【正文】 ......... 24 負(fù)載識(shí)別模塊的設(shè)計(jì) .............................................................................. 25 設(shè)計(jì)原理 ....................................................................................... 25 具體實(shí)現(xiàn) ....................................................................................... 27 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） V 其他電路的設(shè)計(jì) ...................................................................................... 28 報(bào)警電路 ....................................................................................... 28 鍵盤(pán)電路 ....................................................................................... 29 顯示電路 ....................................................................................... 30 串行通訊 ....................................................................................... 31 up 監(jiān)控電路 ................................................................................... 32 工作電源 ....................................................................................... 34 第 5 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)說(shuō)明 ................................................................................... 35 總體軟件設(shè)計(jì) .......................................................................................... 35 各主要模塊程序流程 .............................................................................. 35 第 6 章 經(jīng)濟(jì)效益分析 ........................................................................................... 44 第 7 章 總結(jié) ........................................................................................................... 45 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................. 46 致 謝 ....................................................................................................................... 48 附 錄Ⅰ ................................................................................................................... 49 附 錄Ⅱ ................................................................................................................... 62 附 錄Ⅲ ................................................................................................................... 66 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第 1章 緒 論 電能計(jì)量、管理概述 隨著電力市場(chǎng)的發(fā)展，電力改革的深入，電力系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始由計(jì)劃經(jīng)濟(jì)向市場(chǎng)經(jīng)濟(jì) 轉(zhuǎn)變，這對(duì)電能的計(jì)量及管理提出了新的要求。對(duì)用電管理部門(mén)來(lái)說(shuō)，最關(guān)心的不外乎三個(gè)問(wèn)題：電量的計(jì)量、電量信息的采集、電費(fèi)的收繳。而在其中起關(guān)鍵作用的是電能計(jì)量裝置，因?yàn)樗苯雨P(guān)系到供需雙方的經(jīng)濟(jì)利益，而且先進(jìn)的電能計(jì)量裝置對(duì)于管理效率的提高、用電管理系統(tǒng)的擴(kuò)展都大有裨益。 電能計(jì)量裝置 電能表是一種計(jì)量某一段時(shí)間內(nèi)通過(guò)的電能的累積值的表計(jì)。電能表經(jīng)歷了從感 應(yīng)式到電子式，從單一的計(jì)量功能到集計(jì)量、控制、通訊等多種功能于一身的發(fā)展階段。從總體來(lái)看，目前的計(jì)量表計(jì)是感應(yīng)式、電子式電能表并存，但長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)說(shuō)電子式電能表取代傳統(tǒng)的感應(yīng)式電能表是大勢(shì)所趨。 感應(yīng)式電能表由測(cè)量部分和輔助部分構(gòu)成，測(cè)量部分包括驅(qū)動(dòng)元件、轉(zhuǎn)動(dòng)元件、制動(dòng)元件、軸承、計(jì)度器和調(diào)整裝置；輔助部分由基架、端鈕盒和表殼組成。當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)，其電壓和電流線(xiàn)圈就將交變的電壓和電流轉(zhuǎn)變?yōu)榻蛔兊拇磐?，以此?lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)部分（圓盤(pán)）旋轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)部分記錄圓盤(pán)所轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電能量顯示在計(jì)度器上。感應(yīng)式電能表 具有可靠性高、制造簡(jiǎn)便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，其制造技術(shù)已經(jīng)非常成熟。但隨著人們對(duì)計(jì)量要求的提高，感應(yīng)式 電能表在使用過(guò)程中暴露出越來(lái)越多的缺點(diǎn)，比如功能單一、準(zhǔn)確度低、頻率范圍窄等。 到了 20 世紀(jì) 60 年代，為了擴(kuò)展電能表的使用功能，出現(xiàn)了感應(yīng)式脈沖電能表。這種表仍然采用了感應(yīng)式電能表的測(cè)量機(jī)構(gòu)，只是利用光電傳感器將電能轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，通過(guò)電子電路對(duì)脈沖信號(hào)的計(jì)算與處理，完成電能的計(jì)量工作，它可以通過(guò)電子部分的各種變換來(lái)實(shí)現(xiàn)人們不同的實(shí)際需求。感應(yīng)式脈沖電能表的出現(xiàn)極大地解決傳統(tǒng)電能表功能單一的問(wèn)題，電能表可以通 過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表、負(fù)荷控制參數(shù)的分散采集和存貯等功能，使得分時(shí)電價(jià)、需量電價(jià)等功能得到有效地實(shí)施和推廣。但是，感應(yīng)式脈沖電能表僅僅解決了電能表的功能擴(kuò)展問(wèn)題，而對(duì)表計(jì)的準(zhǔn)確度低和頻率適應(yīng)范圍窄的問(wèn)題仍無(wú)能為力。 隨著科技的發(fā)展及信息時(shí)代的到來(lái)，數(shù)字化產(chǎn)品層出不窮，遍及生產(chǎn)、生活 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 的方方面面，電能計(jì)量表計(jì) 也不例外。 1976 年日本首先研制出了電子式電能表，帶來(lái)電能計(jì)量裝置的革命性變革。 從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，電子式電能表可分為四個(gè)部分。第一部分：電壓、電流輸入回路，是將被測(cè)功率的電壓和電流分別通過(guò)分壓器和互感器 變換為合適于電子式電能表乘法器所需要的小電壓送至乘法器。第二部分：乘法器，是一個(gè)功率轉(zhuǎn)換單元，當(dāng)被測(cè)電路的電壓電流分別加到其相應(yīng)的輸入端時(shí)，可轉(zhuǎn)換成與被測(cè)電路相應(yīng)的直流電壓輸出，送至變換器進(jìn)行 V－ f 轉(zhuǎn)換。乘法器是電子式電能表的核心，電子式電能表的測(cè)量原理就是使用它來(lái)實(shí)現(xiàn)功率和電能的測(cè)量，表計(jì)的測(cè)量精度也主要取決于它。第三部分：變換器，也稱(chēng)電 壓 — 頻率（ V－ f）轉(zhuǎn)換電路。因乘法器輸出的是一個(gè)模擬量（直流電壓），用電壓表（數(shù)字式表）測(cè)量這個(gè)電壓，用功率單位（ W 或 KW）表示的測(cè)量結(jié)果就是功率數(shù)。測(cè)量電能時(shí) 需將這個(gè)電 壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖數(shù)，在一段時(shí)間內(nèi)所累計(jì)的脈沖數(shù)才是要測(cè)量的電能量。第四部分：計(jì)數(shù)器，是將與功率成正比的脈沖數(shù)顯示出來(lái)的器件。絕大部分采取液晶或 LED顯示，也有通過(guò)步進(jìn)電機(jī)推動(dòng)齒輪用機(jī)械數(shù)字顯示的。 電能表電子化的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用，使得電能表的功能從單一的電能量的計(jì)量向多功能化的方向發(fā)展。隨著人們用電水平的不斷提高和電能表制造技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)形成了眾多類(lèi)型的電能表。如：多費(fèi)率電能表（或稱(chēng)分時(shí)電能表、復(fù)費(fèi)率表、峰谷表）、預(yù)付費(fèi)電能表（或稱(chēng) IC 卡表）、多用戶(hù)電能表、多功能電能表等。 集中 式電能計(jì)量、管理 在我國(guó)，民用 電表的收費(fèi)一直采用人工抄表、收費(fèi)的方式，十分煩瑣，而且容易出錯(cuò)。此外由于現(xiàn)在很多樓宇都裝有防盜門(mén)鎖，使得收費(fèi)工作更加不方便。隨著電能計(jì)量裝置電子化的逐漸推廣應(yīng)用與普及，使得計(jì)量精度的提高、抄表 /收費(fèi)方式的改變、多功能 /多用戶(hù)的計(jì)量管理成為可能。 現(xiàn)行的抄表、收費(fèi)方式主要有以下三種： 人工抄表收費(fèi)方式：為用戶(hù)安裝普通計(jì)量?jī)x表，按固定的時(shí)間由管理人員上門(mén)抄表和收費(fèi)。這種方式需要管理人員多，工作量大；優(yōu)點(diǎn)是計(jì)量?jī)x表成本低，收費(fèi)方式容易被用戶(hù)接受，基本上不存在用戶(hù)電源被切斷的問(wèn)題。 自動(dòng)抄表收費(fèi)方式：為用戶(hù)安裝具有 通訊能力的計(jì)量?jī)x表，通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)自動(dòng)完成用戶(hù)計(jì)量?jī)x表的數(shù)據(jù)抄收，再通過(guò)金融網(wǎng)點(diǎn)以自動(dòng)或人工方式完成繳費(fèi)。這種方式技術(shù)難度高，通訊網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及維護(hù)成本大；優(yōu)點(diǎn)是自動(dòng)化程度高 ，節(jié)省人力，也容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。 IC 卡收費(fèi)方式：為用戶(hù)安裝具有 IC 卡接口的計(jì)量?jī)x表，以 IC 卡 作為傳輸介質(zhì)在用戶(hù)和管理部門(mén)之間傳輸信息，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)計(jì)量?jī)x表的抄收以及繳費(fèi)工作。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 這種方式成本較高，信息傳輸不及時(shí)，同時(shí)讓用戶(hù)充當(dāng)了信息通道的角色。優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了抄表、收費(fèi)、控制的三位一體，徹底杜絕了欠費(fèi)現(xiàn)象的發(fā)生，精簡(jiǎn)了管理人員，降低了管理費(fèi)用 。 針對(duì)目前許多新型住宅電能表 集中安裝的特點(diǎn)，綜合考慮不同抄表、收費(fèi)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，考慮采用多個(gè)具有通訊接口的用戶(hù)電能測(cè)量模塊構(gòu)成通訊網(wǎng)絡(luò)，共用一套讀卡 /顯示電路，以 IC 卡作為傳輸介質(zhì)，配合上位機(jī)的管理軟件，即可方便地構(gòu)成一套多用戶(hù)集中式電能計(jì)量 /管理系統(tǒng)，很好地解決了計(jì)量、抄表、繳費(fèi) 等問(wèn)題。而由多個(gè)用戶(hù)共同承擔(dān)智能化的投入，從而提高了性?xún)r(jià)比，平均每戶(hù)造價(jià)僅略高于傳統(tǒng)感應(yīng)式電表。 由此可見(jiàn)，使用電子式電能表，再配合相應(yīng)的通訊電路及管理軟件構(gòu)成的計(jì)量管理系統(tǒng)，可以有效地提高電力部門(mén)或物業(yè)公司對(duì)用戶(hù)進(jìn)行科學(xué)管理的 能力，減少大量的繁重勞動(dòng)。 課題的背景及意義 自 90 年代以來(lái)隨著大學(xué)校園學(xué)生公寓的普及，學(xué)生日常用電已逐步實(shí)行商業(yè)化管理，因此如何科學(xué)合理地管理學(xué)生公寓的用電情況是一個(gè)重要的研究課題。根據(jù)實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)學(xué)生公寓的用電情況有以下特點(diǎn)： 各個(gè)大學(xué)的學(xué)生公寓用電管理方式基本相同，因此適合某個(gè)院校的電能管理系統(tǒng)稍經(jīng)改動(dòng)便可以推廣到其他院校，因此開(kāi)發(fā)研制一套適合學(xué)生公寓的只能用電管理系統(tǒng)具有廣泛的社會(huì)意義和較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 隨著學(xué)生公寓用電的商業(yè)化，越來(lái)越不便于學(xué)校對(duì)學(xué)生日常用電器的監(jiān)督和管理，因此導(dǎo)致很多學(xué)生隨意使用 一些諸如電爐子、熱得快等發(fā)熱性負(fù)載（以下統(tǒng)稱(chēng)為惡性負(fù)載），時(shí)常導(dǎo)致一些公寓火災(zāi)，雖然目前已有一些比較成熟的遠(yuǎn)程抄表用電管理系統(tǒng)用于學(xué)生公寓，但還遵從一般的民用或小區(qū)管理模式，大都不具備惡性負(fù)載自動(dòng)識(shí)別功能，即使具備也難以達(dá)到令人滿(mǎn)意的程度，時(shí)常導(dǎo)致一些識(shí)別錯(cuò)誤，給學(xué)校用電管理部門(mén)和學(xué)生造成很大的不便。 從近幾年的應(yīng)用情況來(lái)看，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的校園電能管理方式比較單一，只能簡(jiǎn)單地記錄用戶(hù)的每月電量，再據(jù)此進(jìn)行電費(fèi)結(jié)算。隨著全電子式電能表技術(shù)的逐漸成熟和電能管理日趨科學(xué)化的要求，學(xué)校對(duì)公寓用電的管理已不滿(mǎn)足于僅僅對(duì)每 月電能數(shù)據(jù)的抄錄和電費(fèi)的收繳，還要求每個(gè)學(xué)生的用電量由其所有的智能開(kāi)關(guān)支路的耗電量決定，與其他學(xué)生的用電無(wú)關(guān)，從而達(dá)到收費(fèi)公平、控制合理的目的。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)的民用和城市小區(qū)電能 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 管理已有很多比較成熟的方案，而大學(xué)公寓的用電管理卻還剛剛起步，基本還是小區(qū)管理模式的簡(jiǎn)單移植，在很大程度上不適合學(xué)校電能管理的實(shí)際要求。 針對(duì)以上情況，本文提出了帶身份識(shí)別的公寓電能計(jì)量控制系統(tǒng)。 本課題的設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 本設(shè)計(jì) 充分考慮到學(xué)生公寓用電的實(shí)際特點(diǎn)以及現(xiàn)代電能管理的發(fā)展趨勢(shì)，將電能記錄、違 章用電查處、電能檢測(cè)和一對(duì)一收費(fèi)，集中計(jì)量與管理等功能結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了合理用電與科學(xué)管電相結(jié)合的目的。 設(shè)計(jì)的基本技術(shù)要求具有巡回顯示各用戶(hù)剩余電費(fèi)、用戶(hù)通過(guò) IC 卡預(yù)存電費(fèi)及身份識(shí)別后方可用電、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的欠費(fèi)預(yù)報(bào)警和欠費(fèi)斷電、通過(guò) RS485 總線(xiàn)通信與上位機(jī)進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)校園用電系統(tǒng)的集中管理。 精度要求為高于原模擬表的 5%的指標(biāo)。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 第 2章 方案設(shè)計(jì)與論證 帶身份識(shí)別的公寓電能計(jì)量控制系統(tǒng)主要包括電能計(jì)量系統(tǒng)和身份識(shí)別（預(yù)付費(fèi)）系統(tǒng)。電能計(jì)量系統(tǒng)完成了電能測(cè)量、電能值顯示、超負(fù) 荷斷電等功能；