn)電壓端，即基準(zhǔn)電壓的低端。 Vcc：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3.6 TLC2543工作特性TLC2543與單片的接口電路如圖3.7所示。VCC+5VVCCP1.3DATAOUTP1.5P1.4ADDRESSI/O CLOCK P1.2CS TLC1543GNDGNDATC892051圖 3.7 TLC2543與

35、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(shuō)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P3.0485 RO接收輸入P1.1485 DE*RE收發(fā)控制P3.1485 DI發(fā)送輸出P1.2A/D

36、CS端片選信號(hào)P1.5A/D DINPUT數(shù)據(jù)輸出P1.3A/D I/O CLK脈沖信號(hào)P1.6A/D EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸入P1.4A/D DOUT數(shù)據(jù)輸入P1.7光耦合器4N25繼電器驅(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(guò)1ms，它們都能很好地工作。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

37、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(guò)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。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(guò)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

38、圖3.12所示。P1.7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(cè)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。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

39、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(lái)驅(qū)動(dòng)總線，具體規(guī)格要求： (1) 接收器的輸入電阻RIN12k(2) 驅(qū)動(dòng)器能輸出±7V的共模電壓(3) 輸入端的電容50pF(4) 在節(jié)點(diǎn)數(shù)為32個(gè)，配置了120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)）(5) 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

40、、多節(jié)點(diǎn)（32個(gè)）以及傳輸線成本低的特性，使得EIA RS-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300A，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(jiǎn)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

41、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(jiǎn)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100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MAX4

42、85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。圖3.13 中繼器電路圖3.4.3 多機(jī)通信通信過(guò)程的協(xié)議要根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，來(lái)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(jiǎn)單的協(xié)議5： 系統(tǒng)中允許接有255臺(tái)從機(jī)，它們的地址分別是00HFFH。 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) 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 數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度：16個(gè)字節(jié) 從機(jī)狀態(tài)格式為：D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0ERR00000TRDYRRDY其中：若ERR=1，表

43、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(jiǎn)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。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)

44、程序流程圖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

45、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(guò)流、過(guò)熱和安全工作區(qū)保護(hù)電路，一般不會(huì)因過(guò)載而損壞。一般在電路中加上電容用于抑止過(guò)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23V，不宜高出太多，高出太多使穩(wěn)壓器功耗過(guò)大，易損壞穩(wěn)壓器。整流二極管D1和D2用來(lái)保證電路整流的進(jìn)一步可靠。兩個(gè)發(fā)光二極管用來(lái)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(guò)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

46、流電壓Uz電阻或感性負(fù)載0.9 U2有電容濾波空載1.41U2負(fù)載1.1U2整流變壓器二次側(cè)電壓有效值U2電阻或感性負(fù)載1.11Uz有電容濾波空載0.707Uz負(fù)載0.91Uz整流變壓器二次側(cè)電流有效值I2電阻負(fù)載1.11Iz無(wú)限大電感負(fù)載Iz整流變壓器二次側(cè)容量P2電阻負(fù)載1.23UzIz無(wú)限大電感負(fù)載1.11UzIz整流變壓器一次側(cè)容量P1電阻負(fù)載1.11UzIz無(wú)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(guò)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

47、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=7.01V I2=1.11*1=1.11A P1=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

48、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(guò)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壓Uz電阻或感性負(fù)載0.9 U2有電容濾波空載1.41U2負(fù)載1.1U2整流變壓器二次側(cè)電壓有效值U2電阻或感性負(fù)載1.11Uz有電容濾波空載0.707Uz負(fù)載0.91Uz整流變壓器二次側(cè)電流有效值I2電阻負(fù)載1.11Iz無(wú)限大電感負(fù)載Iz整流變壓器二次側(cè)容量P2電阻負(fù)載1.23UzIz無(wú)限大電感負(fù)載1.11UzIz整流變壓器一次側(cè)容量P1電阻負(fù)載1.11UzIz無(wú)限大電感負(fù)載1.23UzI

49、z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(guò)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=7.01V I2=1.11

50、*1=1.11A P1=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 U1/ U2= W1/ W2 I1/ 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13001500高斯，熱冷軋鋼片Bm取10001300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=32Ps/2 Et=1.2（伏/匝）計(jì)

51、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= 12 n2 =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

52、E2PROM為一身，大大簡(jiǎn)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 具有串行外圍設(shè)備通信接口SPI，與單片機(jī)接口簡(jiǎn)單，使用方便。 具有可編程的看門狗定時(shí)器。 低VCC檢測(cè)：直至VCC=1V復(fù)位信號(hào)有效，高電平有效復(fù)位。 內(nèi)部有512B的串行E2PROM，每個(gè)字節(jié)可寫入100 000次，數(shù)據(jù)保存期為100年。 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。 具有塊鎖定功能：可以保護(hù)1/4，1/2或所有E2PROM列陣。 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。 ESD保護(hù)所

53、有管腳均為2000(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： 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。 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。 電源地腳（VSS）。 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(guò)此腳輸入，在串行時(shí)鐘的上聲沿將數(shù)據(jù)鎖定。 串行輸入時(shí)鐘腳（SCK）。 復(fù)位信號(hào)輸出腳（RESET）：高電平有效，注意是漏極開路輸出。 電源輸入腳（VCC）：X2045有4.55.5V、2.75.5V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3.4 X2045的指令集表序號(hào)指令名稱指令