学生公寓电费管理系统设计
1 硬件电路设计
1.1 控制系统总体方案
每个用户端由一个多功能电表完成用电计量计费和管理,上位计算机将相关用电控制参数传送到用户终端,终端系统则根据管理中心设定的参数对用电情况进行实时监控,向管理中心计算机报送计量数据、恶性负载判别等功能,并执行管理中心发送的断电、供电指令。从而构成整个供电场所的柔性智能管理系统。其总体方案如图1所示。
![](../img/eep-analog/analog-543603vknif355z.jpg)
1.2 多功能电表结构
本方案采用北京福星晓程公司开发的多功能电表专用处理器PL3000。该芯片具有以下特点和功能:
(1)内嵌增强型8051兼容处理器,配置8/16位ALU、256+768 bytes SRAM以及8kbytes E2PROM、三个8/16位定时/计数器,一个看门狗定时器和三个外部中断。
(2)超级指令流水线结构,同等主频情况下8倍速于标准8051微处理器。
(3)内置高精度数字多功能电能计量单元,计量精度优于0.1%;
(4)电流通道内置可编程增益放大器(PGA)
(5)内置双通道电流采样、正/负功指示数字逻辑电路,具有防窃电功能。
(6)提供有功功率和无功功率瞬时值输出。
(7)外围模块包括LCD驱动、在系统编程、电源电压监测电路、双通道IS07816接口、实时钟。
该芯片集成了丰富的功能模块,外部只需少量的辅助元件即可完成所有功能,达到了整机低成本、高可靠的要求。电表设计框图如图2所示。
![](../img/eep-analog/analog-5437zthrfkd0wjq.jpg)
1.3 电流电压互感器采样电路
其工作原理是:首先,通过电流互感器CT、电压互感器PT对电流、电压采样,采样电路如图3所示;采样后直接送入IC引脚,经过内部放大电路放大,通过 A/D转换器转换成为数字信号;接下来经过数字滤波、移相等处理;最终,得到有效的电能计量数据。从而完成对有功/无功功率、瞬时电流和电压的有效值以及当前的交流频率值的计量、计算。
![](../img/eep-analog/analog-5438qzkuqzn1il5.jpg)
计量电路可以由软件来控制采样两路电流信号中的某一路。在计量模块内部与电压采样结果进行乘法处理,计算得到有功功率、无功功率。计量模块与8051之间是并行通讯,通过寄存器以及中断进行控制。PL3200内部的嵌入式微处理器8051可以通过特殊功能寄存器(SFR,包
括控制寄存器、标识寄存器、校表寄存器和数据寄存器四类)地址直接访问计量模块内部的寄存器。
1.4 有功测量
电能在物理山可以看成是从电源流向负载的能量流,在数学上等于该时刻瞬时电压值与瞬时电流值的乘积,将所有瞬时消耗的乘积在时间上做积分得到(见下式):
![](../img/eep-analog/analog-5439p4iulzch3f4.jpg)
其中U、I分别为交流电压、电流信号的有效值,cosφ为功率因素,然而,式(2)仅适用于电压电流都是标准正弦信号的时候,若这个前提不满足,则不能用式(2)作电网的功率计量。在实际电网中,电压电流信号基本上都不是只包含50Hz频率分量的正弦信号,而是含有很多诸如
100Hz、150Hz、200Hz…等的谐波信号。因此现代电能计量都仍然使用式(1)来计算功率和电能。
PL3000芯片采用了IIR高通滤波器去除电压电流信号中的直流信号,IIR型滤波器的一个缺点是具有非线性相位的频响特性,但由于PL30 00芯片对电压和电流信号使用同样的IIR型滤波器,对电压电流信号中的同频率分量将产生同样的相位延时,它们的相角差没有改变,因而不会对同频率的电压电流乘积积分值产生影响,这一点PL3000芯片与其他同类功率计量芯片不同,高通滤波器将不会由于非线性相位效应对电能计量产生不利影响。
1.5 通信接口设计
串行数据通信只需要一对数据传送线进行信息的传送,传送成本较低,特别适用分布式控制系统以及远距离通信之中,故本设计选择串行数据通信。RS-232C 和RS-485接口电路是最常用的接口,RS-232C的缺点是只能用于短距离的数据通信,通常传送距离在50m以内,而RS-
485可以达到上千米。RS-485接口在总线上允许连接多达128个收发器,具有良好的抗噪声干扰性、长的传输距离和多站能力等优点,在此我们选用 RS-485接口作为用户端和管理中心的通信接口。RS-485采用平衡发送和差分接收,因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具
有高灵敏度,能检测低至200mV的电压,故传输信号能在千米以外得到恢复。RS-485采用半双工工作方式,任何时候只能有一点处于发送状态,因此,发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便,可以省掉许多信号线。应用RS-485可以联网构成分布式系统,其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。图4为由SN75176构成的RS-485通信接口电路。
![](../img/eep-analog/analog-5440xfadfnoioxk.jpg)
2 软件程序设计
2.1 软件设计思路
控电终端的软件主要用来实现电量数据的采集和处理,并通过RS485接口实现与宿舍管理中心系统
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