學(xué)生公寓電費(fèi)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)-模擬電子
本文給出了采用福星曉程PL3000單片機(jī)的具有上述功能的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，本產(chǎn)品已在本地進(jìn)入了推廣階段。
1 硬件電路設(shè)計(jì)
1.1 控制系統(tǒng)總體方案
每個(gè)用戶端由一個(gè)多功能電表完成用電計(jì)量計(jì)費(fèi)和管理，上位計(jì)算機(jī)將相關(guān)用電控制參數(shù)傳送到用戶終端，終端系統(tǒng)則根據(jù)管理中心設(shè)定的參數(shù)對(duì)用電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，向管理中心計(jì)算機(jī)報(bào)送計(jì)量數(shù)據(jù)、惡性負(fù)載判別等功能，并執(zhí)行管理中心發(fā)送的斷電、供電指令。從而構(gòu)成整個(gè)供電場所的柔性智能管理系統(tǒng)。其總體方案如圖1所示。
1.2 多功能電表結(jié)構(gòu)
本方案采用北京福星曉程公司開發(fā)的多功能電表專用處理器PL3000。該芯片具有以下特點(diǎn)和功能：
(1)內(nèi)嵌增強(qiáng)型8051兼容處理器，配置8/16位ALU、256+768 bytes SRAM以及8kbytes E2PROM、三個(gè)8/16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)看門狗定時(shí)器和三個(gè)外部中斷。
(2)超級(jí)指令流水線結(jié)構(gòu)，同等主頻情況下8倍速于標(biāo)準(zhǔn)8051微處理器。
(3)內(nèi)置高精度數(shù)字多功能電能計(jì)量單元，計(jì)量精度優(yōu)于0.1%;
(4)電流通道內(nèi)置可編程增益放大器(PGA)
(5)內(nèi)置雙通道電流采樣、正/負(fù)功指示數(shù)字邏輯電路，具有防竊電功能。
(6)提供有功功率和無功功率瞬時(shí)值輸出。
(7)外圍模塊包括LCD驅(qū)動(dòng)、在系統(tǒng)編程、電源電壓監(jiān)測電路、雙通道IS07816接口、實(shí)時(shí)鐘。
該芯片集成了豐富的功能模塊，外部只需少量的輔助元件即可完成所有功能，達(dá)到了整機(jī)低成本、高可靠的要求。電表設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。
1.3 電流電壓互感器采樣電路
其工作原理是：首先，通過電流互感器CT、電壓互感器PT對(duì)電流、電壓采樣，采樣電路如圖3所示;采樣后直接送入IC引腳，經(jīng)過內(nèi)部放大電路放大，通過 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào);接下來經(jīng)過數(shù)字濾波、移相等處理;最終，得到有效的電能計(jì)量數(shù)據(jù)。從而完成對(duì)有功/無功功率、瞬時(shí)電流和電壓的有效值以及當(dāng)前的交流頻率值的計(jì)量、計(jì)算。
計(jì)量電路可以由軟件來控制采樣兩路電流信號(hào)中的某一路。在計(jì)量模塊內(nèi)部與電壓采樣結(jié)果進(jìn)行乘法處理，計(jì)算得到有功功率、無功功率。計(jì)量模塊與8051之間是并行通訊，通過寄存器以及中斷進(jìn)行控制。PL3200內(nèi)部的嵌入式微處理器8051可以通過特殊功能寄存器(SFR，包
括控制寄存器、標(biāo)識(shí)寄存器、校表寄存器和數(shù)據(jù)寄存器四類)地址直接訪問計(jì)量模塊內(nèi)部的寄存器。
1.4 有功測量
電能在物理山可以看成是從電源流向負(fù)載的能量流，在數(shù)學(xué)上等于該時(shí)刻瞬時(shí)電壓值與瞬時(shí)電流值的乘積，將所有瞬時(shí)消耗的乘積在時(shí)間上做積分得到(見下式)：
其中U、I分別為交流電壓、電流信號(hào)的有效值，cosφ為功率因素，然而，式(2)僅適用于電壓電流都是標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)的時(shí)候，若這個(gè)前提不滿足，則不能用式(2)作電網(wǎng)的功率計(jì)量。在實(shí)際電網(wǎng)中，電壓電流信號(hào)基本上都不是只包含50Hz頻率分量的正弦信號(hào)，而是含有很多諸如
100Hz、150Hz、200Hz…等的諧波信號(hào)。因此現(xiàn)代電能計(jì)量都仍然使用式(1)來計(jì)算功率和電能。
PL3000芯片采用了IIR高通濾波器去除電壓電流信號(hào)中的直流信號(hào)，IIR型濾波器的一個(gè)缺點(diǎn)是具有非線性相位的頻響特性，但由于PL30 00芯片對(duì)電壓和電流信號(hào)使用同樣的IIR型濾波器，對(duì)電壓電流信號(hào)中的同頻率分量將產(chǎn)生同樣的相位延時(shí)，它們的相角差沒有改變，因而不會(huì)對(duì)同頻率的電壓電流乘積積分值產(chǎn)生影響，這一點(diǎn)PL3000芯片與其他同類功率計(jì)量芯片不同，高通濾波器將不會(huì)由于非線性相位效應(yīng)對(duì)電能計(jì)量產(chǎn)生不利影響。
1.5 通信接口設(shè)計(jì)
串行數(shù)據(jù)通信只需要一對(duì)數(shù)據(jù)傳送線進(jìn)行信息的傳送，傳送成本較低，特別適用分布式控制系統(tǒng)以及遠(yuǎn)距離通信之中，故本設(shè)計(jì)選擇串行數(shù)據(jù)通信。RS-232C 和RS-485接口電路是最常用的接口，RS-232C的缺點(diǎn)是只能用于短距離的數(shù)據(jù)通信，通常傳送距離在50m以內(nèi)，而RS-
485可以達(dá)到上千米。RS-485接口在總線上允許連接多達(dá)128個(gè)收發(fā)器，具有良好的抗噪聲干擾性、長的傳輸距離和多站能力等優(yōu)點(diǎn)，在此我們選用 RS-485接口作為用戶端和管理中心的通信接口。RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具
有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號(hào)能在千米以外得到恢復(fù)。RS-485采用半雙工工作方式，任何時(shí)候只能有一點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號(hào)加以控制。RS-485用于多點(diǎn)互連時(shí)非常方便，可以省掉許多信號(hào)線。應(yīng)用RS-485可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺(tái)驅(qū)動(dòng)器和32臺(tái)接收器。圖4為由SN75176構(gòu)成的RS-485通信接口電路。
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