學生公寓電費管理系統(tǒng)設計 2011-05-03 21:34:12來源:互聯(lián)網(wǎng)
本文給出了采用福星曉程PL3000單片機的具有上述功能的控制系統(tǒng)設計方案，本產(chǎn)品已在本地進入了推廣階段。

　　1 硬件電路設計

　　1.1 控制系統(tǒng)總體方案

　　每個用戶端由一個多功能電表完成用電計量計費和管理，上位計算機將相關用電控制參數(shù)傳送到用戶終端，終端系統(tǒng)則根據(jù)管理中心設定的參數(shù)對用電情況進行實時監(jiān)控，向管理中心計算機報送計量數(shù)據(jù)、惡性負載判別等功能，并執(zhí)行管理中心發(fā)送的斷電、供電指令。從而構成整個供電場所的柔性智能管理系統(tǒng)。其總體方案如圖1所示。

　　

　　1.2 多功能電表結構

　　本方案采用北京福星曉程公司開發(fā)的多功能電表專用處理器PL3000。該芯片具有以下特點和功能：

　　(1)內(nèi)嵌增強型8051兼容處理器，配置8/16位ALU、256+768 bytes SRAM以及8kbytes E2PROM、三個8/16位定時/計數(shù)器，一個看門狗定時器和三個外部中斷。

　　(2)超級指令流水線結構，同等主頻情況下8倍速于標準8051微處理器。

　　(3)內(nèi)置高精度數(shù)字多功能電能計量單元，計量精度優(yōu)于0.1%;

　　(4)電流通道內(nèi)置可編程增益放大器(PGA)

　　(5)內(nèi)置雙通道電流采樣、正/負功指示數(shù)字邏輯電路，具有防竊電功能。

　　(6)提供有功功率和無功功率瞬時值輸出。

　　(7)外圍模塊包括LCD驅動、在系統(tǒng)編程、電源電壓監(jiān)測電路、雙通道IS07816接口、實時鐘。

　　該芯片集成了豐富的功能模塊，外部只需少量的輔助元件即可完成所有功能，達到了整機低成本、高可靠的要求。電表設計框圖如圖2所示。

　　

　　1.3 電流電壓互感器采樣電路

　　其工作原理是：首先，通過電流互感器CT、電壓互感器PT對電流、電壓采樣，采樣電路如圖3所示;采樣后直接送入IC引腳，經(jīng)過內(nèi)部放大電路放大，通過 A/D轉換器轉換成為數(shù)字信號;接下來經(jīng)過數(shù)字濾波、移相等處理;最終，得到有效的電能計量數(shù)據(jù)。從而完成對有功/無功功率、瞬時電流和電壓的有效值以及當前的交流頻率值的計量、計算。

　　

　　計量電路可以由軟件來控制采樣兩路電流信號中的某一路。在計量模塊內(nèi)部與電壓采樣結果進行乘法處理，計算得到有功功率、無功功率。計量模塊與8051之間是并行通訊，通過寄存器以及中斷進行控制。PL3200內(nèi)部的嵌入式微處理器8051可以通過特殊功能寄存器(SFR，包

　　括控制寄存器、標識寄存器、校表寄存器和數(shù)據(jù)寄存器四類)地址直接訪問計量模塊內(nèi)部的寄存器。

　　1.4 有功測量

　　電能在物理山可以看成是從電源流向負載的能量流，在數(shù)學上等于該時刻瞬時電壓值與瞬時電流值的乘積，將所有瞬時消耗的乘積在時間上做積分得到(見下式)：

　　

　　其中U、I分別為交流電壓、電流信號的有效值，cosφ為功率因素，然而，式(2)僅適用于電壓電流都是標準正弦信號的時候，若這個前提不滿足，則不能用式(2)作電網(wǎng)的功率計量。在實際電網(wǎng)中，電壓電流信號基本上都不是只包含50Hz頻率分量的正弦信號，而是含有很多諸如

　　100Hz、150Hz、200Hz…等的諧波信號。因此現(xiàn)代電能計量都仍然使用式(1)來計算功率和電能。

　　PL3000芯片采用了IIR高通濾波器去除電壓電流信號中的直流信號，IIR型濾波器的一個缺點是具有非線性相位的頻響特性，但由于PL30 00芯片對電壓和電流信號使用同樣的IIR型濾波器，對電壓電流信號中的同頻率分量將產(chǎn)生同樣的相位延時，它們的相角差沒有改變，因而不會對同頻率的電壓電流乘積積分值產(chǎn)生影響，這一點PL3000芯片與其他同類功率計量芯片不同，高通濾波器將不會由于非線性相位效應對電能計量產(chǎn)生不利影響。

　　1.5 通信接口設計

　　串行數(shù)據(jù)通信只需要一對數(shù)據(jù)傳送線進行信息的傳送，傳送成本較低，特別適用分布式控制系統(tǒng)以及遠距離通信之中，故本設計選擇串行數(shù)據(jù)通信。RS-232C 和RS-485接口電路是最常用的接口，RS-232C的缺點是只能用于短距離的數(shù)據(jù)通信，通常傳送距離在50m以內(nèi)，而RS-

　　485可以達到上千米。RS-485接口在總線上允許連接多達128個收發(fā)器，具有良好的抗噪聲干擾性、長的傳輸距離和多站能力等優(yōu)點，在此我們選用 RS-485接口作為用戶端和管理中心的通信接口。RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具

　　有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復。RS-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號加以控制。RS-485用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線。應用RS-485可以聯(lián)網(wǎng)構成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺驅動器和32臺接收器。圖4為由SN75176構成的RS-485通信接口電路。