專利名稱：數字型智能惡性負載識別器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種數字型智能惡性負載識別器，主要用于校園學生公寓的用電控制。
背景技術：
隨著校園用電器的增多和普及，校園安全用電隱患和浪費成為校園管理者急需 解決的問題。主要存在以下問題
1、 在學生公寓中，電加熱器件極其容易引起火災事故，如電熱毯、電熱杯、 電爐子等，特別是容易引起火災的電熱毯，在不影響計算機使用的同時，加熱功率 在30-50W電熱毯，普通惡性負載識別器就無法控制；
2、 南方高校的學生公寓中普遍有電風扇、熱水器，通常是24小時供電，這樣 學生就容易通宵上網，從而影響學業，因此急需解決；
3、 絕大多數高校學生公寓中有飲7jc機，飲水機加熱功率通常550W左右，如想 讓學生使用飲水機，這樣普通的惡性負載識別器就無法控制550W以內的加熱電器， 使其失去基本能效；
4、 介入的大功率阻性負載特性發生線性變化，普通的惡性負載識別器就無法 正常的準確控制；
5、 4艮多學生故意插入違規用電器，使惡性負載識別器中的繼電器頻繁通斷， 損壞繼電器，縮短負載識別器使用壽命。
發明內容
本發明的目的在于提供一種數字型智能惡性負載識別器，以解決現有技術存在 的無法識別常用電器、較大功率電器和使用壽命較短的問題。
本發明的技術方案是包括測量電路A、計算判斷電路B、繼電器控制電路C 及通信設置電路D,測量電路A與計算判斷電路B的輸入端連接，計算判斷電路B 的一個輸出端經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的繼電器觸點連接在被監測的負載的電路回路中；計算判斷電路B的另 一個輸出端與通信設置電路D的輸入端連接，該通信設置電路D釆用Mega32的UART 口輸出，經光耦U3、 U4隔離后與485通信轉換芯片Ull連接。
本發明的優點是在使用5臺計算機時，能夠正常使用飲水機，同時插入30W 電熱趙3秒后即刻斷電；根據多時段設置用電設備運用模式，在時間段內所添加的 設備是否學習過的用電設備參數，不同負載的功率及功率因數，從而控制計算機和 熱水器、空調、電風扇以及其它阻性負載是否允許使用；大功率負載特性發生變化 能夠準確判斷；為了避免學生惡意損壞繼電器，增加違規斷電次數設置功能，延長 了識別器的使用壽命。
圖l是本發明的總體構成電路框圖； 圖2是本發明的測量電路A的原理圖； 圖3是本發明的計算判斷電路B的原理圖； 圖4是本發明的通信設置電路D的原理圖5是本發明的計算判斷電路B的單片機內部資源初始化流程圖； 圖6是本發明的計算和判斷的流程圖。
具體實施方式
參見圖1~圖6,本發明惡性負載識別器主要由測量電路A、計算判斷電路B、 繼電器控制電路C及通信設置電路D四部分組成。測量電路A與計算判斷電路B 的輸入端連接，計算判斷電路B的一個輸出端經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的繼電器觸點連接在被監測的負載的電路回 路中；計算判斷電路B的另一個輸出端與通信設置電路D的輸入端連接。測量電路 A采用CRTSTAL公司的CS5460A集成芯片測量電網兩端電壓及流過的電流。計算 判斷電路B釆用AVR公司的Mega32單片機U2實現程序控制。繼電器控制電路C 的繼電器由外部12V電源驅動，單片機U2經光耦U5隔離后輸出控制信號。
測量電路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，各通道由一個放大器和一個A-E模/數轉換器構成)，并且自帶電能計量DSP引 擎，可實現能量、有效電壓、有效電流輸出。在此設計中，采用串聯電阻R4(0.01Q) 的采樣電阻方式測量電流，并聯分壓電阻R2 、 R3方式測量電壓。測量所得數據通 過SPI接口 (CS5460A的5、 6、 23引腳)傳輸給計算判斷電路B。圖2為測量電路A的原理圖。市電經由電容C1、 二極管Dl和D2構成的半波 阻容方式降壓，經電容C3 、電阻R5濾波，穩壓二極管D3穩壓后為系統提供穩定 的5V電源。電阻R2、 R3構成電壓分壓電路，將AC220V電壓降至AC110mV,經 集成芯片CS5460A的9、 IO腳完成電壓信號采集。R4為電流采樣電阻，串聯在外 部被監測的負載回路中，當外部有負載時，將有電流從電阻R4流過，并在電阻R4 兩端產生壓降，經由集成芯片CS5460A的15、 16腳采集此壓降，完成電流信號采 集。通過CS5460A的5 (SCK)、 6 ( SDO )、 23 ( SDI)引腳(即SPI接口 )分別與 計算判斷電路B單片機mega32的3(SCK)、 2(MIS0)、 l(MOSI)引腳連接，按SPI 協議實現數據傳輸。
參見圖3，計算判斷電路B以Mega32單片機U2為核心，單片機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，當集 成芯片CS5460A完成一次有效值計算時，外部中斷1觸發，在中斷函數中讀取Urms、 Irms、 E,再根據有效值計算周期T,可計算出
有功功率P^E/T，
一見在功率S= t/rffw x irww ,
無功功率Q=VF^7^
功率因素f=P/S。
通過當前狀態的參數與上一狀態參數比較，就可計算出新增負載參數 新增負載有功功率iLrf=《-S 新增負載無功功率a^=^-2, 新增負載視在功率1=^。。/+仏"/ 新增負載功率因數,"=US。arf
根據這些參數，與設定的參數進行比較，如果在誤差范圍內，則此用電設備允 許使用，否則控制繼電器斷電。對于大功率負載并上電容后相位變化致使普通識別 器無法識別的，在本設計中，我們由設定的最大單個允許負載功率進行控制。大功 率負載并上電容后，無非是改變了功率因素，但有功功率P不會變化，當P大于設 定的最大單個允許負載功率時，控制繼電器斷電。
為防止串入二極管進行破解，程序中周期性的讀取2個波形的瞬時電流，當正 負半周期最大值連續3秒大于設定的值時，判斷為有半波負載添加，繼電器斷電。
參見圖4，通信設置電路D釆用Mega32的UART 口輸出，經光耦U3、 U4隔 離后，使用485通信轉換芯片Ull將TTL信號轉換成485通信協議的差分信號，實現遠距離數據傳輸。
參見圖5,單片機內部資源初始化程序流程如下
單片機內部資源初始化時將SPI配置為主模式，頻率為主頻的1/64, SPI中斷 關閉。UART波特率為2400,偶校驗，默認為接收狀態，接收中斷允許。外部中斷 l下降沿觸發(用于響應CS5460A有效值計算完成事件)。定時器2周期設置為1S。 繼電器觸電吸合。
CS5460A初始化時從EEPROM中讀取默認配置數據，CS5460A默認配置計算 周期為0.2秒，計算完成中斷允許，低電平有效。電流通道高通濾波，IO倍放大倍 數。電壓通道無濾波。
CS5460A數據測量開始后將一直進行數據測量直到執行復位、停止命令或者停 電。測量開始后，程序進入一個無限循環結構。在此結構中，程序首先判斷當前時 間是否在設定的時間段中，如果在，則更新此時間段所需要的系統參數。然后判斷 是否有上位機命令未執行(在UART接收中斷響應函數中接收上位機命令)，如果 有則允許此命令，命令的類型與上位機控制命令——對應。最后判斷CS5460A新的 有效值是否計算完畢(外部中斷1中捕捉)，如果計算完畢，記錄此組數據，并進 行數據分析，判斷用電參數是否合格。
參見圖6,本發明的計算和判斷方法具體如下
當一次有效數據計算完成時，進行負載判斷。首先對前10S的數據進行濾波， 減小干擾的影響。然后進行運行狀態判斷，運行中共有5個狀態，分別為關閉狀 態、違規狀態、正常狀態、恢復狀態、開機狀態。在關閉狀態時，繼電器斷開，所 有負載均不讓使用。
當本發明裝置上電后，首先進入開機狀態，繼電器吸合，此時判斷開機用電參 數是否合格，如果合格則進入正常狀態，如果不合格進入違規狀態。
當處于正常狀態時，繼電器吸合，讀取瞬時電流值，然后通過瞬時電流判斷是 否存在半波整流設備(即判斷電流正負絕對值之差是否超出設定范圍)，如果不存 在則判斷當前新增負載是否合格(即判斷新增負載功率及功率因素是否均小于設定 值)，如果合格接著判斷當前狀態是否合格(即判斷當前有功功率是否小于設定值), 如果合格則保持現在的正常狀態，如果以上三個判斷有任意一個不合格，則進入違 規狀態。
進入違規狀態后，繼電器斷開，按設定的時間延時，當延時時間到后，進入恢 復狀態，繼電器吸合。在恢復狀態時，判斷此時用電參數是否合格(即判斷違規負載是否摘除和總功 率是否合格)，如果合格就進入正常狀態，如果不合格就進入違規狀態。
本發明在應用時將測量電路A的電壓測量端P4與被監測的負載電網(如學生
公寓的電源電路)連接，將電流測量端Pl的兩端串聯在被監測負載的回路中。根 據學生公寓管理者需求，通過上位機自行設定各用電控值參數，控制精度連續數字
給定，如控制在30W、 31W、 32W等，學習功能和時間段能夠多路設置。
權利要求1、一種數字型智能惡性負載識別器，其特征在于包括測量電路(A)、計算判斷電路(B)、繼電器控制電路(C)及通信設置電路(D)，測量電路(A)與計算判斷電路(B)的輸入端連接，計算判斷電路(B)的一個輸出端經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)的繼電器觸點連接在被監測的負載的電路回路中；計算判斷電路(B)的另一個輸出端與通信設置電路(D)的輸入端連接，該通信設置電路(D)采用Mega32的UART口輸出，經光耦(U3、U4)隔離后與485通信轉換芯片(U11)連接。
2、 根據權利要求1所述的數字型智能惡性負載識別器，其特征在于所述的 測量電路(A)采用CS5460A集成芯片，市電經由電容(Cl)、 二極管(Dl、 D2) 構成的半波阻容電路，通過電容(C3)、電阻(R5)濾波電路，穩壓二極管(D3) 穩壓組成穩定的5V電源；電阻(R2、 R3)構成電壓分壓電路，并與集成芯片(CS5460A)的第9、 IO腳連接；電流采樣電阻(R4)串聯在外部負載回路，并與 所述的集成芯片(CS5460A)的15、 16腳連接；通過集成芯片(CS5460A)的SPI 接口與所述的計算判斷電路(B)連接，實現數據傳輸。
3、 根據權利要求2所述的數字型智能惡性負載識別器，其特征在于所述的 計算判斷電路(B)以Mega32單片機(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(U2 )的UART接口 RXD端、TXD端和通訊方向選擇引腳通過光 耦(U3、 U4)隔離后，再由485協議轉換芯片轉換后，與外部支持485協議的設備 連接。
專利摘要一種數字型智能惡性負載識別器，包括測量電路(A)、計算判斷電路(B)、繼電器控制電路(C)及通信設置電路(D)，測量電路(A)與計算判斷電路(B)的輸入端連接，計算判斷電路(B)的一個輸出端經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)的繼電器觸點連接在被監測的負載的電路回路中；計算判斷電路(B)的另一個輸出端與通信設置電路(D)的輸入端連接。本實用新型的優點是通過對不同阻性負載數據的采樣，以及根據不同負載的功率及功率因數，從而控制計算機和熱水器、空調、電風扇以及其它阻性負載是否允許使。
文檔編號H02H3/44GK201383670SQ20092015051
公開日2010年1月13日 申請日期2009年4月23日 優先權日2009年4月23日
發明者偉 張, 張顯中 申請人:張顯中