【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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。這樣一來，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)，但在 用電安全和用電節(jié)約上仍存在著諸多矛盾和隱患，如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)生宿舍，給高校后勤的安全用電管理增加了難度。此外，實(shí)施用電收費(fèi)管理，必將帶來大量的人工抄表統(tǒng)計(jì)收費(fèi)工作，而傳統(tǒng)抄表方式的時(shí)效性差、統(tǒng)計(jì)工作量大、交費(fèi)手續(xù)極為繁瑣、易產(chǎn)生錯(cuò)抄、漏抄和估抄等現(xiàn)象，又造成了管理與實(shí)施的矛盾。因此如何建立一套科學(xué)完善的用電管理系統(tǒng)一直是各高校用電主管部門急待解決的問題。 167。 課題的提出及意義 學(xué)生集體公寓用電商品化的首要原因和目的是為學(xué)生提供一個(gè)符合時(shí)代發(fā)展的學(xué)習(xí)與生活環(huán)境，而今 天公寓服務(wù)的商業(yè)化方向使它更趨必要。近年來，隨著高校擴(kuò)招，在校學(xué)生人數(shù)增長(zhǎng)較快，用電量也同期增長(zhǎng)，后勤開始進(jìn)行社會(huì)化改革，急需采用高科技手段加強(qiáng)用電管理。采用用電集中管理具有簡(jiǎn)潔、可靠、成本低的特點(diǎn)。將產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。依測(cè)算，該項(xiàng)目實(shí)施后，每年可節(jié)約 15％的用電經(jīng)費(fèi)；采用這套系統(tǒng)。公寓用電狀況可以在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上反映出來，而且隨時(shí)備查，節(jié)省了人力、物力。為學(xué)生宿舍用電管理提供了科學(xué)的管理方法，使管理更嚴(yán)謹(jǐn)，增強(qiáng)人們的科學(xué)管理意識(shí)；對(duì)非正常用電，系統(tǒng)將自動(dòng)報(bào)警，對(duì)超額用電實(shí)時(shí)自動(dòng)斷電，可基本杜絕違 章電器的使用，消除火災(zāi)隱患；以往由于學(xué)生公寓無償供電，使很多宿舍的開關(guān)失去作用，不熄燈現(xiàn)象嚴(yán)重，不僅造成了很大的浪費(fèi)，而且對(duì)提高學(xué)生公寓整體管理水平增加了難度。采用此系統(tǒng)后，隨手關(guān)燈將成為學(xué)生的自覺意識(shí)，較好地杜絕了浪費(fèi)現(xiàn)象。由此可見，該系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用既有效地提高了經(jīng)濟(jì)效益，也有效地加強(qiáng)了高校電量、電費(fèi)、用電安全管理。該系統(tǒng)投資少，管理方便可靠；另外還具有遠(yuǎn)程抄表功能、電表顯示功能等。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 而由石家莊師慧科教裝備有限公司生產(chǎn)的“用電管理系統(tǒng)”由一臺(tái)主控計(jì)算機(jī)和多臺(tái)控制柜組成，每臺(tái)控制柜作為一個(gè)測(cè)控站，通過單片機(jī)模 塊化控制的方式對(duì)多至 48 個(gè)用戶進(jìn)行用電的控制管理，形成一個(gè)計(jì)算機(jī)集散測(cè)控系統(tǒng)，組成測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，對(duì)學(xué)生宿舍的用電實(shí)行遙測(cè)控制，既能自動(dòng)進(jìn)行用電量的讀取、存檔、結(jié)算，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，又能對(duì)欠費(fèi)用戶進(jìn)行警告、停電、送電控制，節(jié)省了大量人工抄表的時(shí)間和費(fèi)用。除此之外，有些高校還使用長(zhǎng)沙聚英貿(mào)易有限公司生產(chǎn)的“ SIMS 智能用電管理系統(tǒng)”等等。這些用電智能控制與管理系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上各有千秋，功能上也稍有不同，但最終都能夠較好地解決學(xué)生宿舍用電控制與管理上存在的問題，使高校后勤改革上了嶄新的臺(tái)階。但有些院校由于資金不足， 對(duì)這些產(chǎn)品只能望塵莫及，學(xué)生宿舍用電一直處于混亂狀態(tài)，更談不上收取電費(fèi)，學(xué)校的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)明顯加重。本課題為了解決上述問題，以最低的性價(jià)比，吸取上述各高校所使用的用電控制與管理系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，自行研發(fā)并設(shè)計(jì)了學(xué)生宿舍用電控制管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)基本能夠解決某些院校由于資金短缺而無法引進(jìn)該套設(shè)備的問題，本課題所設(shè)計(jì)的學(xué)生宿舍用電控制與管理系統(tǒng)花費(fèi)資金少。能夠?qū)崟r(shí)控制和管理學(xué)生宿舍各個(gè)房間的用電。與其它廠家生產(chǎn)的學(xué)生宿舍用電控制與管理系統(tǒng)相比，適合我校學(xué)生宿舍用電特點(diǎn)，較好地解決了我校學(xué)生宿舍用電中存在的問題。另外具有較低 的價(jià)格，主要是因?yàn)樵撓到y(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件研發(fā)都是由我們自己完成的，而其它廠家技術(shù)產(chǎn)品大都申請(qǐng)了專利，所以高校在購(gòu)買的時(shí)候要花很多資金。因此，對(duì)那些具有一定科研開發(fā)能力的高校，可以借鑒本課題的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，研發(fā)出適合自己本校的學(xué)生宿舍用電控制與管理系統(tǒng)。因此，本課題對(duì)高校普及推廣使用學(xué)生宿舍用電控制與管理系統(tǒng)具有深遠(yuǎn)意義。 167。 本課題的工作及創(chuàng)新 本課題為實(shí)際應(yīng)用課題，本文的主要研究工作如下： 1) 硬件設(shè)計(jì)采用了分功能塊的設(shè)計(jì)模式。先把各個(gè)功能塊設(shè)計(jì)出來再組合到一起，這樣有利于調(diào)試，而且有利于電路的維修。 2) 選用了新型的 AT89S52 單片機(jī)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 3) 研制了以 ADE77EE 為核心的高準(zhǔn)確度電量采集板，編寫了電量采集子程序，并進(jìn)行了調(diào)試。 4) 進(jìn)行了系統(tǒng)的抗干擾分析與設(shè)計(jì)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第 2章 系統(tǒng)的基本構(gòu)成與性能指標(biāo) 167。 系統(tǒng)組成框圖 該系統(tǒng)主要由電量采樣板 (ADE7755)、單片機(jī)控制板，用電量顯示板、微機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)管理控制等組成。圖 21 所示為一個(gè)控制柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)中一個(gè)控制柜內(nèi)含有 8 個(gè)單片機(jī)子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)與微機(jī)間采用 485 網(wǎng)絡(luò)連接。各子系統(tǒng)采用母板結(jié)構(gòu)，分別由母板電路、單片機(jī)控制電路、顯示電路及 16 個(gè)電量采樣電路 組成。其中電量采樣電路用于采集某一房間的用電量并將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)； 顯示電路用于巡回顯示 16 個(gè)房間的用電信息；各種信號(hào)與數(shù)據(jù)均通過母板進(jìn)行傳輸。整個(gè)系統(tǒng)的組成框圖如圖 21 所示 ]2[ 。 圖 21 系統(tǒng)組成框圖 167。 系統(tǒng)的主要功能及性能指標(biāo) (1) 準(zhǔn)確計(jì)量功能。 校驗(yàn)時(shí)計(jì)量誤差范圍要求控制在 %左右，高于本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 標(biāo)稱的 2%要求。 (2) 負(fù)荷檢測(cè)控制功能。本系統(tǒng)采用軟件控制方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)大功率電器的檢測(cè)與控制。 (3) 定時(shí)開關(guān)控制功能。可根據(jù)使用單位的作息時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)各房間定時(shí)送電、停電，對(duì)欠費(fèi)房間自動(dòng)停電。 (4) 數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能。管理員可實(shí)時(shí)查閱各房間的用電情況，并進(jìn)行用電統(tǒng)計(jì)與打印報(bào)表等。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 第 3章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 167。 電能計(jì)量原理與電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的主要功能是分時(shí)供電和對(duì)用電量進(jìn)行計(jì)量，由采樣電路板完成電能信號(hào)的采樣，并將其轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)輸出給單片機(jī)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，其核心芯片是 ADE7755。本節(jié)在分析電能計(jì)量原理的基礎(chǔ)上，確定了電路參數(shù)并對(duì)采樣電路進(jìn)行的設(shè)計(jì)。 167。 電能計(jì)量芯片 ADE7755 在該系統(tǒng)中，用一個(gè)具有脈沖輸出的電能計(jì)量芯 ADE7755 循環(huán)采集 16個(gè)房間的用電量，并把 采集的電脈沖輸出經(jīng)光電耦合器 PS2501 送單片機(jī)進(jìn)行處理。 ADE7755 是一種高準(zhǔn)確度電能集成電路，其技術(shù)指標(biāo)超過了 IEC1036的準(zhǔn)確度， ADE7755 只在 ADC 和基準(zhǔn)源中使用模擬電路，所有其他信號(hào)處理（如相乘和濾波）都使用數(shù)字電路，這使 ADE7755 在惡劣的環(huán)境條件下仍能保持極高的準(zhǔn)確度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。 ADE7755 引腳 F1 和 F2 以較低頻率形式輸出有功功率平均值，能直接驅(qū)動(dòng)機(jī)電式計(jì)度器或微控制器（ MUC）接口。引腳 CF 以較高頻率形式輸出有功功率瞬時(shí)值，用于校驗(yàn)或與 MCU接口。高準(zhǔn)確度，支持 50Hz／ 60Hz IEC 687/1036 標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度要求，在 500:1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)誤差小于 %，有功功率平均值從 ADE7755 引腳 F1 和 F2 以頻率方式輸出，有功功率瞬時(shí)值從引腳 CF 以較高頻率方式輸出，能用于儀表校驗(yàn)。在環(huán)境和時(shí)間變化很大的條件下，采用專用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ ADC）和數(shù)字信號(hào)處理器（ DSP）仍保證高準(zhǔn)確度。片內(nèi)設(shè)有電源監(jiān)控電路，帶有防潛動(dòng)功能，基準(zhǔn)電壓 177。 8%（溫度系數(shù)典型值 30ppm/oC），能為外部電路提供基準(zhǔn)＋ 5V 單電源、低功耗（典型值 15Mw） 。 167。 ADE77755 有功電量測(cè)量原理 負(fù)載上 的瞬時(shí)功率 p(t)等于負(fù)載兩端的瞬時(shí)電壓 v(t)與流過負(fù)載的瞬時(shí)電流 i(t)的乘積，即 p(t)＝ v(t) i(t)，當(dāng) v(t)、 i(t)隨時(shí)間周期本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 變化時(shí)， p(t)也是隨時(shí)間周期變化的。 ? ? ? ?tVsin2t ??v ， ? ? ? ??? ?? tIti sin2時(shí)，那么負(fù)載上消耗的瞬時(shí)功率 ]4[ 為 ? ? ? ? ? ???? ??? ttVItp s ins in2 （ 31） ??tp — 瞬時(shí)功率 V— 交流電壓有效值 I— 電流有效值 φ — 電壓、電流相位差 從上式可以看出，瞬時(shí)功率包含直流分量 VIcos(φ )和交流分量 VI(2ω t+φ )兩部分。在絕大多數(shù)場(chǎng)合關(guān)心的是負(fù)載上消耗的有功功率，有功功率 P定義為瞬時(shí)功率 p(t)在一個(gè)周期內(nèi)的平均值，即 ? ?? ? ? ????? c os2c osc os1 VIdttVIdtVITP ???? ? ? （ 32） 為了得到有功功率分量（即直流分量），只要對(duì)瞬時(shí)功率信號(hào)進(jìn)行低通濾波就行了。 圖 31 ADE7755 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 31 給出了瞬時(shí)有功功率信號(hào)如何通過對(duì)瞬時(shí)功率信號(hào)進(jìn)行低通濾波來獲取有功功率，這個(gè)設(shè)計(jì)方案也能正確計(jì)算非正弦電流和電壓波形在不同功率因數(shù)情況下的有功功率。所有信號(hào)處理都是由數(shù)字電路完成的，因此具有優(yōu)良的溫度和時(shí)間穩(wěn)定性。 ADE7755 的低頻輸出是通過對(duì)上述有功功率信息的累計(jì)產(chǎn)生，即在兩個(gè) 輸出脈沖之間經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的累加，因此輸出頻率正比于平均有功功率。由于相乘后的 LPF 不是理想的濾波器，本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 因此 LPF 輸出的瞬時(shí)有功功率信號(hào)還包含了相當(dāng)大的瞬時(shí)功率信息，即cos(2ω t)。這個(gè)信號(hào)通過數(shù)字 — 頻率轉(zhuǎn)換器，隨時(shí)間被積分（累加），進(jìn)而產(chǎn)生輸出頻率。如果 CF 以較高的頻率輸出，是因?yàn)樵趯?duì)瞬時(shí)有功功率進(jìn)行累加完成頻率轉(zhuǎn)換過程中，采用較短的累加時(shí)間，這就意味著減弱了對(duì)cos(2ω t)成分的平均作用，于是部分瞬時(shí)功率信號(hào)成分通過了頻率轉(zhuǎn)換器。在宿舍控電系統(tǒng)中， ADE7755 的輸出端 CF 經(jīng)光電耦合器 PS2501 連接到單片機(jī) AT89S52 的 引腳，如圖 32 所示。 圖 32 ADE7755 與 單片機(jī)連接電路 頻率輸出 CF 端連接到了單片機(jī)的端口，單片機(jī)在內(nèi)部定時(shí)器設(shè)定的積分時(shí)間內(nèi)對(duì) CF輸出的脈沖計(jì)數(shù)，平均功率正比于平均頻率，由下式確定： 平均功率＝平均頻率＝脈沖個(gè)數(shù)／積分時(shí)間 在一個(gè)積分周期內(nèi)消耗的電能為： 電能＝平均功率積分時(shí)間 ＝（脈沖個(gè)數(shù)／積分時(shí)間）積分時(shí)間＝脈沖個(gè)數(shù) CF 頻率常數(shù)的選擇是根據(jù)邏輯輸入 SCF 確定的，有兩種選擇方式，一種是 32 F1（ SCF=1），一種是 16 F1（ SCF＝ 0）。本系統(tǒng)中 SCF＝ 0，所以選擇 1600imp/KWh。 由于功率脈沖的周期較長(zhǎng)，所以可在軟件中用判斷功率脈沖的上升沿和 下 降 沿 的 方 法 來 確 認(rèn) 是 否 接 收 到 一 個(gè) 脈 沖 。 脈 沖 常 數(shù) 取 為1600imp/KWh，相應(yīng)用戶脈沖計(jì)數(shù)單元到 160 個(gè)脈沖時(shí)，相應(yīng)用戶的電量存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)容加上 度。但當(dāng)電路負(fù)荷較大時(shí)，功率脈沖較快，這就需要加快 CPU 的采樣速度或降低電脈沖常數(shù)以保證不會(huì)“漏”掉脈沖。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 167。 采樣板的設(shè)計(jì) 采樣板電路為電能計(jì)量的關(guān)鍵電路。該電路以 ADE7755 為核心實(shí)現(xiàn)對(duì)公寓各房間用電的計(jì)量，并將電能轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)送到單片機(jī)處理電路。圖 33 為采樣板電路圖．采樣板電路通過采樣電阻 (錳銅合金制成 )獲取的電流采樣信號(hào)由芯片 6 腳輸入，經(jīng)過可變電阻網(wǎng)絡(luò)的衰減后的電壓采樣信號(hào)由芯片 8 腳輸入，兩路信號(hào)在芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量累加運(yùn)算，并在內(nèi)部實(shí)現(xiàn) A 仍轉(zhuǎn)換，以脈沖方式由 2 24 腳輸出供給機(jī)械計(jì)度器，由 22 腳輸出經(jīng)光耦隔離后經(jīng)母板插座通過選通的三態(tài)門輸入到單 片機(jī)的 P3． 4 腳進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理。本系統(tǒng)工作參數(shù)設(shè)定在 1600imp／ KWh。圖 中 Rx 為精度調(diào)節(jié)電位器，通過調(diào)節(jié)電壓信號(hào)達(dá)到電表精度調(diào)節(jié)。電感L0、 L L2 等用于抑制電網(wǎng)干擾。系統(tǒng)采用模擬地 與數(shù)字地分離接地方式，通過電感 L0 實(shí)現(xiàn)直流共地并阻隔交流干擾 ]6][5[ 。 圖 33 采樣板電路圖 以 BH3023 為控制芯片的開關(guān)控制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)各房間的自動(dòng)開關(guān)控制，其核心器件是磁保持繼電器及其驅(qū)動(dòng)電路芯片 BH3023。磁保持繼電器區(qū)別于普通繼電器的特點(diǎn)在于繼電器一經(jīng)觸發(fā)即可保持開啟與關(guān)斷關(guān)態(tài)，觸發(fā)信號(hào)撤消后繼電器狀態(tài)不變，因而無需保持觸發(fā)信號(hào)．驅(qū)動(dòng)芯片 BH3023較采用分立晶體管驅(qū)動(dòng)電路具有線路簡(jiǎn)潔、可靠的優(yōu)點(diǎn)，因而在電能計(jì)量系統(tǒng)中被廣泛采用。來自單片機(jī) 、 的開、關(guān)控制信號(hào)經(jīng)光電隔離本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 送至 BH3023 的輸入端 B、 A，經(jīng)輸出端 QA、 OB 控制繼電器的通、斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)房間電源的開、關(guān)控制。電阻 R2 R30 即是光耦電路的輸出電阻，也是驅(qū)動(dòng)電路 BH3023 的輸入電阻。 圖 34 開關(guān)控制電路 167。 單片機(jī)板的設(shè)計(jì) 167。 單片機(jī)的選擇 采用單片機(jī)對(duì)反映電能的脈沖進(jìn)行采樣和數(shù)據(jù)處理，使電量的計(jì)算更加精確。因此單片機(jī)技術(shù)促進(jìn)了電測(cè)領(lǐng)域向智能化方向發(fā)展。目前， CPU的發(fā)展應(yīng)用趨于多樣化，主要可分為 8 位機(jī)和 16位機(jī)兩種， 8 位單片機(jī)的應(yīng)用占主流，根據(jù)本系統(tǒng)的特點(diǎn)及功能要求，選用了 一種低功耗、低價(jià)格、高性能的 CMOS8 位微處理器－ AT89S52[7][8] ，該 CPU 典型的特征是： 1) 與 MCS51單片機(jī)產(chǎn)品兼容 。 2) 8KB 可通過 SPI 接口下載的閃存 。 3) 內(nèi)