專利名稱：數(shù)字型智能惡性負(fù)載識(shí)別器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)字型智能惡性負(fù)載識(shí)別器，主要用于校園學(xué)生公寓的用電控制。
背景技術(shù)：
隨著校園用電器的增多和普及，校園安全用電隱患和浪費(fèi)成為校園管理者急需 解決的問(wèn)題。主要存在以下問(wèn)題
1、 在學(xué)生公寓中，電加熱器件極其容易引起火災(zāi)事故，如電熱毯、電熱杯、 電爐子等，特別是容易引起火災(zāi)的電熱毯，在不影響計(jì)算機(jī)使用的同時(shí)，加熱功率 在30-50W電熱毯，普通惡性負(fù)載識(shí)別器就無(wú)法控制；
2、 南方高校的學(xué)生公寓中普遍有電風(fēng)扇、熱水器，通常是24小時(shí)供電，這樣 學(xué)生就容易通宵上網(wǎng)，從而影響學(xué)業(yè)，因此急需解決；
3、 絕大多數(shù)高校學(xué)生公寓中有飲7jc機(jī)，飲水機(jī)加熱功率通常550W左右，如想 讓學(xué)生使用飲水機(jī)，這樣普通的惡性負(fù)載識(shí)別器就無(wú)法控制550W以內(nèi)的加熱電器， 使其失去基本能效；
4、 介入的大功率阻性負(fù)載特性發(fā)生線性變化，普通的惡性負(fù)載識(shí)別器就無(wú)法 正常的準(zhǔn)確控制；
5、 4艮多學(xué)生故意插入違規(guī)用電器，使惡性負(fù)載識(shí)別器中的繼電器頻繁通斷， 損壞繼電器，縮短負(fù)載識(shí)別器使用壽命。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種數(shù)字型智能惡性負(fù)載識(shí)別器，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在 的無(wú)法識(shí)別常用電器、較大功率電器和使用壽命較短的問(wèn)題。
本發(fā)明的技術(shù)方案是包括測(cè)量電路A、計(jì)算判斷電路B、繼電器控制電路C 及通信設(shè)置電路D,測(cè)量電路A與計(jì)算判斷電路B的輸入端連接，計(jì)算判斷電路B 的一個(gè)輸出端經(jīng)光耦隔離后與控制繼電器控制電路C的輸入端連接，該繼電器控制 電路C的繼電器觸點(diǎn)連接在被監(jiān)測(cè)的負(fù)載的電路回路中；計(jì)算判斷電路B的另 一個(gè)輸出端與通信設(shè)置電路D的輸入端連接，該通信設(shè)置電路D釆用Mega32的UART 口輸出，經(jīng)光耦U3、 U4隔離后與485通信轉(zhuǎn)換芯片Ull連接。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是在使用5臺(tái)計(jì)算機(jī)時(shí)，能夠正常使用飲水機(jī)，同時(shí)插入30W 電熱趙3秒后即刻斷電；根據(jù)多時(shí)段設(shè)置用電設(shè)備運(yùn)用模式，在時(shí)間段內(nèi)所添加的 設(shè)備是否學(xué)習(xí)過(guò)的用電設(shè)備參數(shù)，不同負(fù)載的功率及功率因數(shù)，從而控制計(jì)算機(jī)和 熱水器、空調(diào)、電風(fēng)扇以及其它阻性負(fù)載是否允許使用；大功率負(fù)載特性發(fā)生變化 能夠準(zhǔn)確判斷；為了避免學(xué)生惡意損壞繼電器，增加違規(guī)斷電次數(shù)設(shè)置功能，延長(zhǎng) 了識(shí)別器的使用壽命。


圖l是本發(fā)明的總體構(gòu)成電路框圖； 圖2是本發(fā)明的測(cè)量電路A的原理圖； 圖3是本發(fā)明的計(jì)算判斷電路B的原理圖； 圖4是本發(fā)明的通信設(shè)置電路D的原理圖5是本發(fā)明的計(jì)算判斷電路B的單片機(jī)內(nèi)部資源初始化流程圖； 圖6是本發(fā)明的計(jì)算和判斷的流程圖。
具體實(shí)施方式
參見圖1~圖6,本發(fā)明惡性負(fù)載識(shí)別器主要由測(cè)量電路A、計(jì)算判斷電路B、 繼電器控制電路C及通信設(shè)置電路D四部分組成。測(cè)量電路A與計(jì)算判斷電路B 的輸入端連接，計(jì)算判斷電路B的一個(gè)輸出端經(jīng)光耦隔離后與控制繼電器控制電路 C的輸入端連接，該繼電器控制電路C的繼電器觸點(diǎn)連接在被監(jiān)測(cè)的負(fù)載的電路回 路中；計(jì)算判斷電路B的另一個(gè)輸出端與通信設(shè)置電路D的輸入端連接。測(cè)量電路 A采用CRTSTAL公司的CS5460A集成芯片測(cè)量電網(wǎng)兩端電壓及流過(guò)的電流。計(jì)算 判斷電路B釆用AVR公司的Mega32單片機(jī)U2實(shí)現(xiàn)程序控制。繼電器控制電路C 的繼電器由外部12V電源驅(qū)動(dòng)，單片機(jī)U2經(jīng)光耦U5隔離后輸出控制信號(hào)。
測(cè)量電路A的集成電路CS5460A有兩路模擬量輸入通道(電流通道和電壓通 道，各通道由一個(gè)放大器和一個(gè)A-E模/數(shù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成)，并且自帶電能計(jì)量DSP引 擎，可實(shí)現(xiàn)能量、有效電壓、有效電流輸出。在此設(shè)計(jì)中，采用串聯(lián)電阻R4(0.01Q) 的采樣電阻方式測(cè)量電流，并聯(lián)分壓電阻R2 、 R3方式測(cè)量電壓。測(cè)量所得數(shù)據(jù)通 過(guò)SPI接口 (CS5460A的5、 6、 23引腳)傳輸給計(jì)算判斷電路B。圖2為測(cè)量電路A的原理圖。市電經(jīng)由電容C1、 二極管Dl和D2構(gòu)成的半波 阻容方式降壓，經(jīng)電容C3 、電阻R5濾波，穩(wěn)壓二極管D3穩(wěn)壓后為系統(tǒng)提供穩(wěn)定 的5V電源。電阻R2、 R3構(gòu)成電壓分壓電路，將AC220V電壓降至AC110mV,經(jīng) 集成芯片CS5460A的9、 IO腳完成電壓信號(hào)采集。R4為電流采樣電阻，串聯(lián)在外 部被監(jiān)測(cè)的負(fù)載回路中，當(dāng)外部有負(fù)載時(shí)，將有電流從電阻R4流過(guò)，并在電阻R4 兩端產(chǎn)生壓降，經(jīng)由集成芯片CS5460A的15、 16腳采集此壓降，完成電流信號(hào)采 集。通過(guò)CS5460A的5 (SCK)、 6 ( SDO )、 23 ( SDI)引腳(即SPI接口 )分別與 計(jì)算判斷電路B單片機(jī)mega32的3(SCK)、 2(MIS0)、 l(MOSI)引腳連接，按SPI 協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。
參見圖3，計(jì)算判斷電路B以Mega32單片機(jī)U2為核心，單片機(jī)U2的外部中 斷1輸入引腳INT1 (12腳)與CS5460A的中斷輸出引腳INT ( 20腳)相連，當(dāng)集 成芯片CS5460A完成一次有效值計(jì)算時(shí)，外部中斷1觸發(fā)，在中斷函數(shù)中讀取Urms、 Irms、 E,再根據(jù)有效值計(jì)算周期T,可計(jì)算出
有功功率P^E/T，
一見在功率S= t/rffw x irww ,
無(wú)功功率Q=VF^7^
功率因素f=P/S。
通過(guò)當(dāng)前狀態(tài)的參數(shù)與上一狀態(tài)參數(shù)比較，就可計(jì)算出新增負(fù)載參數(shù) 新增負(fù)載有功功率iLrf=《-S 新增負(fù)載無(wú)功功率a^=^-2, 新增負(fù)載視在功率1=^。。/+仏"/ 新增負(fù)載功率因數(shù),"=US。arf
根據(jù)這些參數(shù)，與設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比較，如果在誤差范圍內(nèi)，則此用電設(shè)備允 許使用，否則控制繼電器斷電。對(duì)于大功率負(fù)載并上電容后相位變化致使普通識(shí)別 器無(wú)法識(shí)別的，在本設(shè)計(jì)中，我們由設(shè)定的最大單個(gè)允許負(fù)載功率進(jìn)行控制。大功 率負(fù)載并上電容后，無(wú)非是改變了功率因素，但有功功率P不會(huì)變化，當(dāng)P大于設(shè) 定的最大單個(gè)允許負(fù)載功率時(shí)，控制繼電器斷電。
為防止串入二極管進(jìn)行破解，程序中周期性的讀取2個(gè)波形的瞬時(shí)電流，當(dāng)正 負(fù)半周期最大值連續(xù)3秒大于設(shè)定的值時(shí)，判斷為有半波負(fù)載添加，繼電器斷電。
參見圖4，通信設(shè)置電路D釆用Mega32的UART 口輸出，經(jīng)光耦U3、 U4隔 離后，使用485通信轉(zhuǎn)換芯片Ull將TTL信號(hào)轉(zhuǎn)換成485通信協(xié)議的差分信號(hào)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。
參見圖5,單片機(jī)內(nèi)部資源初始化程序流程如下
單片機(jī)內(nèi)部資源初始化時(shí)將SPI配置為主模式，頻率為主頻的1/64, SPI中斷 關(guān)閉。UART波特率為2400,偶校驗(yàn)，默認(rèn)為接收狀態(tài)，接收中斷允許。外部中斷 l下降沿觸發(fā)(用于響應(yīng)CS5460A有效值計(jì)算完成事件)。定時(shí)器2周期設(shè)置為1S。 繼電器觸電吸合。
CS5460A初始化時(shí)從EEPROM中讀取默認(rèn)配置數(shù)據(jù)，CS5460A默認(rèn)配置計(jì)算 周期為0.2秒，計(jì)算完成中斷允許，低電平有效。電流通道高通濾波，IO倍放大倍 數(shù)。電壓通道無(wú)濾波。
CS5460A數(shù)據(jù)測(cè)量開始后將一直進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量直到執(zhí)行復(fù)位、停止命令或者停 電。測(cè)量開始后，程序進(jìn)入一個(gè)無(wú)限循環(huán)結(jié)構(gòu)。在此結(jié)構(gòu)中，程序首先判斷當(dāng)前時(shí) 間是否在設(shè)定的時(shí)間段中，如果在，則更新此時(shí)間段所需要的系統(tǒng)參數(shù)。然后判斷 是否有上位機(jī)命令未執(zhí)行(在UART接收中斷響應(yīng)函數(shù)中接收上位機(jī)命令)，如果 有則允許此命令，命令的類型與上位機(jī)控制命令——對(duì)應(yīng)。最后判斷CS5460A新的 有效值是否計(jì)算完畢(外部中斷1中捕捉)，如果計(jì)算完畢，記錄此組數(shù)據(jù)，并進(jìn) 行數(shù)據(jù)分析，判斷用電參數(shù)是否合格。
參見圖6,本發(fā)明的計(jì)算和判斷方法具體如下
當(dāng)一次有效數(shù)據(jù)計(jì)算完成時(shí)，進(jìn)行負(fù)載判斷。首先對(duì)前10S的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波， 減小干擾的影響。然后進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)判斷，運(yùn)行中共有5個(gè)狀態(tài)，分別為關(guān)閉狀 態(tài)、違規(guī)狀態(tài)、正常狀態(tài)、恢復(fù)狀態(tài)、開機(jī)狀態(tài)。在關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，繼電器斷開，所 有負(fù)載均不讓使用。
當(dāng)本發(fā)明裝置上電后，首先進(jìn)入開機(jī)狀態(tài)，繼電器吸合，此時(shí)判斷開機(jī)用電參 數(shù)是否合格，如果合格則進(jìn)入正常狀態(tài)，如果不合格進(jìn)入違規(guī)狀態(tài)。
當(dāng)處于正常狀態(tài)時(shí)，繼電器吸合，讀取瞬時(shí)電流值，然后通過(guò)瞬時(shí)電流判斷是 否存在半波整流設(shè)備(即判斷電流正負(fù)絕對(duì)值之差是否超出設(shè)定范圍)，如果不存 在則判斷當(dāng)前新增負(fù)載是否合格(即判斷新增負(fù)載功率及功率因素是否均小于設(shè)定 值)，如果合格接著判斷當(dāng)前狀態(tài)是否合格(即判斷當(dāng)前有功功率是否小于設(shè)定值), 如果合格則保持現(xiàn)在的正常狀態(tài)，如果以上三個(gè)判斷有任意一個(gè)不合格，則進(jìn)入違 規(guī)狀態(tài)。
進(jìn)入違規(guī)狀態(tài)后，繼電器斷開，按設(shè)定的時(shí)間延時(shí)，當(dāng)延時(shí)時(shí)間到后，進(jìn)入恢 復(fù)狀態(tài)，繼電器吸合。在恢復(fù)狀態(tài)時(shí)，判斷此時(shí)用電參數(shù)是否合格(即判斷違規(guī)負(fù)載是否摘除和總功 率是否合格)，如果合格就進(jìn)入正常狀態(tài)，如果不合格就進(jìn)入違規(guī)狀態(tài)。
本發(fā)明在應(yīng)用時(shí)將測(cè)量電路A的電壓測(cè)量端P4與被監(jiān)測(cè)的負(fù)載電網(wǎng)(如學(xué)生
公寓的電源電路)連接，將電流測(cè)量端Pl的兩端串聯(lián)在被監(jiān)測(cè)負(fù)載的回路中。根 據(jù)學(xué)生公寓管理者需求，通過(guò)上位機(jī)自行設(shè)定各用電控值參數(shù)，控制精度連續(xù)數(shù)字
給定，如控制在30W、 31W、 32W等，學(xué)習(xí)功能和時(shí)間段能夠多路設(shè)置。
權(quán)利要求1、一種數(shù)字型智能惡性負(fù)載識(shí)別器，其特征在于包括測(cè)量電路(A)、計(jì)算判斷電路(B)、繼電器控制電路(C)及通信設(shè)置電路(D)，測(cè)量電路(A)與計(jì)算判斷電路(B)的輸入端連接，計(jì)算判斷電路(B)的一個(gè)輸出端經(jīng)光耦隔離后與控制繼電器控制電路(C)的輸入端連接，該繼電器控制電路(C)的繼電器觸點(diǎn)連接在被監(jiān)測(cè)的負(fù)載的電路回路中；計(jì)算判斷電路(B)的另一個(gè)輸出端與通信設(shè)置電路(D)的輸入端連接，該通信設(shè)置電路(D)采用Mega32的UART口輸出，經(jīng)光耦(U3、U4)隔離后與485通信轉(zhuǎn)換芯片(U11)連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字型智能惡性負(fù)載識(shí)別器，其特征在于所述的 測(cè)量電路(A)采用CS5460A集成芯片，市電經(jīng)由電容(Cl)、 二極管(Dl、 D2) 構(gòu)成的半波阻容電路，通過(guò)電容(C3)、電阻(R5)濾波電路，穩(wěn)壓二極管(D3) 穩(wěn)壓組成穩(wěn)定的5V電源；電阻(R2、 R3)構(gòu)成電壓分壓電路，并與集成芯片(CS5460A)的第9、 IO腳連接；電流采樣電阻(R4)串聯(lián)在外部負(fù)載回路，并與 所述的集成芯片(CS5460A)的15、 16腳連接；通過(guò)集成芯片(CS5460A)的SPI 接口與所述的計(jì)算判斷電路(B)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的數(shù)字型智能惡性負(fù)載識(shí)別器，其特征在于所述的 計(jì)算判斷電路(B)以Mega32單片機(jī)(U2 )為核心，第一外部中斷端輸入到INT1 端與所述的集成芯片(CS5460A)的中斷輸出INT引腳相連；所述的SPI接口引腳(MOSI、 MISO、 SCK)分別與所述的集成芯片(CS5460A)的第5、 6、 23引腳直 接連接；單片機(jī)(U2 )的UART接口 RXD端、TXD端和通訊方向選擇引腳通過(guò)光 耦(U3、 U4)隔離后，再由485協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換后，與外部支持485協(xié)議的設(shè)備 連接。
專利摘要一種數(shù)字型智能惡性負(fù)載識(shí)別器，包括測(cè)量電路(A)、計(jì)算判斷電路(B)、繼電器控制電路(C)及通信設(shè)置電路(D)，測(cè)量電路(A)與計(jì)算判斷電路(B)的輸入端連接，計(jì)算判斷電路(B)的一個(gè)輸出端經(jīng)光耦隔離后與控制繼電器控制電路(C)的輸入端連接，該繼電器控制電路(C)的繼電器觸點(diǎn)連接在被監(jiān)測(cè)的負(fù)載的電路回路中；計(jì)算判斷電路(B)的另一個(gè)輸出端與通信設(shè)置電路(D)的輸入端連接。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)對(duì)不同阻性負(fù)載數(shù)據(jù)的采樣，以及根據(jù)不同負(fù)載的功率及功率因數(shù)，從而控制計(jì)算機(jī)和熱水器、空調(diào)、電風(fēng)扇以及其它阻性負(fù)載是否允許使。
文檔編號(hào)H02H3/44GK201383670SQ20092015051
公開日2010年1月13日 申請(qǐng)日期2009年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月23日
發(fā)明者偉 張, 張顯中 申請(qǐng)人:張顯中