【正文】 識(shí)別器有 3 種： (1)功率識(shí)別控制器 : 此類識(shí)別器以功率為識(shí)別參數(shù)，超過系統(tǒng)設(shè)定的功率閾值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)跳閘。 (2)模擬技術(shù)的惡性負(fù)載識(shí)別器： 該產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)是成本較低 ， 效果明顯 ， 對一般的大功率阻性電熱負(fù)載基本都能識(shí)別 ， 基本解決了學(xué)生宿舍的安全用電問題 ； 缺點(diǎn)是只能識(shí)別大功率的阻性電熱負(fù)載 (一般產(chǎn)品只能識(shí)別 300W 以上的阻性負(fù)載 )， 而且隨著用電系統(tǒng)中改變相位設(shè)備 (如計(jì)算機(jī) ， 日光燈 )的增多 ， 產(chǎn)品動(dòng)作值的偏差就會(huì)變大 。 三、 本課題的研究方案 (1)負(fù)載的種類及特性 非線性整流性負(fù)載：這類負(fù)載在供電電壓為標(biāo)準(zhǔn)正弦波的情況下，電流畸變成非正弦波呈脈沖狀，包含了大量的諧波分量，如計(jì)算機(jī)、電視機(jī)、充電器、采用電子整流器的熒光燈等。 純電阻性負(fù)載：電流和電壓同相位，即 cosφ=1，如 熱得快、電熱杯 、電飯煲、吹風(fēng)機(jī)等。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。如果電路中的 3 次諧波電流增加，證明有計(jì)算機(jī) 類負(fù)載接入，系統(tǒng)不做任 何動(dòng)作；如果電路中的功率發(fā)生臺(tái)階性變化，功率因數(shù)增加，數(shù)值接近于 1，并且諧波分量變化很小，證明有阻性負(fù)載接入，系統(tǒng)做進(jìn)一步判斷，如果功率值在瞬間達(dá)到平穩(wěn)值，證明是電磁類加熱負(fù)載接入，系統(tǒng)不做任何判斷，如果功率以及電流經(jīng)過若干周期后達(dá)到平穩(wěn)值，證明有電阻絲加熱類負(fù)載接入，系統(tǒng)跳閘；幾秒后，沒有惡性負(fù)載的前提下，系統(tǒng)重新供電。對電腦、日光燈、充電器等日常 用電不加限制，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 。 對 學(xué)生 公寓用電主回路上 的 負(fù) 載進(jìn)行智能識(shí)別，采用單片機(jī)進(jìn)行處理和控制，準(zhǔn)確地判斷電路中接入 負(fù)載的功率 、電壓、電流、諧波等 特性，從而識(shí)別 出 大功率 阻性負(fù)載 電器并限制其使用， 在節(jié)約用電、減少安全隱患的同時(shí) 又不影響常規(guī)電 器的正常使用 。 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的安全隱患 ，對學(xué)生安全用電具有重大意義。 １ 課題發(fā)展現(xiàn)狀 １ 本設(shè)計(jì) 主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn) ２ 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn) ２ 第 2 章 負(fù)載分類及特征 ３ 負(fù)載分類及其特性 ３ 第 3 章 硬件設(shè)計(jì) ５ 硬件設(shè)計(jì)思路 ５ 基本構(gòu)成 ５ 基本工作原理 ７ S3C44B0X 單片機(jī)簡介 ７ A/D 轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì) 10 基于小 波變換的負(fù)載識(shí)別的應(yīng)用 11 諧波檢測方法 11 諧波檢測方法 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 20 數(shù)據(jù)查詢類 20 CAN 接口通信軟件設(shè)計(jì) 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 36 附錄 C 負(fù)載識(shí)別數(shù)據(jù)表 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 市場上各種質(zhì)量不合格的電器產(chǎn)品越來越多，由電器故障造成的觸電、電起火等事故屢見不鮮。 近年來，隨著高校規(guī)模的不斷擴(kuò)大，學(xué)生人數(shù)急劇上升，許多高校都實(shí)行后勤管理社會(huì)化。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。針 對這種情況而研制開發(fā)的智能負(fù)載識(shí)別器， 可自動(dòng)識(shí)別宿舍用電電器。 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)。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)對用電過程中的負(fù)載類型進(jìn)行識(shí)別。由于各種電力電子設(shè)備的使用，尤其是非線性負(fù)載接入電路后，會(huì)產(chǎn)生大量的諧波分量， 使電壓 電流 波形產(chǎn)生畸變，成為非正弦波，即削頂電壓。 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。 主要 創(chuàng)新點(diǎn) 本系統(tǒng) 可根據(jù)實(shí)際情況 ， 通過軟件靈活設(shè)置用戶的最大負(fù)載功率，能夠識(shí)別出阻性負(fù)載中的 惡性負(fù)載 ，并限制其使用。 (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)載是指那些類似于純電阻性的用電器，也 稱為類阻性負(fù)載，如：白熾燈、電爐 子、熱得快、電吹風(fēng)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。 (2)阻性負(fù)載接入電路后， 電路的總功率增加，功率因數(shù)提高，達(dá)到 以上，電壓電流波形近似于正弦波，電流信號(hào)中只含有 1 次諧波和 3 次諧波，其它諧波的幅度近似為 0，且 1 次諧波幅度很大， 3 次諧波幅度很小。 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)。開關(guān)電源的原理是先把 220V/50HZ 交流電整流為高壓直流，再把高壓直流逆變?yōu)楦邏焊哳l交流，再通過高頻變壓器降為低壓高頻交流，再轉(zhuǎn)為低壓直流輸出，這種電源的效率要比傳統(tǒng)穩(wěn)壓器高得多。 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，通過單片機(jī)處理采樣數(shù)據(jù)并控制繼電器。 基本構(gòu)成 該系統(tǒng)主要由主控制模塊、信息檢測模塊 、 A/D 轉(zhuǎn)換模 塊、輸出控 制模塊、保護(hù)模塊等組成 。 系統(tǒng)的總流程圖如圖 31 所示。在這里之所以采用具有滯回特性的比較器，是因?yàn)槠胀ǖ膯蜗薇容^器抗干擾能力差，如輸入端受 到干擾或噪聲的影響，在門限電平上下波動(dòng)，則 輸出電壓將在高、低電平之間反復(fù)跳變，如在控制系統(tǒng)中發(fā)生這種情況， 將對執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響，故我們采用了具有滯回特性的比較器。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。一旦主模塊不能控制繼電器，則強(qiáng)制開關(guān)閉合讓 S2 直接接地，強(qiáng)制繼電器接通為用戶供電。 命令處理 Y N 系統(tǒng)初始化 上電 FLASH / CAN 負(fù)載識(shí)別 有無上位機(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 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)過信號(hào)調(diào)理后送入單片機(jī)對其進(jìn)行處理。由于學(xué)生宿舍使用的常規(guī)電器一般單個(gè)功率都不大 于 300W，所以當(dāng)有常規(guī)小功率電器接入時(shí)，電流的瞬間變化量將不會(huì)超過設(shè)定值，電網(wǎng)能正常供電。該控制器還可以配合其他 控制器來設(shè)置觸電、過載和短路等保護(hù)功能，更加有效地防止了一些用電 事故。 ARM7TDMI 體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是它集成了Thumb 代碼壓縮器，一個(gè)片上 ICE 斷點(diǎn)調(diào)試支持和一個(gè) 32 位的硬件乘法器。 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。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，各種高精度、低成本、低功耗、可編程的 A/D 芯片不斷推出，使得儀器儀表和微機(jī)測控系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)更加簡潔，可靠性更高。 本設(shè)計(jì) 采用 TLV2548 串行 A/D 轉(zhuǎn)換器。它具有轉(zhuǎn)換速度快、精度高、多通道等優(yōu)點(diǎn)，并且具有采樣保持功能。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)。由于它的采樣最高處理速度可高達(dá) 200 多 Ksps，所以完全能滿足本系統(tǒng)的需要。 芯片引腳如圖 32，引腳說明如表 31。上位機(jī)可以對下位機(jī)進(jìn)行參數(shù)修改，控制下位機(jī)及整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。 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。 MCP2510 是一種帶有 SPI 接口的 CAN 控制器，通過 SI 接口與微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)。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 ～ 。軟件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從以下幾個(gè)方面加以考慮 [4][5]： (1)根據(jù)軟件功能要求，將系統(tǒng)軟件分成若干個(gè)相對獨(dú)立的部分，使系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)清晰、簡捷、流程合理。 (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。這是程序設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分，也是決定成敗的關(guān)鍵部分。 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。目前負(fù)載識(shí)別理論有基于小波變換的負(fù)載識(shí)別 和 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載識(shí)別 。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。 目前，小波分析已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于信號(hào)處理、地震勘探、語音識(shí)別與合成、機(jī)械故障診斷與監(jiān)控等科技領(lǐng)域。 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)。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載識(shí)別 的應(yīng)用 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常是指基于誤差反向傳播算法的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。 在負(fù)載識(shí)別中，把負(fù)載波形經(jīng)過 FFT 處理以后的特定頻率的幅值作為系統(tǒng)的輸入。但為了更