大功率电器智能识别与用电安全控制器[1]

ＥＲＲＯＲ 下面三条指令即组成一个 软件陷阱
ＮＯＰ
ＮＯＰ
ＬＪＭＰ ＥＲＲＯＲ 转到预先设计的入口执行
（下转第１３４页）
万方数据
电气时代 ２００５ 年第 ４ 期 ｜ １ ３ １
EA 产品与技术 器件 ＆ 电路
小为
６．输出滤波电容
Ｒ４
Ｕ ２ ｏ ５ （９） ５％ Ｐ
控制器设有两个指示灯 黄灯亮为系统电源指示 红灯 亮为跳闸指示 自动重合闸时红灯闪烁 跳闸次数超过设定 次数时将不再自动重合闸 红灯长亮等待手动复位合闸
目前该控制器已应用于某校的部分学生宿舍 实践证明 该控制器能长期工作 性能稳定 动作可靠 EA
（收稿日期 ２００５．０１．１８）
Ｃｈ１ １００．０ Ｖ ４．００ ｓ ３７．８ Ｖ ｃ）
１．主控制器与Ａ／Ｄ模块的设计 主控制器单片机采用ＡＴ８９Ｃ２０５１ 它是与８０Ｃ５１兼容的 一种低电压 高性能ＣＭＯＳ ８位单片机 片内含２ Ｋｂｉｔ的可 反复擦写的只读程序存储器（ＰＥＲＯＭ）和１２８ ｂｉｔ的随机存取数 据存储器（ＲＡＭ） Ａ／Ｄ采用ＴＬＣ１５３４ １０位串行Ａ／Ｄ转换器 与单片机连接 简单 应用编程方便 传输速度快 灵活且价格低廉 是一 种高性价比的Ａ／Ｄ转换器 ＴＬＣ１５４３的Ｉ／Ｏ时钟 数据输入 片选信号由Ｐ１．５ Ｐ１．４ Ｐ１．２提供 转换结果由Ｐ１．３口串行 读入 ＴＬＣ１５４３ 和 ＡＴ８９Ｃ２０５１ 的接口电路如图 ２所示 ２．数据检测模块的设计 数据检测模块包括电流互感器 电压形成放大电路 整 流滤波电路和信号调理电路 该控制器采用的是由简单的电
EA 产品与技术 器件 ＆ 电路
针对宿舍用电管理及用电安全存在的种种问题 设计了一个以单片机为核心能自动识别大 功率电器并能限制其使用的智能用电控制器 该控制器主要适用于学生集体宿舍等一些集体公 共场所 能有效地防范学生在宿舍内使用大功率禁用电器 减少安全隐患并节约电能
大功率电器智能识别与用电安全控制器
状态指示 延时１ ｓ
系统初始化
Ｎ 定时到标志
Ｙ 清标志 取Ａ／Ｄ 结果 做减法 比较处理
根据处理结果判断 Ｎ 是否跳闸
Ｙ
继电器动作 延时等待重合闸
判断达到重合闸 次数最大值
Ｙ
等待手动复位
Ｎ 重合闸
图４ 主程序流程图
服务程序中调用Ａ／Ｄ采样子程序 数据的传送采用位传送指
令 编程简单
Ａ／Ｄ 采样程序流程图如 图 ５所示
流负感器采样 经桥式整流 滤波后再经过一个简单的限幅 保护电路直接将线性的电压信号送至Ａ／Ｄ转换器 其限幅保 护电路主要用来保护Ａ／Ｄ芯片 数据检测模块如图３所示
该控制器对电流互感器的线性度要求较高 要求互感器
电流 互感器
电压形成 放大电路
整流滤 波电路
信号调 理电路
图３ 数据检测模块设计
限幅保 护电路
软件设计
１．主程序流程图及大功率电器智能识别的实现 主程序主要完成智能识别大功率电器及驱动继电器动作 的功能 其中智能识别功能的实现是通过对电流定时进行采 样 从ＴＬＣ１５４３进行Ａ／Ｄ转换的结果经Ｉ／Ｏ口输入单片机内 部存储单元中 检测功率达到设定值次数（可调）和维持时间 根据判断控制继电器动作 经过延时１５ ｓ 的子程序后 进行 重合闸 并判断是否需要手动复位重合闸 主程序流程图如 图 ４ 所示 ２．串行Ａ／Ｄ采样程序及数据处理的设计 在 Ａ／Ｄ转换程序中 将ＴＬＣ１５４３ 设置为１０ 位数据 ＭＳＢ （高位）先导输出 采用０通道 编程时注意到第一次读出的数 据为随机数 为无效数据应在主程序中先被读出 在定时器
（收稿日期 ２００４．１２．３１）
１ ３ ４ ｜ 电气时代２００５年第４期
万方数据
大功率电器智能识别与用电安全控制器
作者： 作者单位： 刊名：
英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数：
王帅， 刘荔鑫 湖南工程学院
电气时代 ELECTRIC AGE 2005(4) 2次
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断电压尖峰得到有效抑制 图４ｃ是钳位电容Ｃ９电压波形 图 ４ｄ是一次绕组Ｎ１电压波形 图４ｅ是电流检测电阻Ｒ１０上电压 波形 图４ｆ是采用斜坡补偿后ＵＣ３８４３的３脚采样信号电压波 形 斜坡补偿后采样信号电压上升率高于电流检测电阻Ｒ１０上 电压上升率 提高了电路的抗干扰能力 由于该电源额定输 出功率为１５ Ｗ 其变换效率达７５％是相当高的 试验结果证 实了理论分析的正确性
系统的组成及工作原理
１．基本构成 本系统主要由主控制模块 信息检测模块 输出控制模 块和保护模块组成 如图１所示 其中主控制模块完成数据处 理和输出控制功能 信息检测模块完成对负载用电回路电流 的采集功能 输出控制模块完成控制负载用电回路通断的功 能 保护模块完成短路保护功能
使用的常规电器一般单个功率都不大于３００ Ｗ 所以当有常 规小功率电器接入时 电流的瞬间变化量将不会超过设定值 电网能正常供电 而当有单个功率在３００ Ｗ 以上的大功率电 器接入时 瞬时电流的变化量将超过允许使用单个电器的上 限值 单片机主控器将记忆该值 并在规定的时间内连续采 样Ｎ次 通过进一步的比较和分析判断 若为某一电器（小于 设定值）接入时的冲击或电网干扰电流 输出模块不动作 继 续供电 若是恒定的大功率电器接入 则单片机输出控制信 号使继电器动作并停止供电 延时１５ ｓ（可调）后再自动重合闸 恢复送电 并设置了手动复位和的自动重合闸次数（可调） 来 实现断电恢复和断电保护功能 而设置的总功率上限值（可 调） 一方面可限制总用电功率 另一方面可实现用电安全保 护 该控制器还可以配合其他控制器来设置触电 过载和短 路等保护功能 更加有效地防止了一些电器事故
数据处理程序还包含减
清零 Ａ Ｄ ＿ Ｃ Ｓ 选中 ＴＬＣ１５４３
法和比较程序 主要完成采样 数据的突变量计算和判断 在
移位循环４次 Ａ／Ｄ 数据低 ４ 位存入 Ｂ 中
数据处理程序中 正 负数的 判断 则采用了标志位判别
移位循环６次 Ａ／Ｄ 数据低 ４ 位存入 Ｂ 中
这样数据处理简单快速 其他还有智能识别 输出
数据移位处理
控制 限电保护等子程序 ３．系统软件抗干扰措施
Ｒ Ｅ Ｔ 返回
（１）数字滤波
图５ Ａ／Ｄ采样程序
控制器上电后 单片机初
始化 调用延时子程序 以避开刚开机的冲击信号 并对数
据进行多次采集 求得平均值 从而提高抗冲击和干扰信号
的能力
（２）防止程序 跑飞
单片机在正常运行中 难免会遇到外界干扰使ＣＰＵ发生
湖南工程学院 王 帅 刘荔鑫
本文设计了一种能在设定的总功率范围内智能识别大功 率电器并限制其使用的用电控制器 它与现有的普通 限电器有着本质的区别 控制器采用单片机进行数据处理和 控制 应用抗干扰滤波技术 能巧妙地避过电路的各种冲击 和干扰信号 准确地判断电路各负载的功率特性 从而智能 识别大功率电器 并限制其使用 能有效地防止大功率电器 的使用 又不影响电脑 台灯和风扇等的正常使用
Ｃｈ１ １０．０ Ｖ ４．００ ｓ ２０．８ Ｖ ｄ）
Ｃｈ１ ２００．０ ｍＶ ４．００ ｓ －１６３ ｍＶ ｅ）
Ｃｈ１ ２００．０ ｍＶ ４．００ ｓ －１６３ ｍＶ ｆ）
图４ 机内辅助开关电源试验波形 ａ）功率开关与栅源电压 ｂ）功率开关与漏源电压 ｃ）钳位电容电压 ｄ）变压器一次绕组电压 ｅ）电流取样电阻电压 ｆ）斜坡补偿后采样信号电压
Ｃ ５ Ｔ Ｓ （１０） ８Ｋ％ Ｒ
式（１０）中 Ｋ％＝Ｕｏｐｐ／Ｕｏ Ｕｏｐｐ是输出电压纹波峰峰值 Ｒ是 负载电阻
Ｃｈ１ ５．００ Ｖ ４．００ ｓ ４．７０ Ｖ ａ）
Ｃｈ１ １００．０ Ｖ ４．００ ｓ ４．００ Ｖ ｂ）
结 论
１）ＲＣＤ钳位电路能有效地抑制变压器漏感引起的功率开 关关断电压尖峰 在小功率变换场合具有明显的优点
２）给出关键电路参数设计公式 试验结果与理论分析 一致
３）该机内辅助电源具有功率密度高 变换效率高 过载 与短路能力强 可靠性高等优良的综合性能 在ＡＣ／ＡＣ ＤＣ／ ＡＣ ＡＣ／ＤＣ ＤＣ／ＤＣ 等 ４ 类电力电子变换器中具有重要应用 价值 EA
硬件设计
２２０ Ｖ 保护模块
继电器 数据检测模块
光电隔离 电路
Ａ／Ｄ 转换
图１ 控制系统原理图
工作状态指示
单 片 机
复位
２．基本工作原理 用电流互感器采集主电路中的电流信号 经过信号调理 后送入单片机对其进行处理 根据功率最小禁用电器（一般为 ３００ Ｗ）接入时 设定单个电器的上限值（可调） 由于学生宿舍
的工作点必须取在线性区域而且互感器在额定电流范围内不 会饱和 否则系统将可能误动作或不动作
采样电阻的阻值与分压电路中电位器大小的配合也非常 重要 采样电阻如取得太小 采集到的信号电压将较小 这 样分压电位器必然调到较大 从而使信号输入内阻较大 影 响采样的准确度 相反 分压电阻取得太大有可能导致互感 器饱和 同样会影响采样的线性度 此外在低负荷时（小于 ２００Ｗ） 整流桥的管压降也将对采样的线形度产生一定影响 但只要采样电阻与分压电位器的大小配合得当 就能将误差 控制在规定范围内
机内辅助开关电源试验波形如图４所示 图４ａ是功率开 关栅源电压 占空比为０．６ 图４ｂ是功率开关漏源电压 其关
（上接第１３１页） 软件陷阱 一般安排在未使用的中断向量区 大片
ＥＰＲＯＭ百度文库空间 表格和程序区
系统调试与应用
该控制器的使用方法非常简单 且安装方便 无须另设 线路 常规电器都能在总功率设定范围内正常使用 当有超 过上限值的大功率电器使用或负载总功率超过设定值时 电 路将立即跳闸 延时后自动重合闸 并且只有在主电路负载 重新回到正常范围内后自动重合闸才能成功 否则在自动重 合闸失败超过设定次数（可调） 就只能通过手动复位合闸
机内辅助开关电源试验
机内辅助开关电源设计实例 额定输出功率１５ Ｗ 输入 ５０ Ｈｚ 交流电压 ２２０ Ｖ １０％ 或 ２７０ Ｖ １０％ 三路直流输 出分别为 １５ Ｖ（０．８ Ａ） １５ Ｖ（０．１５ Ａ）和 ５ Ｖ（０．２ Ａ） 开 关频率为 ４０ ｋＨｚ 储能式变压器磁心选用铁氧体 Ｒ２ＫＢＤ ＧＵ３０ 绕组匝数Ｎ１／Ｎ２／Ｎ３／Ｎ４／Ｎ５ ３９１／８／１７／１７／１７ 磁心气隙 ０．３１ ｍｍ 最大占空比０．６ 临界连续时输出功率为１／６额定功 率 钳位电阻取为６８ ｋ 钳位电容取为２．２ ｎＦ高频瓷片电 容 钳位二极管取为肖特基二极管ＭＵＲ１８０（１ Ａ ／８００ Ｖ） 整 流二极管 ＶＤ３ ＶＤ６ ＶＤ８ 选用肖特基二极管ＩＮ５８１９（１ Ａ／４０ Ｖ） ＶＤ７选用肖特基二极管ＩＮ５８２２（３ Ａ／４０ Ｖ）
１ ３ ０ ｜ 电气时代２００５年第４期
万方数据
器件 ＆ 电路 EA 产品与技术
ＶＣ Ｃ
Ｐ１．３ Ｐ１．５ Ｐ１．４ Ｐ１．２ ＡＴＣ８９２０５１ ＧＮＤ
５ Ｖ
ＶＣ Ｃ ＤＡＴＡＯＵＴ Ｉ／Ｏ ＣＬＯＣＫ ＡＤＤＲＥＳＳ ＣＳ ＴＬＣ１５４３ ＧＮＤ
图２ ＡＴ８９Ｃ２０５１和ＴＬＣ１５４３的接口电路
混乱引起 死机 程序 跑飞 后往往将一些操作数据当作
指令码来执行 从而引起整个程序的混乱 消除程序 跑飞
的方法之一是 采用 指令冗余 使 跑飞 的程序恢复到正
常状态 另一种方法就是采用所谓的 软件陷阱 软件陷
阱 是一条指令 强行将捕捉的程序引向一个指定的地址 在
那里有一段专门处理错误的程序 这段程序的入口地址为