【正文】 限制，從而大大地降低了火災(zāi)的發(fā)生概率，起到了安全節(jié)能的作用 。 本設(shè)計(jì)主要分為硬件、軟件和通信三大部分，本文詳細(xì)介紹了負(fù)載的種類及特性，負(fù)載的識(shí)別原理及研究方法，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，初步達(dá)到了惡性負(fù)載識(shí)別的目的，從而 消除了 因使用違章電器帶來(lái)的安全隱患 ，對(duì)學(xué)生安全用電具有重大意義。 １ 本設(shè)計(jì) 主要研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn) ３ 負(fù)載分類及其特性 ５ 硬件設(shè)計(jì)思路 ７ S3C44B0X 單片機(jī)簡(jiǎn)介 11 諧波檢測(cè)方法 11 本系統(tǒng)采用的負(fù)載識(shí)別方法 14 識(shí)別的原理 14 研究方法 16 實(shí)驗(yàn) 數(shù)據(jù) 18 本章小結(jié) 18 第 5 章 CAN 通信設(shè)計(jì) 19 CAN 總線的主要特征 19 CAN 通信數(shù)據(jù)幀格式 20 數(shù)據(jù)幀格式 20 下傳負(fù)載判斷表 21 CAN 總線硬件抗干擾分析及措施 21 CAN 總線軟件抗干擾分析及措施 21 第 6 章 結(jié)論與展望 26 附錄 B 電路圖 37 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 第 1 章 緒 論 課題研究的背景 意義 市場(chǎng)上各種質(zhì)量不合格的電器產(chǎn)品越來(lái)越多，由電器故障造成的觸電、電起火等事故屢見(jiàn)不鮮。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，這類火災(zāi)大部分是由于學(xué)生違章使用熱得快、電爐子等大功率阻性負(fù)載造成的。 課題發(fā)展現(xiàn)狀 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，人們已經(jīng)研制出供配電智能控制系統(tǒng)。 (2)對(duì)用電過(guò)程中的負(fù)載類型進(jìn)行識(shí)別。 目的 是 ： （ 1） 限制大功率 阻性負(fù)載如 （ 電爐子、熱水器等 ） ； （ 2） 放開(kāi)計(jì)算機(jī)類負(fù)載的使用； （ 3） 可以根據(jù) 學(xué)校的具體 要求設(shè)定限制允許使用的計(jì)算機(jī)功率的值 （ 一般定為 300500W） ，當(dāng) 檢測(cè)到用戶使用非法電器時(shí)，將立即斷電，去 掉非法負(fù)載后 恢復(fù)供電。 (2)阻性負(fù)載： 電流和電壓同步變化，相位差為 “零度 ”，工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量 （ 焦耳熱 ） ，常見(jiàn)的阻性負(fù)載有電爐、電熱杯、電熱毯、飲水機(jī)、白熾燈等 。 惡性負(fù)載具有以下特性： （ 1） 電壓和電流的波形相同； （ 2） 電壓和電流的相位相同； （ 3） 功率因數(shù)等于 1。 熱得快、電爐子等惡性負(fù)載，有些因內(nèi)部構(gòu)造不同，負(fù)載呈螺旋狀特性，既有阻石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 性負(fù)載特征又有感性負(fù)載特征，接入電路后會(huì)出現(xiàn) 3 次諧波和 5 次諧波，但其含量比較小，可以忽略不計(jì)。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 第 3 章 硬件設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)思路 利用各個(gè)負(fù)載的功率特性不同，利用電流互感器采集主電路電流的線性變化量，通過(guò)單片機(jī)處理采樣數(shù)據(jù)并控制繼電器。 系統(tǒng)的總流程圖如圖 31 所示。繼電器驅(qū)動(dòng)方法是采用大功率三極管和一個(gè)小的繼電器。 命令處理 Y N 系統(tǒng)初始化 上電 FLASH / CAN 負(fù)載識(shí)別 有無(wú)上位機(jī)命令 讀取 中的數(shù) 據(jù)確定運(yùn)行狀態(tài) 電流 電壓采集 功率計(jì)算 開(kāi) 口中斷 N Y 跳閘 存儲(chǔ)數(shù)據(jù) 圖 31 系統(tǒng)總流程圖 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 基本工作原理 用電流互感器采集主電路中的電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后送入單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理。該控制器還可以配合其他 控制器來(lái)設(shè)置觸電、過(guò)載和短路等保護(hù)功能，更加有效地防止了一些用電 事故。 主要功能 ： (1)存儲(chǔ) 器控制器：支持 FP/EDO/SDRAM/ROM/SRAM 類型的存儲(chǔ)芯片； (2)Cache 存儲(chǔ)控制器與內(nèi)部 SRAM（ 共 8KB） ； (3)DMA控制器：兩通道通用 DMA控制器 ZDMA， 兩通道 DMA橋控制器 BDMA； (4)通用 I/O 端口控制器 （ GPIO） ： 71 個(gè)引腳可以通過(guò)編程的方法定義輸入 /輸出功能， 8 個(gè)引腳可以作為外部中斷請(qǐng)求信號(hào)的輸入引腳； (5)UART 控制器：兩個(gè)通道支持基于中斷有 DMA 方式傳送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)位可編程 58 位； (6)多主 IIC 總線控制器：支持串行、 8 位、雙向數(shù)據(jù)傳輸，標(biāo)準(zhǔn)速率 100Kbps，最高方式可達(dá) 400Kbps； (7)IIS 總線控制器：基于 DMA 方式操作，用作音頻信號(hào)接口； (8)PWM 定時(shí)與內(nèi)部定時(shí)器： 5 通道 PWM 定時(shí)器和 1 個(gè)內(nèi)部定時(shí)器，各定時(shí)器均為 16 位； (9)看門狗定時(shí)器： 1 通道 16 位看門狗定時(shí)器，定時(shí)溢出能夠產(chǎn)生中斷請(qǐng)求或系石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 統(tǒng)復(fù)位； (10)中斷控制器：支持多達(dá) 30 個(gè)中 斷源，支持快速中斷和普通中斷兩種方式。 本設(shè)計(jì) 采用 TLV2548 串行 A/D 轉(zhuǎn)換器。本系統(tǒng)一共用 到了五個(gè)通道分別采集的模擬信號(hào)分別是電壓信號(hào)、電流信號(hào)以及電流的 3 次、 5 次、 7 次諧波信號(hào)。 芯片引腳如圖 32，引腳說(shuō)明如表 31。 CAN 控制器芯片有兩種：一種是獨(dú)立的，一種是和微控制器集成在一起。傳輸最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá) 5Mb/s，其工作電壓范圍為 ～ 。 (3)建立正確的數(shù)學(xué)模型，它是關(guān)系到系統(tǒng)性能好壞的重要因素。 負(fù)載識(shí)別理論的作用及其主要類型 大功率電器智能識(shí)別的實(shí)現(xiàn)，主要靠負(fù)載識(shí)別理論的發(fā)展。原則上講，傳統(tǒng)上使用 傅立葉分析的地方，都可以用小波分析取代。 利用小波變換的方法可識(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，還可以進(jìn)一步識(shí)別出計(jì)算機(jī)的臺(tái)數(shù)。 在負(fù)載識(shí)別中，把負(fù)載波形經(jīng)過(guò) FFT 處理以后的特定頻率的幅值作為系統(tǒng)的輸入。 傅立葉變換法是目前諧波檢測(cè)中應(yīng)用最廣泛的分析方法 ，尤其是通過(guò)改進(jìn)的 FFT算法 具有精度高、功能多、使用方便的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)整數(shù)次諧波的精確分析和檢測(cè)。通過(guò)開(kāi)關(guān) S 的動(dòng)作來(lái)表示負(fù)載的投入。 當(dāng) S 閉合，假設(shè)投入的負(fù)載是非線性負(fù)載，設(shè)流過(guò) Z1 的電流為 i1 (t)=g[u(t)]=g[U sin(ωt)]， 此時(shí)供電側(cè)的總電流為 iL(t)= i1(t)+ i2(t)= g[U sin(ωt)]+ f [U sin(ωt)] 對(duì)總電流 iL(t)進(jìn)行傅立葉變換，其高次諧波系數(shù)為 a3n = ??2/2/2TTTiL(t)cos(nωt)dt (45) = ??2/2/2TTT{ g[U sin(ωt)]+ f [U sin(ωt)]} cos(nωt)dt = ??2/2/2TTTg[U sin(ωt)] cos(nωt)dt + ??2/2/2TTTf [U sin(ωt)] cos(nωt)dt， n=2， 3， 4．．． b3n = ??2/2/2TTTiL(t)sin(nωt)dt (46) = ??2/2/2TTT{ g[U sin(ωt)]+ f [U sin(ωt)]} sin(nωt)dt = ??2/2/2TTTg[U sin(ωt)] sin(nωt)dt + ??2/2/2TTTf [U sin(ωt)] sin(nωt)dt， n=2， 3， 4．．． 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 對(duì)比式 (41)與式 (42)，式 (45)與式 (46)可以看出 ， a3n≠ a1n ， b3n≠ b1n ， n=2，3， 4．．． ，即諧波分量不等，而是在 a1n ， b1n， n=2， 3， 4．．．的基礎(chǔ)上增加了非線性負(fù)載 Z1 產(chǎn)生的諧波分量。而投 入非線性負(fù)載，則會(huì)增加總電流的諧波分量。計(jì)算機(jī)類負(fù)載接入時(shí)，電路中的 3 次諧波值變化很大。 如果有惡性負(fù)石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 載接入，系統(tǒng)跳閘，拔除惡性負(fù)載后，系統(tǒng)恢復(fù)供電。 float I1。 float powerNum。 float fac。 //總功率閾值 type_threshold=200。 //計(jì)算機(jī)類負(fù)載 pfm = fabsf(powerNum[0]powerNum[1])。amp。amp。 void delay(void) } else if((overload_flag == 1)amp。 void delay(void) } overload_flag = 0。c0。a0。n)。 本章小結(jié) 本章分析了學(xué)生公寓常用負(fù)載的類型，根據(jù)負(fù)載接入電路后的特性研究了惡性負(fù)載識(shí)別的方法，并用 C 語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn) [12]，初步達(dá)到了惡性負(fù)載識(shí)別的目的。 CAN 以差動(dòng)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送，其總線有顯性 （ 邏輯 0） 和隱性 （ 邏輯 1） 兩種狀態(tài)。 (2)采用非破壞性總線優(yōu)先級(jí)仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個(gè)以上節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送消息時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止發(fā)送數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可以不受影響繼續(xù)發(fā)送，有 效避免了總線沖突。 (5)CAN 總線采用監(jiān)視總線，循環(huán)冗余校驗(yàn)、位填充和報(bào)文格式檢查等措施，保證了極低的信息出錯(cuò)率。 CAN 通信 數(shù)據(jù)幀格式 數(shù)據(jù)幀格式 幀頭 （ F0H F0H） 幀尾 （ DFH DFH） 確認(rèn)幀：幀頭 +命令 +幀尾，連接確認(rèn)命令 =00； 上位機(jī)發(fā)送的校時(shí)時(shí)間、作息時(shí)間都為 BCD 格式 。 需要初始化的 CAN 控制寄存器有：模式寄存器、時(shí)分寄存器、接收代碼寄存器、屏蔽寄存器、總線定時(shí)寄存器、輸出控制寄存器等 。 信息從 CAN 控制器發(fā)送到總線是由 CAN 控制器自動(dòng)完成的。 Keil C51 是美國(guó) Keil Software 公司出 品的 5l 系列兼容單片機(jī) C 語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，因?yàn)镃 語(yǔ)言很好的結(jié)構(gòu)性和模塊化，更容易閱讀和維護(hù)。 CAN 總線的抗干擾能力 CAN 總線硬件抗干擾分析及措施 CAN 總線的信號(hào)狀 態(tài)為 2 種：隱位與顯位。為使總線上的節(jié)點(diǎn)均有機(jī)會(huì)發(fā)送，有些總線采用 “主從方式 ”，這種方法使總線的利用率較低，且從節(jié)點(diǎn)消息發(fā)送的等待時(shí)間較長(zhǎng)。 ～ 為變化的過(guò)渡區(qū)。一幀一幀的傳送 給上位機(jī)。返回格式：幀頭 +31+功率 +校驗(yàn)和 +幀尾。返回格式：幀頭 +35+記錄 1+記錄 2 + ? +校驗(yàn)和 +幀尾 （ 異常記錄共 30 個(gè)，不足 30 個(gè)時(shí)用 00 填充 ） 。上位機(jī)發(fā)出呼叫后等候下位機(jī)的確認(rèn)，等候時(shí)間為 35ms。 軟件抗干擾技術(shù)所研究的主要內(nèi)容，其一是采取軟件的方法抑制疊加在模擬輸入信號(hào)上噪聲的影響，如數(shù)字濾波器技術(shù)：其二是由于干擾而使運(yùn)行程序發(fā)生混亂，導(dǎo)致程序亂飛或陷入死循環(huán)時(shí)，采取使程序納入正軌的措施，如軟件冗余、軟件陷阱、“看門狗”技術(shù)。 惡性用電識(shí)別器，又稱智能負(fù)載識(shí)別裝置，它能夠?qū)Ψ块g內(nèi)電器的用電性質(zhì)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控，識(shí)別出負(fù)載的是否屬于危險(xiǎn)用電設(shè)備，如果屬于正常儀表