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基于ATT7037AU的新型自適應(yīng)智能用電控制終端設(shè)計

作者: 時間:2016-10-22 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

節(jié)約用電和安全用電,不但是電器使用者們一直關(guān)心的話題,而且是終端用電管理部門重點關(guān)注的,對于如何方便眾多用戶安全使用的同時實現(xiàn)安全方便的管理,也一直是相關(guān)部門科研工作者們努力的方向。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201610/309182.htm

目前已設(shè)計出各種各樣的電路來完成這樣的任務(wù),主要的有功率識別法和相位識別法等,但它們都因為電路自身的原因存在缺陷,前者只能對總用電功率進行識別和控制,后者只能識別阻性負(fù)載。還有一些提出利用面積比較、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、諧波分離等方法來識別負(fù)載,這些方法,電路復(fù)雜,信號處理算法復(fù)雜。還有的對現(xiàn)有電能表電路進行改進后利用微控制器進行控制,這種方法造成電路體積較大,系統(tǒng)復(fù)雜,成本高,智能化設(shè)計程度低。

基于此,項目組在進行充分調(diào)研和實驗的基礎(chǔ)上,應(yīng)用戶要求設(shè)計了一款新型控制終端,基于新型高集成度SOC芯片,設(shè)計了系統(tǒng)電路和軟件算法,實現(xiàn)對電

器類型的識別、功率檢測和用電控制。實踐應(yīng)用證明其實用性強,可靠性高。

1 控制終端系統(tǒng)設(shè)計

用電控制的中心任務(wù)是對終端用電器通、斷電控制,依據(jù)是該電器是否是在規(guī)定的時間和地點被允許使用的。我們?nèi)粘I钪休^常用的電器比如電腦、電扇、充電器、照明燈等,這些是可以在規(guī)定的時間段內(nèi)使用的,而不常用的容易引起事故的大功率電器如熱得快、電爐、大功率電吹風(fēng)等,這些往往是不允許被使用的,小功率易出現(xiàn)事故的如電熱毯、小功率電吹風(fēng)等,這些是限時使用的。因此新型控制終端必須解決違規(guī)電器的自動識別和自動控制問題。

本設(shè)計采用上海鉅泉光電科技股份有限公司最新研發(fā)推出的最新型低功耗高性能的單相多功能計量SOC芯片,通過對用電設(shè)備的電流和電壓采樣,利用EMU模塊的數(shù)字信號處理功能實時計算出瞬時有功功率與有功電能、無功功率與無功電能、視在功率與視在電能、電壓有效值、電流有效值及頻率計算等計量功能,根據(jù)這些參數(shù)的變化可以判斷出負(fù)載的變化,利用程序算法可以成功解決以往的限電技術(shù)不能識別負(fù)載,或者智能性和準(zhǔn)確性不高的問題。

為核心的智能用電控制終端主要由SOC最小系統(tǒng)電路、電流及電壓采樣電路、紅外接口電路、顯示電路、溫度傳感電路、電源電壓檢測電路、繼電器控制電路、485通訊接口電路、電源電路等組成。其中,芯片通過外圍電路既能完成用電信息的采集、運算又能夠?qū)崿F(xiàn)和外部交互控制、顯示和通信。智能用電控制終端整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

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2 智能用電控制終端硬件設(shè)計

自適應(yīng)智能用電控制終端的設(shè)計重點在于獲取當(dāng)前用電器的用電信息,提取出有用的負(fù)載特征,從而準(zhǔn)確地識別用電器的類型,最終做出是否通斷電的動作。另一個重要任務(wù)就是精確計量已消費使用的電量,并據(jù)此進行一系列通斷電操作。此外,必要的通訊功能是實現(xiàn)人機友好交互的重要手段,使操作管理更加智能化。

獲取用電信息的手段有很多,比如對電壓電流采樣后再進行AD轉(zhuǎn)換,或者使用模擬電路進行積分,這會導(dǎo)致運算速度很慢,系統(tǒng)精度降低。本設(shè)計采用上海鉅泉光電科技股份有限公司最新推出的ATT7037AU芯片,克服了傳統(tǒng)電路相位誤差大、易飽和,抗干擾能力弱,速度慢,穩(wěn)定性差的缺點,實現(xiàn)功率電能信息采集、運算和控制的一體化,結(jié)構(gòu)簡單,集成度高。

2.1 電能SOC芯片ATT7037AU

ATT7037AU芯片片內(nèi)集成單相計量(3路ADC)、CPU51內(nèi)核處理器、LCD驅(qū)動、電源管理,時鐘管理,RTC模塊及每秒補償機制,溫度/電池電壓測量模塊,PLL,JTAG調(diào)試等功能。芯片能夠通過片內(nèi)ADC采樣提供三路ADC的原始采樣數(shù)據(jù)和同步波形采樣數(shù)據(jù),內(nèi)部DSP電路能實時計算出有功、無功和視在功率、電壓有效值、電流有效值等,電能計量誤差小于0.1%,電壓,電流有效值測量誤差小于0.5%。通過SFR寄存器和中斷的方式,可以對數(shù)字信號處理部分進行校表參數(shù)配置和計量參數(shù)讀取;計量的結(jié)果還通過PF/QF/SF引腳輸出,也即校表脈沖輸出,可以直接接到標(biāo)準(zhǔn)表進行誤差對比。

系統(tǒng)核心電路包括芯片電源連接電路,晶振電路,JTAG調(diào)試電路,信號采樣端口,雙串口輸出電路,功能按鍵,以及工作指示燈等。

2.2 電壓電流數(shù)據(jù)采樣電路

本控制終端的數(shù)據(jù)來源主要是用電器上的電壓和電流信號,ATT7037AU通過V1P、V1N采樣電流,通過V3P、V3N采樣電壓,通過片內(nèi)的完全獨立的模擬增益放大器(PGA),可以完成對外部的電壓和電流輸入差分信號的幅度放大,放大后的信號再送給ADC進行采樣和處理,在極小信號輸入時能夠保證測量的線性度。

電流如圖2所示,F(xiàn)LQ為孟桐分流器,其具有線性度好和溫度系數(shù)小等優(yōu)點;L—IN接火線,作為系統(tǒng)參考地電壓;1K電阻與33nF電容并聯(lián)到地,共同組成低通濾波器,阻止電網(wǎng)中的高頻信號進入芯片內(nèi)部,用來減少對芯片內(nèi)部DSP處理模塊電路的干擾,錳銅電阻兩端產(chǎn)生的穩(wěn)定的微弱電壓通過VIP、V1N進入芯片內(nèi)部。

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電壓采樣電路圖3所示,經(jīng)過串聯(lián)電路電阻分壓后的小信號電壓通過電阻和電容網(wǎng)絡(luò)中的V3P、V3N通道進入芯片內(nèi)部。

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2.3 電源電路

在普通的智能控電器中,因為系統(tǒng)簡單,控制功率小于2 000 W,因此大多所使用小功率交流繼電器控制,整個系統(tǒng)功耗較低,因此使用了阻容降壓電路來提供系統(tǒng)電源,但是由于繼電器是通電保持性器件,工作過程就會消耗能量,另外大功率的繼電器阻容降壓電源提供的功率不夠。這里選用磁保持型繼電器,12 V的開關(guān)電源模塊,同時滿足大功率電流通斷和節(jié)能需要。

2.4 磁保持繼電器驅(qū)動電路

智能用電管理終端的重要任務(wù)是通斷電控制,前面一經(jīng)選用了交流60 A的磁保持繼電器BST-902,該繼電器通過給控制引腳施加不同的電平信號來接通或者斷開開關(guān),因此其驅(qū)動電路需要在兩個端口能夠提供高低電平,具體驅(qū)動電路如圖4所示。

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2.5 其他電路

作為一個管理終端,需要對用電信息進行存儲,雖然ATT7037AU芯片內(nèi)部自帶存儲,但是因為它是先整頁擦除,然后寫的操作,并且擦寫次數(shù)比較有限,因此比較適合存儲非頻繁操作的數(shù)據(jù),如控制器地址,控制器計量校正參數(shù)等的存儲,對于電參數(shù)的計量數(shù)值這里選用了AT24C02作為存儲器。

另外,管理終端還要完成485通信和的功能,并同時能夠通過顯示屏顯示用戶信息、電參數(shù)信息、電器類型、通斷電信息、警告信息等主要信息,還可以顯示時間、溫度、備份電池電壓等。

485通信電路,支持簡單協(xié)議的485通信操作,如電量的讀取,系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置,數(shù)據(jù)處理指令等,紅外收發(fā)電路提高數(shù)據(jù)讀取及控制的效率和安全性。

3 自適應(yīng)智能用電控制終端軟件設(shè)計

自適應(yīng)控制終端要能夠獨立完成對用電終端電器的用電控制,必須要能根據(jù)當(dāng)前以及歷史用電信息識別用電器的類型,根據(jù)用電器的類型和電量信息判斷是否允許使用,進

而進行相應(yīng)的開關(guān)控制,以達到對用電端的電能計量、節(jié)能和安全的目的。

3.1 自適應(yīng)識別原理介紹

自適應(yīng)控制終端的自適應(yīng)是有限自適應(yīng),即對標(biāo)準(zhǔn)的已知用電器的自適應(yīng)以及對特定非通用設(shè)備的自適應(yīng)。通過對已有電器的功率特性進行采樣建立樣本數(shù)據(jù)模型庫,從而實現(xiàn)在正常工作的工程中依據(jù)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)模型對電器進行識別,進而達到控制的目的。功率特性主要包括有功功率的范圍和其隨時間變化的趨勢。

3.2 軟件樣本數(shù)據(jù)庫的建立

生活中常見的電器主要分為:阻性、感性、非線性、還有混合型設(shè)備。對于阻性設(shè)備電器,屬于線性設(shè)備,但是惡性負(fù)載(大功率阻性負(fù)載)多,如熱得快、電水壺等,所以是最危險的用電設(shè)備,需要重點關(guān)注,但其模型比較簡單,因為其工作過程中電壓、電流相位一致,設(shè)備功率比較穩(wěn)定。對于感性設(shè)備,如電風(fēng)扇等,功率穩(wěn)定而適中,模型庫也較簡單。對于非線性設(shè)備,有穩(wěn)定工作的設(shè)備如電腦等,其特點是工作波形不規(guī)則。對于混合型設(shè)備,如空調(diào),其工作狀態(tài)有多個,而且狀態(tài)多變,狀態(tài)功率不等,功率變化多樣,也是關(guān)注的重點和識別的難點。因此,依據(jù)各類電器的特性,可以將數(shù)據(jù)庫中的電器分為功率穩(wěn)定和功率不穩(wěn)定兩類。

3.3 電器工作數(shù)據(jù)模型的建立

這里以功率多變的空調(diào)為例,說明數(shù)據(jù)模型建立的過程。將智能管理終端的紅藍兩根220 V引線通過插頭接入插座,將紅綠兩線接到某型壁掛空調(diào)的電源線端,建立工作電路,終端即上電工作,按下自適應(yīng)采集控制按鍵,終端通過485總線將實時采集到的功率數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C記錄,并繪制波形,啟動空調(diào)為制熱模式,空調(diào)工作整個過程的有功功率一時間有效曲線如圖5所示,其中縱軸單位為W,橫軸為S??梢钥闯隹照{(diào)啟動后,首先維持了約16 s的1 W功率,然后功率開始上升,到第21 s穩(wěn)定下來,一直到第31 s都保持在679.9 W,之后開始上升,到第71 s時功率達到最大值1917 W,在第71至481 s區(qū)間,功率基本穩(wěn)定在1 800 W左右,波動在±150 W以內(nèi),從第482 s開始從明顯下降,到516 s降至964 W,然后功率開始在964 w至1 164 w之間按照先增后減的過程呈現(xiàn)有規(guī)律的周期性震蕩,周期為約170 s,震蕩持續(xù)12個周期,之后關(guān)閉空調(diào),空調(diào)功率很快下降到0W。

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圖5所示過程體現(xiàn)了空調(diào)制熱的一般過程,可以看出其中有4個關(guān)鍵點,在這些點的兩邊都產(chǎn)生了較大的功率變化,因此依據(jù)這些關(guān)鍵點在它們之間取最大、最小值的加權(quán)平均,可以建立的數(shù)學(xué)模型如圖6所示,其中細(xì)曲線為原始數(shù)據(jù),較粗的折線為模型數(shù)據(jù)。其中最關(guān)鍵特征是3個關(guān)鍵數(shù)據(jù)797 W、1786 W和1 032 W,以及圍繞這3個功率點的小范圍波動。

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3.4 自適應(yīng)識別程序設(shè)計

依據(jù)上述分析,可以設(shè)計對應(yīng)的識別算法程序。識別軟件核心程序流程如圖7所示??梢钥闯隼么蠊β守?fù)載是否穩(wěn)定,是否在特征功率附近波動這兩個特性,通過一系列的比較、歸納能夠?qū)⑽覀儽容^關(guān)心的惡性負(fù)載和空調(diào)從眾多負(fù)載中篩選出來,分別進行相應(yīng)的控制,達到自適應(yīng)識別控制的目的。

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對于功率穩(wěn)定的其他電器模型,只是一些列關(guān)鍵有功特征功率不同,算法及流程相同,不再贅述。

4 結(jié)束語

本文基于一款SOC芯片設(shè)計了一種新型的用電管理終端,根據(jù)用電負(fù)載的不同特性,提取其關(guān)鍵特征,給出了一種識別算法流程。與同類產(chǎn)品相比,結(jié)構(gòu)簡潔,操作簡單,可以有效識別出特定負(fù)載和惡性負(fù)載,成功解決了以往無法區(qū)分負(fù)載特性的問題,從而實現(xiàn)對相應(yīng)的用電設(shè)備進行放行或者關(guān)斷等操作。該終端體積小,智能化程度高,實際運行效果證明其具有良好的可靠性和穩(wěn)定性,滿足了用戶需求。



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